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关于煤矿巷道矿压显现的极限深度 第六图书馆 极限深度 煤矿 巷道 矿山压力矿山压力与顶板管理邹喜正不详1993第六图书馆 第六图书馆 ／ 关于煤矿巷道矿压显现的极限深度 中 国 矿 业 大 学竺 竺一 乡 ≯ 实 洲两 方面 对我国 巷 道极限深 度问 参 圩深 入 研宄 ， 提出 多 周目 前 喜类 巷 道的 极限 深 ／ 觚 ， ， 适 ／ 1 基本概念 国内外 研 究表 明， 采 深 增加 到一 定 深 度后 ，巷 道矿 压显现 变得剧烈 ， 围岩破 坏过程 强化 ，与 浅部差异很 大 。这个 深 度 称 为巷道 的极 限深 度。 我国 一般认为 当岩 巷 周边 移近量大干 2 0 0 ram，煤巷 顶底板相 对移 近率大 干 3 5 ％时， 巷道矿压显 现程度 是剧烈 的。 众 所周 知， 巷遘 的矿压显 现 主要受 深 度、岩性、构造和开采工作四个因素的影 响 。为 了突 出研究的 重点， 本文 主要分析 极限 深度 与岩 性之 间的 关系 ，并 以影响 系 数表示构造和回 采工 作的影响。 目前， 国外有 的学者 提 出 了临界深 度 的概念 。在 大 于临界深 度时 ，水平 应力等 于垂直 应 力；在 小于 临界深 度时 ，水平应 力 大 于 垂 直 应 力 。 在 冰 岛 临 界 深 度 为 2 0 0 m， 日 本 和 西 德 为5 0 0 r 美 国 为 1 0 0 0 m，加拿大为 2 0 0 0 m。临界深度主要 从 原岩 应力分 布 的角度 出发，与 极限深 度 有 一定 的内在 关系。 2 国外煤 矿巷道极 限深度的确定 近 年来 ，国外 对深 部巷道 矿压理 论的 研究进展较大，许多学者依据不同的澡部 岩体结构采用了不同的研究方法，推算本 国的 巷道 极限深度值。 1 苏联对 于不受 回采 工作影 响 的巷 道， 引用 指标 nr ／R，在 考虑 岩石强 度的 情况下分析巷道所处深 度的影响，当巷道 状态 由中等稳定向不稳定状态过渡时，可 以 认为巷 道 所处 的深 度为极 限深度 。即巷 道 的极 限深 度可用 1 式 表示。 7 H ／R0 ． 4 1 式中 一岩石单向抗压强度 ， 一上覆岩层平均容重； 日一极限深度。 考虑构造 作用影 响时， 极限 深 度应 乘 系 数 k g , 在 落 差 超 过 5 0 m 的 松 碎 断层 带 半径小于 1 0 0 m 的褶皱盆地内及坡度 超 过 4 5。的 山坡下 的巷道应 根据实验资 料 确定 k g ，这 方 面无资 料时，k g可 取 O ． 6 7 。 即 地 - _k g 日 2 式 中 喀一考虑构造作用影响时的极限 深度 妇一构造影响系数 2 德国对澡部开采的研究着重于实 际应用，注意从实际观测人手，通过对实 测数据的数学分析，指导生产实际。W． 卡 默尔建立的回归公式就是其中的代表。 一 ．s 式 中卜岩 层 压力， ． M N ／m2 底板岩层的强度 ，MN ／m2 矿山 压 力与礓板 管理1 9 9 3 №2 - 9 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 岩层压力由 G． 埃佛林岩力学计算模型 计算。 根据 德 国的研究 ，巷道 围岩 的弹性 变 形 位移量 可以忽 略， 当岩 层压 力超过 一定 极 限 值 时 ， 围 岩 开 始 产 生 塑 性 变 形 移 近 量 。产生 这个 压 力极 限值时 巷道 的深 度就 是 极 限 深 度 。 因 此 ， 令 式 3 中 为 零，就可以得出计算极限压力值的 4 式 及计算极限深度值的 5 式。 P3 ． 4 6 q口 4 日l 3 √ 5 由此得出不同岩石种类的极限深度值 和压力值，深度每增加 I O O m，围岩移近 量的增量如表 l 所示。 裹 l 摄阻深虞和移近■增量 崴扳岩层强度 桎限撂 每 l O 0 m 藻度的移 岩石种类 MN／ m≈ 度 m 近量增量 ％ 砂岩 9 7 1 3 6 0 3 ． 4 砂页岩 鹋 I l 4 0 4 ． 0 泥页岩 4 5 9 3 0 5 ． 0 根土岩 2 g 7 3 0 6 ． 3 构 造作用 的 影响 是通过 对构 造带 内巷 道实测的移近量进行反算，得出相应的岩 性指数当量值，由岩性指数当量值计算极 限深度。 通过岩石力学计算模型计算回采工作 对 巷道的 影 响。 由压力增 量确定 回采影 响 系数，得出各回采影响阶段回采巷道的极 限深度 。 3 英国一些学者认为，澡部岩石的 原始应力状态可视为静水压力状态，可以 由弹性理论分析、计算极限深度。 综上所述，据国外有关资料，英国和 波 兰 煤矿 把 采 澡 起点 定 为 7 5 0 m、 日本 为 6 0 0 m、 苏 联 为8 0 0 m、 德 国 为8 0 0 ～ 1 2 0 0 m，而 1 2 0 0 m 以下 为超 深开采 或大深 度 开采 。 3 l 0 矿 山压 卉与 1 I扳 f厦1 9 9 3 施 2 3 ． 1理 论 分 析 根据 岩石 力学和矿 山压 力研究的 成 果， 可以 在 一定假 设的 前提下 ，通过理 论 计算确定极限深度的范围。 3 ． 1 ． 1 确 定 值 水 平应 力与 垂直 应力之 比， 称为 侧应 力系 数 。 当岩 石 处 于 塑性 变 形阶 段 时 ， 认为 8 V0 ，相 当于 0 ． 5 ， l 。 3 ． 1 ．2 确定巷道周边围岩应力集中系数 应 力集 中系 数决 定于硐 室形状 及地 应 力场特征。 圆形和椭圊形硐室应力集 中部 位在硐顶部和边墙 中部，而正方形和矩形 硐室应力集 中最大部位在四个角上，由理 论确定角点上 应力集 中系数可达无穷大， 实际上为 6 ～8 。 苏联 有关资 料表 明，在未采动 岩体 下， 巷道 各种不 同形式断 面的应 力集 中系 数值如表 2所示 。 裹 2 各种形式断面的应力集中系数 巷道断面形状 应力集中系教 椭圆形巷造长短轴对比 1 ． 5 l 5 圆 形巷 逋 2 圄拱 形巷道 2 5 拱 形巷 逋 3 直角形 梯形 巷道 3 5 曲线形状巷道应 力集 中系数比较 小， 出现 的拉应 力也 较小 ，巷道 比较稳定 。 因 此， 当巷道周边围岩破碎后，巷道一般最 终保 持稳 定的 曲线状 。所以 ，对 于不规 则 巷道断面可采用外接圆形求解，在 等于 l 的条件下，巷道周边应力集 中系数等于 2 。 3 ． 1 ． 3时问效 应 岩 石强度常 随着作 用时 间延长 而降 低，其最低值，就是对应时 间 卜 一的强 度，称为长期强度。一般认为长期强度为 瞬时强度的 0 ． 7 ～O ． 7 5倍，即长时载荷影 响系数 0 ． 7 ～O ． 7 5 。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 根据苏联的研究，巷道服务不同时间 的 值 如表 3所 示。 依据 计 算时巷 道已服 务的时间，选取合适的 值，其 中当巷道 涌水 量 大 干 2 m ／h时 ， 围岩 处 于浸 湿状 态 。 影扁暑 ； 数 巷道服务期 ∽ 干 l 浸湿 l O 0 ．8 l o 7 3 ． 1 ． 4 岩体 强度 岩体单向抗压强度 砖 应按 6 式计算 R R 6 式 中丘 为考虑没有 表面连接 性或较小粘 结性 滑动面、裂隙、泥质夹层等的岩 体附 加破坏程 度系数。 3 ． 1 ． 5 计算极限深度 当巷遘周边围岩的应力超过巷道周边 岩体 单向抗压强度时，巷道变形剧烈，可 认 为 此时的 巷道埋 深 即为极限 深度 。一般 情况下，极限深度可由 7 式确定。 2 n 7 式 中 岩石容重 目 -_一巷道所处深度加援限深度。 考虑构造作用影响时，应乘以构造作 用影响系数 k g ’k g的取值如前所述，见 式 8 。 2 R k g 8 巷道 受 回采工 作影 响时 ，在工 作 面剧 烈影 响带 内，通 过加 强支护 改善巷 道围 岩 的受力状态。在回采剧烈影响带以外，不 受相邻 区段 采动 影响 的回采巷 道，回 采影 响系数 j 0 ． 7 7 ， 受相邻 区段采动影 响的 回采 巷 道 ，回 采 影 响 系数 0 ． 5 ～0 ． 4 。 准备巷遘的情况较为复杂，其它文章中专 门论述。此时，援限深度由 9 式确定。 2 R 9 3 ． 2现 场 实 测 我 国煤矿 地质 条件 复杂， 很难给 出 统 一 的极 限 溧 度， 应 针对 不 同的 围岩 条件 ， 进行 具体 分析。 3 ． 2 ． 1 软 岩类围岩 1 沈阳矿 务局 前屯煤矿煤 系地 层垒部 为 第 四纪地层 所覆 盖， 顶底板均 为黑 灰色 泥 质页 岩或凝 灰 岩，层理 不 明显 。巷 道成 圆形断面，用料石碹支护。采用斜井片盘 开拓，底板运输巷在凝灰岩中，随巷遘埋 瀑巷道维修 量的变化如表 4所示。 裹 4前屯矿不同埋漂下的巷道曩修事 巷道名称 璨度 In 巷道长度 n O 翻砌量 m 霸肇事 ％] 北一道 l 0 5 8 5 0 l ∞ l 7 6 北 二道 1 4 9 8 0 o 1 9 64 2 46 北三 道 l 7 4 l 0 3 0 4 8 2 2 4 6 8 北四 道 2 2 4 l 1 ∞ 9 3 7 8 8 5 ． 3 北五逋 2 7 4 8 0 0 7 7 3 ． O 9 6 ． 6 2 舒兰煤田属新生代第三纪褐煤，煤 层 顶 底 板 及 整 个 煤 系 地层 均 为橙 软 的 砂 岩、页岩、砂质页岩和碳质页岩，胶结性 较差，舒兰衡三井在不同埋深条件下井筒 碹体破坏情况如图 1 所示。 破 坏 塞 图 l 舒 兰街 三井 主斜 井埋 探及 碹体 破坏 串关 系 曲线 矿 山压 力与 珥扳 蕾理1 9 9 3 怕 2 1 1 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 3 广 西那龙 煤矿 煤系地层 是第三 系软 岩 ，煤 层顶 底板岩层 为泥 岩、砂 岩， 泥质 粉 砂岩 、砂质 页岩 ，成岩 程度差 ，胶 结性 也 差。那 龙斜 井沿煤 层倾 向布置在 煤 层底 板岩层 中，倾角 2 5 。 ，随井简的埋深，井 筒碹体变形情况 如表 5 所示 。 上 述三 个实例 表 明，软 岩类 围岩 单向 抗 压强 度很 低， 一般 不超 过 6 MP a ，基 本 上 未腔结 ，所 以，不 考虑 岩体破 坏程 度系 数 ，即 Kc l ， 同时 ， 巷道 变 形破坏 前保 持稳定 的时 间都 少于 5 a ，长期 载荷影 响系 数 ”也 等 于 l 。 因此， 它们 的极 限深 度在 _ 1 5 0 m 左右 。 3 ． 2 ． 2非软岩类 型 围岩 非软岩 类围岩主 要 指岩石 结构和 成分 上不具 备软 岩特征 的 围岩，一 般分 比较稳 定 、 中等稳 定和 稳定三种类 型。 1 淮 南矿务 局九 龙 岗煤 矿、新 庄孜煤 矿 对各类 围岩 ，在不 同深 度 条件 F ，巷 道 的 年破坏 情况 进行 了调 查 、统计 ，结果 如 表 6所示。 表 5 那龙 矿 斜井埋 深 及井 筒变形 斜井斜长 m 埋深 m 井筒变形情况 0～1 5 0 0 ～5 7 无 变形 l 5 0 ～2 2 9 5 7 ～8 4 少量底 鼓 2 2 0 ～ 3 0 0 8 4 ～ 】 ] 5 底鼓 严重两 帮收敛 3 0 0 ～4 O 0 I 1 5 ～ 】 5 3 底鼓 严重两 帮收敛 4 【 H _ ～4 8 0 】 5 3 ～1 8 4 康鼓 严重尖 顶 冒 4 8 0 ～5 8 0 1 8 4 ～2 2 2 尖 顶 剥皮严 重 冒 5 8 0 ～6 0 0 2 2 2 ～2 3 0 严重破 坏垮 冒 转 平巷 2 3 0 严重破 坏垮 冒 表 6 淮 南各 类围岩 巷道 在不 同深 度下 年破 坏率 开 采藻 巷 道 年破 坏 长 年破 坏 与砂 岩巷 围岩性质 度 m 度 m j 度 t m 事 ‰ 道比值 整 体性 较好的 f 7 4 3 0 1 0 6 0 2 3 2 ． 2 】 砂 岩 k ，0 7 5 6 3 0 l l O 0 4 2 5 3 9 l 中等稳定的 f 4 ～5 4 3 0 6 8 0 3 4 5 2 3 砂质页岩 k 0 ． 7 5 6 3 0 7 0 0 I 7 5 2 5 6 4 比较松碎的 f 3 4 3 0 9 2 0 2 3 3 2 5 3 1 5 页 岩 k 一0 4 5 ～0 7 5 6 3 0 3 o o 9 4 3 I 3 8 断 带 4 3 0 3 0 0 2 1 0 7 0 3l 8 6 3 0 】 7 0 l 4 4 8 4 1 7 2I 7 2 阜新矿务局平安矿、王家营等矿、 巷道 损坏率 、 围岩变形 速率 与埋深 的关 系 如表 7所 示 。根 据 五龙 立 井、 平 安 二井 、 王家 营立 井一5 1 5水平 和 一 6 5 0水 平巷道 移 动 数据绘 制 的移 动 量与深 度 关系曲线 ，如 图 2 。 3 抚 顺 矿 务 局 龙 凤 矿 一6 2 5水 平 车 场 ，埋 澡 7 4 5 m， 由于 车场 附 近是 地 质 构 造 复杂的 区域， 不仅 在巷道 围岩 为泥 质页 岩 ，破碎 页岩、l泥岩 ，砂 质页岩 互层时 底 臌严 重， 当围岩 为较 坚硬的 变质凝 灰岩 甚 2 - 矿 山 压 力 与 r且板 管 理1 99 3 № 2 煳 2 巷 道移 动量 与位 移的 关 系曲线 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 至 坚硬 的 玄 武 岩时 ， 巷 道底 臌 亦很 强烈 ； 如表 8所示。 4 新 汶矿 务 局 孙村 煤 矿在 埋 深 4 0 0 m 左右 时巷 道 很好 维 护， 当深 度 转入 5 7 O ～ 8 0 0 m 后，巷道变 形严 重。 ① 皮 带 暗 斜 井 自2 8 0 m 以 下 垂 深 4 5 0 7 7 0 m ，凡 是穿越粉 砂岩、泥岩 、煤 地 段 及构 造 破 坏带 ， 均 有不 同程 度变 形 ， 底 鼓量 达 l m 以 上 ， 两帮 移 近量 0 ． 5 m 以 上 。 ② 垂深 6 4 o m 位 于 砂质泥 岩 中的岩 石 集 中巷， 掘进 断 面 6 ． 2 m2 ，设 计 为 四个 可 采 层服 务， 第 一可 采层采 过后 ， 断面缩 小 为 2 9 m2 。 表 7 泥岩类围岩采深与巷道损坏率、变形量、变形速率 巷道 损 坏事 垂直 变形 水平变 形 开采 主要 巷量毫 滦度 岩性 巷道长 损坏长 损坏率 变形量 速率 变形量 速率 m 度 m 度h n ％ mm m m ／ d mm,I m m／d 平安矿 2 8 0 车场 4 0 6 泥岩 I 5 7 】 2 7 8 7 2 l 】 2 0 2 3 0 I 3 5 o 2 ． 7 7 平 安矿西 二路 太 巷 4 O 6 泥岩 2 】 0 2 l 0 l O 0 8 2 0 l 6 8 I 3 5 0 2 7 7 王家营矿 1 1 3 册段石门 6 2 9 泥岩 4 6 8 4 1 8 8 9 _ 3 8 5 6 I 2 l 3 5 6 咀 8 3 王家营矿 6 5 0出车线 8 2 0 泥岩煤层 】 4 6 l 2 3 8 4 2 l 3 5 2 1 ． 3 6 7 l 8 0 9 2 E 家营矿一 6 5 0空重车线 8 2 0 泥岩 】 8 6 I 8 6 1 0 0 l 4 8 0 1 ． 3 8 6 9 6 l 4 2 王家营矿主付通道 8 2 0 泥岩 l 5 6 1 5 6 l 0 0 I 7 8 l l 8 3 l 0 5 l 1 ． 5 2 表 8 龙 凤矿一 6 2 5车 场巷 道底 臌变 形 片状破碎煤质面岩、 眉岩性质 泥质页岩 变质凝蔽岩 玄武岩 皑岩、砂质页岩互层 硬度、裂豫 系 数 f -2 ～3 k _ 0 6 f -2 kO 6 f 7 ～8 k 0 6 f 1 5 k 0 ． 6 构造系教 与煤系地层的向斜轴在同一水平距离裉近．地质构造较复杂 k 8 0 6 7 ． 埋 据f m 、 7 4 5 支护方式 R 4 ． 5 铁圉棚 R3 5 铁圈棚 R 3 5 铁匿棚 1 日 轨梯形棚 巷道底 鲑 01 0l 5 ～ 0 2 n0l 5 00 0 40 0 05 m ／月 巷道 长度 m 3 4 5 2 2 0 1 I 5 龙 口矿务局 煤 l顶板粉砂 岩抗压 强 度 3 2 ． 3 MP a ，北 皂矿 一1 7 5 m 水 平西大巷 布 置在 煤 1顶板 粉砂 岩 中，巷 道一 直完 好 。 而梁家 矿 - 4 5 0 m 水平 西 大巷也 布置在 煤 l 顶板粉 砂岩 中，同样锚喷 支护，巷道 严重 变形，被迫 翻修 。 6 由于 巷 道 布 置 在 比 较 稳 定 的 围岩 中 ， 开 溱 、 北 票 开 采 深 度 已 达8 0 0 ～ 1 0 0 0 m 以 上．围岩 尚没有 出现 明显的 塑性 变形。 因此 ，在非 软岩 类 围岩 中，不 稳定的 围岩极 限深 度 为 3 0 0 4 0 0 m， 中等 稳定 围 岩极限 深度 为 6 5 O ～7 5 0 m，比较 稳定围 岩 极限 深度 l O 0 0 m 以上。 4 主要结论和 说明 1 文 中主要 讨论 岩 巷即 准备 巷道和 开 拓巷 道的极 限深 度。对 于回 采巷道 应依 矿 山 压 力 与 珊 板 管 理1 9 93 雎 1 3 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 据 回采 巷道围岩稳定性分类 另行研究 。 2 各种 围岩 类型 的 岩 巷的 极 限 深 度 以 及 超 过 极 限 深 度 后 ， 埋 深 每 增 加 I O O m， 巷道 匿岩 移 近量 的增 量如 表 9 的示。 在各类 围岩 条件 下，埋 瀑与巷 道围 岩移近量的关系如图 3所示。 裹 9 备类 圈岩 的极 限深 度豆位 移量 增量 撮限橡度 超过撮限橡度后采橡增 匿岩类型 加 1 0 0 m 位移量增量 m mm 戟岩 1 5 O ’4 O O 不稳定的围岩 3 0 0 4 0 0 I 3 4 中等穗定的围岩 O ～7 5 0 8 0 比较靛的匿岩 1 o o 0 5 0 图 3 巷道埋深与移近量关系曲线 4 构造作用和采动影响的详细研究 在其它有关文章中详细论述。 责任编辑宏 长 ⋯ 式 c ． 李 苎c 教 授 艏 o 1 9 骱 7 0“ 羊 ； 二 要 限 璧 ， ． ．兰 尊 ． 竺 璧 住 。 研 ’ 术 ． 到 亨 是 兰 亨 现 畚 论 ； 。 一 场 实 测 取 得 ，结果应以概率的形式表示。 。 上 接 第 页 工 作 面 涌 水 量 大 干 4 m3 ／h ，在这种条件下有效时间为 2 ～3 个月，不发生底臌，大干这个时间又要发 生底 擞。在 已形 成非弹 性区的地段再卸 压，顶板瀑都要冒落。它 只能在顶板未破 坏且没有危险情况下采用。该方法必须在 掘进时同时进行，不能滞后 2 0 m距离，否 则 效果不 好， 会造 成破坏 。因 此用综 掘机 掘进，这种方法的效果就要降低。 2 ． 2卸 压和 加 固 的综 合 方 法 这种方法是先积极卸压然后加 固。在 a o 3 0 MP a ，工 作 面 涌水 量大 于 4 m ／h ， 要采取综合法。先在底板打卸压孔，炮眼 长度 2 ． 5 m，靠巷帮的卸压炮孔要 斜向两 帮，超过巷逋周边 0 ． 5 m。放炮后，炮眼破 坏形成人 为的 破碎 区，然 后在 破碎区 内注 浆。 在工作 面后 2 0 m 的范围，要进行 巷逋 施 工，很 难立 即进 行加 固注浆 。所以要 求 1 4 - 矿 山压 力与顶板 量理1 99 3 2 重新打 眼注浆。注浆材 料采用水泥 砂 1 2 ～3 ，注浆后形成整体岩石圈。一 个炮眼占底板注浆面积为 2 ． 5 ～3 m 。之所 以要进行 两步 工作 ，是 因为 3 0 MP a 时，一般为页岩，注浆效果不佳，因此采 用人为破碎以提高注浆效果。这种做法效 果好但成本高。 因为该种方法成本高，后来多采用爆 破加 固法。其原理与上述是相同的，但须 放炮和加固同时进行，可节约一半的工作 量，炮眼和上述的炮眼一样，要超过周边 0 ． 5 m，炮眼长 2 ． 5 m，底部放上粘结材料， 再放炸药，炸药距孔 口要大干 l m，装上 炮泥然后放炮。树脂粘结药卷，由水泥、4 ～ 6 ％水玻璃和砂组成，并被隔开，外用 塑皮包住，外径 3 8 mm，长 0 ． 5 m，总量 大约 0 ． 5 ，采 用该 方法巷 道 2 ～3年都 束发 生底臌。 责任编辑量胜根 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆