千米深井煤层大巷矿压规律研究 - 图文-.doc

千米深井煤层大巷矿压规律研究 王成,张农,郑西贵,臧英新,王保贵,刘立明 中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116 摘要随着煤矿开采深度的增加,巷道支护的难度随之增加,传统单一的支护方式难以适应深井软岩巷道的支护要求。通过对淮南矿业集团朱集矿-870 m水平13-1煤层回风大巷掘进期间矿压规律实测数据分析,得出巷道变形活跃期、表面收敛规律及周边变形差异;同时利用钻孔窥视仪探测巷道深部围岩分区破裂情况,确定巷道的松散破碎区及离层区范围,结合矿压规律,提出闭式承载结构控制深部巷道围岩。有关规律在深井煤巷中有一定的代表性,对类似巷道的支护具有指导作用。 关键词采矿工程;煤层大巷;矿压规律;钻孔窥视;分区破裂;闭式承载结构 中图分类号TD353 文献标识码 A Study on Rock Pressure Law of Coal Main Roadway in Km Deep Mine WANG Cheng, ZHANG Nong, ZHENG Xigui, ZANG Yingxin, WANG Baogui, LIU Liming School of Mines, China University of Mining and Technoloty, Xuzhou Jiangsu 221116 Abstract With the increasing of the mining depth, the difficulty of roadway support is increasing. The traditional simplex support can not meet the support demand of deep soft roadway. Rock pressure law of roadway surrounding rock is the key to solve this problem. Based on data analysis of strata behavior regularity Aim at coal13-1 return air-way at -870 m level during the driving period in Zhuji Coal Mine of Huainan Mining Group, active period of roadway deation was obtained convergence law was analyzed with roadway convergence law and deation differences of surrounding rock. At the meantime, we used the borehole imaging instrument to detect zonal disintegration of surrounding rock, defined both loose broken area and separation area, and put forward that closed bearing structure Relevant laws have a certain developer representation in deep coal roadway, and play guiding role in similar roadway support. Key words mining engineeringe; coal roadway; strata behavior regularity; borehole imaging; zonal disintegration; closed bearing structure 0引言 目前国内许多矿井正在向9001000 m深度延伸,部分矿区甚至超过1000 m,如淮南、徐州、新汶等矿区,已进入深部开采[1-3]。矿井开采进入深部后,深部巷道的矿压显现规律和浅部巷道相比具有很大差异[4-7],主要表现在①地应力升高,两帮移近量大,底鼓现象十分普遍。②巷道开挖后变形速度快,活跃期长;③巷道围岩变形量大,并具有明显的“时间效应”;④围岩具有区域性,松散破碎区及离层区范围增大。 本文以朱集矿-870 m回风大巷为例验证。 基金项目“十一五”国家科技支撑计划2007BAK28B04,国家自然科学基金青年科学基金资助项目50904064,中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题SKLCRSM09X03,煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目08KF10,中国矿业大学青年科研基金资助项目2008A004。 作者简介王成1984-,男,博士,主要从事巷道支护方面的研究. E-mail 1 工程地质概况 朱集矿回风大巷位于-870 m 水平的13-1煤层中,部分巷段甚至低于-870 m 水平。巷道掘进初期采用架29U 型棚的单一支护形式,巷道埋深大、地应力高、围岩条件极其复杂等因素严重影响工程进度和施工安全。为了制定合理的二次加固方案,保障煤层巷道安全,特开展矿压规律分析。 朱集矿井田总体构造形态为一背、向斜,断层不甚发育,以边界断层及其附生断层为主,组合规律性较强;区内有岩浆岩侵入。13-1煤层全区均为气煤,赋存深度大多在-810-900 m 之间,其直接顶、底板均以泥岩为主,其次为粉砂岩和砂岩,地温较高。矿井涌水以裂隙充水为主,矿井的正常涌水量为267 m 3/h ,最大涌水量为387m 3/h ,太灰岩溶裂隙含水层的突水量为1152 m 3/h ,具体地质条件见12-1钻孔和12-2钻孔岩层综合柱状图,如图1所示。 1.05 2.252.80 1.30 3.70 2.70 3.301.90 4.90 砂岩砂岩粉砂岩粉砂岩3-1煤砂岩粉砂岩细砂岩粉砂岩12-1 12-2 图1 岩层综合柱状图单位m Fig.1 Histogram of the rock strata unit m 2 矿压规律分析 在-870 m 煤层回风大巷13-1煤共布置表面位移测点5个,观测巷道围岩变形情况,采用YTJ20型岩层探测围岩破坏情况。 2.1 巷道表面收敛显现的特征 采用快速连续观测方法对-870 m 煤层回风大巷围岩变形开展了观测,两帮变形及变形 Fig.2 Deation curve of both sides Fig.3 Deation curve of both sides 从图2和图3可以得出如下规律 1经过29 d矿压观测,两帮位移总量持续增加,达到148 mm,其中左帮79 mm,右帮69 mm,此时两帮位移已趋于稳定。 2巷道左帮位移量始终大于右帮,巷道掘进的前2 d,巷道左帮位移量相对于右帮累计量差异最大。4 d后,两帮的位移增量基本持平。 3巷道开挖的前3 d,为两帮变形剧烈期,巷道开挖1 d后,变形速度达到最大值,左帮速度为28 mm/d,右帮位移速度为16 mm/d,两帮位移速度为44 mm/d。巷道开挖4 d后,两帮变形速度基本一致。 2.2巷道顶底板变形规律 Fig.4 Deation of roof and floor Fig.5 Deation speed of roof and floor 从图4和图5可以得出以下规律 129 d后,巷道顶底板累计移近量达到879 mm,顶板累计下沉量为346 mm,底板累计鼓起量为533 mm,最终巷道顶底板移近速度基本保持稳定,分别为3 mm/d、10 mm/d,底鼓仍保持较快增长。 2巷道开挖后10 d,顶板累计下沉量大于底板累计鼓起量,11 d后,底鼓累计量开始大于顶板下沉量。 3巷道开挖的前4 d为巷道顶底板变形的剧烈期,顶板下沉速度大于底鼓速度。顶板下沉速度在巷道开挖第2d达到最大,为173 mm/d,底鼓速度在第4d达到最大,为111 mm/d。 4巷道开挖后511 d,为底鼓的活跃期,变形速度约2533 mm/d。巷道开挖12 d 后,底板变形速度达到稳定期。 3巷道围岩破坏分区特征 采用YTJ20型钻孔窥视仪观测围岩内部破坏情况,见图6。 a 完整煤岩b 严重破碎c中等破碎 d 轻微破碎e 裂缝f 松散 图6 巷道围岩破坏状况 Fig.6 Failure condition of roadway surrounding rock 根据钻孔窥视围岩破坏的情况,将每个钻孔内围岩的破坏沿钻孔由内向外依次描绘在图7上。从图中可以看出,巷道浅部3 m范围内围岩的破坏较为严重,此区域可认为是传统意义上的巷道围岩松动圈。钻孔内的围岩均存在分区破裂现象[8-10]。将孔内围岩破裂区间隔超过0.5 m的区域用弧线连接起来,形成5个破裂区。破裂区之间的区域,则认为是相对完整的岩层。 图7 巷道分区破裂分布 Fig.7 Zonal disintegration of roadway 分析上图,得出以下结论 1从最大破坏深度看,巷道围岩3 m破坏较为严重,其中以1.5 m破坏最为严重;而随着钻孔深度增加,围岩破坏情况趋向缓和。因此,确定围岩松散破碎区范围为3.0 m。 2两帮围岩在破坏程度上表现较大的差异,巷道左帮比右帮破坏严重,左帮发现较为明显的破坏深度为7.5 m,而右帮在5.3 m未发现明显裂隙,与巷道两帮变形的差异性相吻合;巷道拱肩破裂程度较其它部位更为明显,右肩破坏程度大于左肩。 3钻孔窥视发现,随着探测深度的增加,围岩破碎或者裂隙圈逐渐由严重或明显破碎到中等破碎再变化到小裂隙直到完整围岩;且破碎或裂隙圈主要沿垂直于钻孔轴线的方向,即切向裂隙,由围岩浅部和深部产生不均匀变形引起,围岩浅部以卸压膨胀变形为主,深部为结构变形。围岩的支护强度低,浅部破碎范围则大[11]。 为了保证窥视的深度和效果,现场将钻孔位置选在围岩较稳定区域,但围岩破碎情况仍然非常严重,围岩破坏深度为7.5 m,而松散破碎区值达到3 m。这一方面验证了-870 m回 风大巷地质条件的复杂,另外也说明被动的U型棚支护形式无法对围岩提供足够的支护强度,不能有效阻止围岩裂隙的发展。 4对支护的指导作用 1-870 m煤层大巷埋藏深,巷道开挖后来压快,变形速度大,前4 d为顶板和两帮的活跃期,511 d为底鼓的活跃期,且稳定时间长,开挖1个月后巷道表面仍在收敛,巷道变形长时持续增加。 2-870 m煤层大巷围岩松散破碎区大,超过3 m,围岩破坏影响范围达5 m,甚至超过6m,自表向里依次为严重破碎区、破碎区和离层区。 3深井高应力巷道底鼓变形严重,开放底板式控制技术难以满足全断面来压的深部巷道,必须构建闭式承载结构,从根本上全方位控制巷道围岩,才能保证巷道的长期稳定。 [参考文献] References [1]柏建彪, 王襄禹, 贾明魁, 等. 深部软岩巷道支护原理及应用[J]. 岩土工程学报, 2008, 305 632-635. 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