红石岩煤矿回采巷道底鼓机理及防治技术研究.pdf

论文题目红石岩煤矿回采巷道底鼓机理及防治技术研究 专业采矿工程 硕 士 生李军（签名） 指导教师张恩强（签名） 摘要 回采巷道底鼓防治是煤矿开采的难点问题之一，探索回采巷道的破坏机理及防治技 术具有重要的理论意义和实用价值。本文通过现场观测和理论分析对红石岩煤矿回采巷 道破坏机理及防治技术进行了系统研究。 现场观测了 12406 回风顺槽的变形破坏资料， 得出回采巷道为软岩回采巷道。 12407 回风顺槽的底鼓原因主要是 12406 回采工作面的二次采动影响。 12407 回风顺槽在 12406 回采工作面的影响下，两帮应力较高，两帮将应力传递到底板，底板岩层在巷道两帮围 岩的高应力作用下被挤向巷道内部形成底鼓，鼓起的底板在两帮形成向上的剪切应力， 使巷道两帮发生剪切性破坏，得出 IV 采区回采巷道的底鼓属于典型的挤压流动型底鼓， 造成底鼓的主要原因是两帮应力较大和底板岩层较软。 得出回采巷道的底鼓机理是工作面二次采动影响之后，对回采巷道底鼓治理方案进 行了系统研究，最终结合红石岩煤矿具体情况，提出利用卸压槽治理巷道底鼓的方案。 为了验证方案的有效性，利用卸压槽治理底鼓的方案在 12407 回风顺槽应用并在卸 压槽附近布置了测站进行观测研究。监测数据表明巷道顶板下沉量极小，巷道顶底板相 对移近量主要由底板鼓起造成，相对移近量在距离工作面 3040m 处开始加速增长，验 证了巷道底鼓机理是二次采动影响；通过有无卸压槽的测量数据对比得出卸压槽在红石 岩煤矿 IV 采区软岩回采巷道底鼓治理中起到了极大作用，有效地控制了底鼓，保证了 回采工作的安全生产和高效生产。 关 键 词软岩巷道；底鼓机理；卸压槽；现场监测 研究类型应用研究 SubjectThe study of failure mechanism and prevention and control technology of the stoping tunnel in Hongshiyan coal mine SpecialtyMining Engineering NameLi JunSignature Supervisor Zhang En-qiangSignature ABSTRACT The problem of the prevention and control of floor heave in the stoping tunnel has become one of the difficult problems in coal mining field ,so to explore the failure mechanism and prevention and control technology in the stoping tunnel has important theoretical value and practical value .The paper has conducted a systematic study of the prevention and control of the stoping tunnel in Hongshiyan coal mine by field observation , as well as by theoretical analysis . The understanding ,observed the materials of deation and failure in 12406 return air roadway , is that the stoping tunnels in IV mining area are soft rock roadways . The reason of floor heave in 12407 return air laneway is that the secondary mining influence from 12406 working face .Under the influence from 12406 working face，the two sides in 12407 return air laneway is under higher stress and will stress to the floor .Under the high stress from two sides of 12407 return air laneway ，floor stratas are squeezed to the inside of roadway and the summon up of the bottom of the roadway is ed .Because of the summon up of the bottom of the roadway, upward shear stress has been ed in the two sides and causes shear fracture in the two sides of roadway . Floor heave of roadway in IV mining area , mainly for the high stress in two sides and the soft bottom layers , is identified as typical extrusion flow type . After learning that the mechanism of floor heave of roadway is secondary mining influence from the last working face , the control theory of the stress from the stoping tunnels is systemic introduced . In the final , combining with the specific circumstances in the Hongshiyan coal mine ,the plan using the pressure relief groove to control the floor heave of roadway is put forward . In order to verify the effectiveness of the scheme, we implemented the scheme of controlling floor heave by using the pressure relief groove in the 12407 air retain way, and decorated the observation station near the pressure relief groove to studied it. Monitoring results showed that the sinkage of the roof is very tiny, the convergence between roof and floor of the roadway was mainly caused by floor heave, and began accelerating growth at 30 40 m from the working face, it verified the mechanism of roadway’s floor heave is the influence of the second mining. By comparing the measurement data with or without pressure relief groove, we obtained that the pressure relief groove had played a great role in the governance of roadway’s floor heave in the soft rock roadway of the red rock mine IV mining stope, effectively controlled the floor heave, and ensured the safety and high efficiency of the stoping work. Key wordssoft rock roadway ; floor heave mechanism ; pressure relief groove ; fi -eld monitoring ThesisApplying research 目录 I 目录 1绪论.......................................................................................................................................1 1.1 选题背景......................................................................................................................1 1.2 研究目的及意义..........................................................................................................1 1.3 软岩概念......................................................................................................................1 1.3.1 地质软岩...........................................................................................................2 1.3.2 工程软岩...........................................................................................................3 1.3.3 地质软岩与工程软岩的关系...........................................................................4 1.4 国内外研究现状..........................................................................................................4 1.4.1 软岩支护理论国内外研究现状.......................................................................4 1.4.2 底鼓理论国内外研究现状...............................................................................6 1.4.3 底鼓的主要控制方法.......................................................................................8 1.5 研究内容、方法和技术路线......................................................................................9 1.5.1 研究内容...........................................................................................................9 1.5.2 研究方法...........................................................................................................9 1.5.3 技术路线...........................................................................................................9 2工程概况.............................................................................................................................11 2.1 矿井概况....................................................................................................................11 2.2 地质特征....................................................................................................................11 2.2.1 地质构造.........................................................................................................11 2.2.2 水文地质.........................................................................................................12 2.2.3 12406 工作面地质情况...................................................................................12 2.3 煤层与煤质................................................................................................................13 2.4 12406 回风顺槽变形破坏特点..................................................................................14 2.4.1 支护结构破坏明显.........................................................................................14 2.4.2 巷道变形大，巷道底鼓和煤壁片帮严重..................................................... 14 2.5 本章小结...................................................................................................................15 3岩石力学性质.....................................................................................................................16 3.1 岩石力学实验简介....................................................................................................16 3.2 取样效果....................................................................................................................18 3.3 煤岩单轴压缩强度及变形实验结果........................................................................19 3.4 本章小结....................................................................................................................21 4红石岩煤矿回采巷道破坏机理分析.................................................................................23 目录 II 4.1 巷道底鼓机理............................................................................................................23 4.1.1 软岩巷道底鼓类型.........................................................................................23 4.1.2 巷道底鼓的主要影响因素.............................................................................23 4.2 巷道底鼓力学模型....................................................................................................25 4.3 本章小结....................................................................................................................29 5红石岩煤矿回采巷道底鼓治理方案研究.........................................................................30 5.1 躲压............................................................................................................................30 5.2 钻孔卸压....................................................................................................................31 5.3 钻孔松动爆炮卸压....................................................................................................32 5.4 开槽（缝）卸压........................................................................................................35 5.5 回采巷道底鼓治理方案............................................................................................37 5.5.1 方案选取.........................................................................................................37 5.5.2 卸压槽参数确定.............................................................................................37 5.6 本章小结....................................................................................................................38 6底鼓治理方案在 12407 回风顺槽应用及观测研究.........................................................39 6.1 监测意义与目的........................................................................................................39 6.2 监测内容与方法........................................................................................................40 6.2.1 围岩表面位移监测.........................................................................................41 6.2.2 卸压槽宽度闭合量监测.................................................................................42 6.2.3 围岩内部位移监测.........................................................................................43 6.3 监测数据整理与分析................................................................................................45 6.4 本章小结....................................................................................................................49 7结论.....................................................................................................................................50 致谢...........................................................................................................................................51 参考文献...................................................................................................................................52 附录...........................................................................................................................................55 攻读硕士学位期间从事的科研项目.......................................................................................55 1 绪论 1 1绪论 1.1 选题背景 随着近些年矿山开采深度的增加和范围的扩大，巷道围岩稳定性问题日益突出，软 岩巷道的支护问题已成为国内外关注的工程热点问题之一[1]。部分或全部布置在软岩中 的巷道易失稳变形破坏，表现为矿压显现强烈、底鼓、两帮内挤出现折帮、顶板由于断 裂、离层而造成掉顶或冒顶等，煤矿软岩巷道因受所处的岩层及复杂的地址构造等因素 的影响，传统的普通支护方式远远满足不了生产的需要，底鼓、片帮是煤矿软岩巷道中 经常发生的动力现象，使巷道时常发生严重的变形破坏造成巷道维护困难，失修严重， 多次维护成本高，矿井生产效率低下，对巷道的行人、运输、通风等构成极大的威胁， 影响煤矿的安全生产。为此，需要充分对软岩巷道变形破坏机理及防治巷道变形破坏技 术进行研究，采取合理的支护、维护措施并选择合理的采矿方法，以保证矿山的安全生 产。 红石岩煤矿位于鄂尔多斯地台向斜东南缘，大部分位于黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区的 案角井田北部，一部分位于红石崖井田的南部。IV 采区回采巷道在巷道中心线附近底板 因鼓起而断裂，巷内底鼓量大，在正常使用期间常常需要多次起底。本论文着重对红石 岩煤矿软岩回采巷道的顶板离层情况和巷道变形规律进行测试研究，并参考该煤矿的软 岩回采巷道治理案例，探讨红石岩煤矿的软岩回采巷道变形破坏的防治技术，最终提出 利用卸压槽卸压的方法维护二次采动影响下的软岩回采巷道。 1.2 研究目的及意义 红石岩煤矿在构造应力和工作面二次采动的影响下， IV 采区工作面回采巷道变形破 坏剧烈，起底频繁、工作量大，不仅维护成本高，而且带来很多的安全隐患，严重制约 采煤工作面的快速推进及矿井产量和效益的提高。因此，对巷道底鼓治理技术研究无疑 对红石岩煤矿以及类似条件下的矿井实现安全、高产高效生产具有重要的参考价值。 目前类似软岩回采巷道底鼓问题在全国普遍存在，本论文所做工作是对软岩回采巷 道底鼓相关维护技术应用和研究的一点探索。 1.3 软岩概念 从 20 世纪 60 年代到 90 年代初， 关于软岩的概念在国内外一直存在争议， 软岩定义 多达几十种，概括起来，大体上可分为三类，即描述性定义、指标性定义和工程定义。 西安科技大学硕士学位论文 2 其中最具有代表性和权威性的是国际岩石力学学会对软岩的定义和 GB50218-94 定义的 “工程岩体分级标准”[2]。 到 20 世纪 90 年代末期，由中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术研究推广 中心组织专家专题讨论， 提出了地质软岩和工程软岩的概念， 指出了二者的区别和联系， 并建议在软岩工程中应用工程软岩的定义。 1.3.1 地质软岩 目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴。按地质学的岩性划 分，地质软岩是指强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或者 含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层[3]。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩 和砂质泥岩，是天然的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将地质软岩定义为单轴抗压 强度在 0.525MPa 之间的一类岩石，其分类依据是岩石的强度指标。可以从以下三个方 面来描述地质软岩。 （1）地质软岩的成分 软岩一般是由固体相、液体相和气体相三相组成的多相体系，有时有两相组成。固 体相是由许许多多大小不等、 形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起， 构成软岩的主要部分，称为“骨架” 。在颗粒间的孔隙中，通常有液相的水溶液和气体组 成三相体，有时只被水或者气体充填形成二相体。 通过对我国煤矿软岩岩层的粘土矿物分析，其组分主要有四类高岭土、伊利石、 蒙脱石及伊蒙混层矿物。 （2）地质软岩的内部结构 从细观结构上描述，软岩微结构具有“松”和“散”的特征。 “松”是岩石在成岩过 程中由于原岩急剧冷却，气体大量逸出或受风化作用的影响，使岩石结构疏松、质量减 小、孔隙率增大的综合反映。这种岩石在煤矿中较少，一般赋存在浅部，如喷出岩、火 山岩形成的浮石等。 “散”是由于岩石在成岩过程中仅是沉积、压紧，而少固结，成岩时 间短造成的。煤矿中新近纪遇水变流沙的砂岩大都属于此类。 （3）地质软岩的力学指标 从力学特性上描述软岩，可以用“软”和“弱”两个字作定性概括。 “软”是指这类 岩石受力作用后容易产生变形，且流变特性十分明显。一般坚硬岩石的弹性模量可超过 50GPa，甚至超过 100GPa，而软岩的弹性模量常常低于 15GPa。此外，软岩容易产生塑 性变形，遇水易发生崩解、膨胀和泥化，脱水易风化等。这是工程中最难处理的一种有 代表性的岩体。 “弱”是指岩石的强度较低。国际岩石力学学会把软岩定义为单轴抗压强 度在 0.525MPa 的一类岩石，而硬岩的单轴抗压强度可超过 100MPa 以上。 实质上软岩矿物颗粒之间不像坚硬岩石那样是晶体连续。硬岩的晶体连结不仅赋予 1 绪论 3 岩石以很高的强度，而且使岩石有明显的抗水性，浸水后粘结力并无明显削弱，软化系 数较小。而软岩颗粒之间的胶结程度较差，缺乏牢固的连结，一般情况下只是水粘结、 水胶粘结、泥质粘结或凝灰胶结，甚至颗粒之间无粘结，因而表现为松散、软弱、易变 行，抗水性差或者豪无抗水性，遇水溃散、崩解或者膨胀、泥化等，这都是粘结力不稳 定的表现。因此，胶结程度将成为软、硬岩石区分的主要标志之一。 地质软岩的定义用于工程实践中会出现一些矛盾，如巷道所处深度足够浅，地应力 水平足够低，则单轴抗压强度小于 25MPa 的岩石也不会产生软岩的特征；相反，大于 25MPa 的岩石，如其工程部位所处的深度足够深，地应力水平足够高，也可以产生软岩 的大变形、大地压和难支护现象。因此，地质软岩的定义不能正确用于工程实践，故提 出了工程软岩的概念。 1.3.2 工程软岩 目前，国内外都认为巷道围岩稳定性主要取决于围岩应力与围岩强度的相互作用， 即围岩的状态。离开巷道工程特征，而仅依据岩体天然的基本特征松、散、软、弱 来确定软岩，显然是不确切的，况且工程岩体的坚硬与软弱是相对的。开采深度大，围 岩应力高或者工程开挖的范围越大，围岩变形量越大，围岩破坏程度越严重，其稳定性 亦越难控制；反之，即使围岩强度很低，但是围岩应力也很小，则巷道支护并没有多大 的难度。例如，我国西北的黄土，其单轴抗压强度只有 0.10.2MPa，但窑洞可以上百年 不坍塌而保持稳定状态。因此，如果离开支护与围岩状态而专谈“松、散、软、弱”的 岩石为软岩，从工程角度看是没有意义的，而应结合岩体的工程特征给出便于工程应用 的软岩定义。 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程力是指作用在 工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及 膨胀应力等；显著塑性变形是指以塑性变形为主的变形量超过了工程设计的允许变形值 并影响了工程的正常使用，包含显著的弹塑性变形、粘弹塑性变形、连续性变形和非连 续性变形等； 工程岩体是软岩工程研究的主要对象， 是巷道开挖扰动影响范围内的岩体， 包含岩块、结构面及其空间组合特征。该定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程 力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表 现为硬岩的力学特性。强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性。而对同种 岩体，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的小变形特性；在较高工程力的作用下， 则可能表现为软岩的大变形特性。 从工程观点给软岩工程下定义，一般较为直观，且工程技术人员较易接受。目前， 煤矿软岩巷道支护中关于软岩工程的定义有多种。如 西安科技大学硕士学位论文 4 “松动圈厚度大于 1.5m，并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩。 ” “难支护或者需要重复翻修、多次支护的围岩称为软岩。 ” “在巷道围岩应力作用下能产生显著变形的工程岩体称为软岩。 ” 从以上定义可以看出，软岩的工程定义一般有三个层次的含义对象，仅仅围绕工 程活动的局部，即围岩；现象，围岩变形量大、破坏程度高；要求，控制围岩的稳定性， 但这种要求用传统的方法难以实现，即难支护。 综上所述，所谓软岩应包括三方面的概念一是岩体的结构和所处的环境，表现为 软弱、破碎、松散、高地应力等；二是岩体的物理、化学和力学特性，表现为低强度、 流变、风化、膨胀等；三是围岩的工程特征，表现为长期流变、变形量大、来压迅速等， 即所谓的“难支护” 。 1.3.3 地质软岩与工程软岩的关系 工程软岩和地质软岩的关系是当工程荷载相对于地质软岩的强度足够小时，围岩 没有产生大的破坏区， 地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特性， 即不作为工程软岩。 只有在工程力作用下围岩产生大破坏区， 发生了显著变形的地质软岩， 才作为工程软岩。 在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩（如泥质胶结砂岩等）也呈现了显著变形特征， 则应视其为工程软岩。 1.4 国内外研究现状 研究现状主要有软岩支护国内外研究现状、底鼓理论国内外研究现状和底鼓控制国 内外研究现状三部分。 1.4.1 软岩支护理论国内外研究现状 古压力理论[46]早在 19 世纪，人们在解决地下巷道中的问题时候就经常用试验方 法来探索，20 世纪初以海姆A.Haim、朗金W. J.M.Rankine和金尼克А.Н.Иник 为代表的古压力理论发展起来，该理论认为作用在支护结构上的压力是其上覆盖岩层 的质量， 其不同之处在于三人采用的侧压力系数计算方式不一样。 随着开挖深度的增加， 人们发现古压力理论在许多方面都有不符合实际之处。从 20 世纪 30 年代开始，人们又 将弹性力学和塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中， 解决了许多地下工程中的问题， 其中 R Fenner 和 H Schmidt 等人的在巷道围岩弹塑性应力分布和围岩与支架的相互作 用理论是最为典型的代表之一[7]。 坍落拱理论[8]随着古压力理论缺点的出现，坍落拱理论应运而生，其代表有太沙 基L. Terzaghi和普氏М.М.Протодьяконов理论，坍落拱理论认为坍落拱的高度与地 下工程跨度和围岩性质有关。太沙基认为坍落拱形状为矩形，而普氏则认为坍落拱形状 1 绪论 5 呈抛物线形。坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。 新奥法[910]到了六十年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹 塑性断裂破坏理论，特别是奥地利工程师拉布希维兹在总结前人的经验基础之上，提出