矿井深部开采矿压与支护技术研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 矿井深部开采矿压与支护技术研究 姓名郭守泉 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张宏伟 20050101 摘 要 随着我国煤矿开采规模的扩大 开采深度的逐渐增加深部开采已经成为煤 矿生产的必然过程对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重如何面 对深部开采的复杂地质条件 及时解决深部开采所涉及的技术性问题 从长远看 它将对安全经济合理地开发深部煤炭资源有特别重要的战略意义 本论文借鉴了国内外先进的研究方法 结合对现场的地应力测量 巷道矿压观测等数据 的处理应用岩体应力状态分析系统等方法以红阳三矿为例确定了红阳三矿深部开采区 域岩体应力分布状态 巷道的支护方式与破坏形式 围岩的活动规律 矿山压力显现规律等 确定了深部开采的支护方法和支护参数 得到锚杆或联合支护是适用这类巷道的理想的支护 方式通过设计合理的支护系统并在红阳三矿应用取得了理想的支护效果对中国其他深 部开采矿区提供了有益的借鉴 关键词深部开采 地应力测量 岩体应力状态分析 联合支护 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i n ee x p l o i t { no u rc o u n t r y ．i ti St r u et h a tt h e d e p t ho fm i n i n gm u s th a v eb e e ni n c r e a s e d ，a n di ta l S Oe f f e c t st h em i n i n gn o w a n dt h em i n eb u i l d i n gi nt h ef u t u r e ．H o wt of a c et ot h ec o m p l ic a t e dg e o l o g i c a l c o n d i t i O R Sa n dt o s o l v et h et e c h n o l o g i c a lp r o b l e m so fd e e pm i n i n g ．I tw i1 1b e v e r yi m p o r t a n tt os a f ea n de c o n o m i Ca n da p p r o p r i a t ef o rd e e pm i n i n gi nl o n g t e r m ． I nt h i Sp a p e r ，t h ea d v a n c e dr e s e a r c ht e c h n i q u e si no v e r s e aiSb o r r o w e d ， c o m b i n e dm e a s u r e m e n to fg r o u n ds t r e s si nj o bs i t ea n dt h ed a t ap r o c e s s i n ge l ‘ t u n n e lm i n ep r e s s u r e ，u s e dt h em e t h o do fr o c kS t r e s ss t a t e a n a l y t i c a l s y s t e m ．E x a m p l ef o rl t o n g y a n g ’f h i r dM i n e ．s u c ha st h eS t r e s sd is t r i b u t i o no fr o c k m a s so fd e e pm i n i n ga r e ai nH o n g y a n gT h i r db t i n e ，a n ds u p p o r t i n ga n dd a m a g ew a y o f t h et u n n e l S ，a n da c t i v i t y1 a wo f s u r r o u n d i n gr o c k ，a n dt h el a w o fg r o u n d p r e s s u r e ，a n dt h es u p p o r t i n gw a ya n ds u p p o r t i n gp a r a m e t e ri nd e e p m i n i n g ，a I l o ft h e ma r ed e t e r m i n e d ．T h a tb o l t i n go rc o m b i n e ds u p p o r tw a yi sg o o df o rt h i S k i n do ft u n n e l Si Sd e t e r m i n e d ．T h ea p p r o p r i a t es u p p o r ts y s t e miSd e s i g n e d ，i t i Sg o o df o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nH o n g y a n gT h i r dM i D e ，a n di ti sa l S O g o o df o ro t h e rd e e p m i n i n ga r e a si no u rc o u n t r y ． K e y w o r d s d e e pm i n i n g m e a s u r e m e n to fg r o u n ds t r e s s r o c ks t r e s ss t a t e a n a l y t i c a ls y s t e m c o m b i n e ds u p p o r t 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1 . 1 问题的提出及研究的意义 煤炭是目前我国国民经济赖以生存和发展的最主要能源2 0 0 3年中国煤炭产量 1 6 亿多吨创历史最高水平居世界第一位随着国民经济的快速发展我国经济进入重 工业化阶段处于工业化中期和新一轮经济周期的上升期据有关部门测算去年我国 电力行业耗煤增加 6 8 0 0万吨冶金行业耗煤增加 3 5 0 0万吨建材行业耗煤增加 3 0 0 0 万吨左右 2 0 0 5 年国民经济将继续保持适度的发展速度 主要耗煤行业的一些基建项目 也将陆续投产将增加对煤炭的需求2 0 0 5 年仅电力行业就有 5 0 0 0 万 k W 的机组投产 煤炭需求量达 6 . 5 亿吨同比增加 9 3 0 0 万吨 国际经济复苏煤炭市场活跃国际市场特别是亚洲地区对中国煤炭的依赖程度提 高中国的煤炭出口对国际煤炭市场的影响越来越大2 0 0 5年我国煤炭安排出口 8 0 0 0 万吨虽然近年来国家能源结构正处调整时期但是受资源条件限制我国以煤炭为 主的能源格局较长时期以内不会有大的变化 煤炭资源从浅部开始开采随着煤炭采出开采煤层的埋藏深度必然要增加开采 规模扩大和机械化水平提高加速了生产矿井向深部发展我国东部地区经济发达能源 需求量大矿井延深速度快一些国有重点煤矿主要矿区已开始转向或即将进入深部开 采 由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件技术装备水平和开采技术上的差异 以及在深部开采中出现问题的程度不同因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深 井的定量标准根据本国国情一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论 述 前苏联的一部分学者将采深超过 6 0 0 m 的矿井归于深井 而另一部分学者把采深 8 0 0 m 作为统计深井的标准原西德学者把采深 8 0 0 1 2 0 0 m定为深部开采把 1 2 0 0 m以下称 为超深开采英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为 7 5 0 m 日本定为 6 0 0 m 我国对深井的界定无明确规定中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿井划分 为 4 类各类的深度范围如表 1 - 1 在世界主要采煤国家中德国英国波兰俄罗斯日本等都有深部开采矿井 英国煤矿的平均采深为 7 0 0 m 最深的达 1 0 0 0 m 德国煤矿矿井的平均采深为 9 4 7 m 最深 的达 1 7 1 3 m 波兰煤矿的平均采深为 6 9 0 m 最深的达 1 3 0 0 m 俄罗斯已经有许多矿井采 深达到 1 2 0 0 1 4 0 0 m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 表 1 - 1 中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井分类 矿井类别 浅矿井 中深矿井 深矿井 特深矿井 采深 / m 4 0 0 4 0 0 8 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 2 0 0 我国国有重点煤矿生产矿井中采深大于 7 0 0 m 的有 5 0 处占总数的 8 . 3 5 采深 已超过 8 0 0 m 的矿井有2 5 处分布在开滦北京鸡西沈阳抚顺新汶徐州和长 广等开采历史较长的老矿区特别是东部矿区在采深超过 1 0 0 0 m 的矿井中有沈阳彩 屯矿 1 1 9 9 m 开滦赵各庄矿 1 1 6 0 m 新汶孙村矿 1 0 5 5 m 北票冠山矿 1 0 5 9 m 和北京 门头沟矿 1 0 0 8 m 开滦唐山矿马家沟矿和林西矿北票台吉矿新汶华丰矿长广 牛头山矿和阜新王家营矿等矿井的开采深度接近 1 0 0 0 m 预计 1 0 2 0 年后 开采深度大 于 7 0 0 m的矿井将不断增加由此可见深部矿井的开采技术既是当前一些矿井面临的 问题也是我国煤炭工业长远发展需要十分重视和研究解决的问题 同时要维持如此庞大的煤炭生产规模井下需要开掘和维护大量巷道据统计仅 国有重点煤矿 1 9 9 6 年新掘巷道 5 4 0 0 k m 需要维护在籍巷道多达 2 . 5 万3 . 0 万 k m 当 年国有重点煤矿产量只占全国煤炭总产量的 3 9 . 1地方煤矿和小煤窑装备技术水平相 对落后巷道掘进率更高仅按照国有重点煤矿生产掘进率计算全国煤矿每年新掘巷 道总长度在 1 . 4 万 k m 以上需要维护的在籍巷道总量不少于 5 . 0 万 k m 如此庞大的巷 道掘进与维护工程量每年需要花费巨额的巷道掘进和支护费用就我国支护材料目前消 耗的平均水平每产万吨煤支护方面需要消耗坑木约 5 0 m 3 钢材约 1 3 t 水泥约 8 0 t 全国按年产煤炭 1 0 亿 t 推算支护工程每年需要消耗木材 5 0 0 万m 3 钢材约 1 3 0 万 t 水泥约 8 0 0 万 t 不仅如此巷道围岩控制的好坏还直接影响井下的生产和安全全国 煤矿顶板事故中有 1 / 3 1 / 2就发生在巷道工程之中所以巷道围岩的支护与控制一 直是煤炭工业生产与建设中的重大问题 巷道围岩变形规律和巷道支护理论是巷道支护选择与设计的基础和关键之一主要 解答不同类型巷道支护 加固 的对象围岩稳定条件支护 加固 与围岩相互作用的机 制各种支护 加固 技术优化选择设计方法等根本性问题其正确以否和完善以否直接 关系到井巷工程的经济性可靠性和安全性长期以来巷道围岩变形规律和巷道支护 理论一直是巷道支护研究的一个重点但是由于巷道岩石经历了漫长地质变化结构 极为复杂有关巷道围岩变形规律和巷道支护理论研究也是一个难点一直发展比较缓 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 慢明显落后于巷道支护技术手段的发展以致于有人赞叹上天易入地难随着开采 深度的进一步增加地压越来越大巷道支护的难度将进一步增加因此面向 2 1世 纪的我国煤炭工业必须继续重视研究和发展新的巷道支护理论和技术 巷道开挖之后破坏了岩体原始的力学平衡围岩应力重新分布使巷道围岩处于 一种不稳定状态已有研究表明围岩应力重新分布是一个渐进的过程并且围岩的收 敛由浅入深收敛速度逐渐衰减如何有效地支护与加固巷道围岩保护巷道围岩的稳 定性一直是国内外岩土工程和采矿工程关注的重要课题井下巷道围岩的稳定性是一个 复杂问题从理论上讲井下巷道围岩稳定性的基本决定因素是围岩应力与围岩强度 围岩应力超过围岩强度时井巷将处于一种不稳定状态反之亦然但影响井巷稳定性 的因素很多例如巷道围岩的性质围岩结构和破坏情况井巷位置深度巷道轴 线方向地下水的作用巷道的断面尺寸掘进破岩方法暴露时间采动影响构造 应力影响以及支护类型等等近年来随着我国矿井开采深度逐年增加采深已由浅 部向深部发展巷道的围岩应力亦随矿井开采深度增加而增大出现了地压显现 巷道 围岩应力 十分强烈巷道变形急剧增大巷道底鼓及巷道两帮片帮严重并且在一些 岩巷时有岩石突出 岩暴 发生地温普遍增大等现象这些都严重地危害了巷道围岩的 稳定性和巷道维护并成为制约深部开采矿井安全生产的主要因素因此深部巷道围 岩的稳定性控制是目前深部开采矿井正面临需要解决的问题开展深部巷道围岩稳定性 控制的研究 主要是深部巷道围岩稳定性分析及巷道围岩变形规律的研究和巷道支护及 加固技术的研究正是由于深部矿井开采存在着上述的这些制约因素深部巷道围岩稳 定性分析和巷道支护技术不能简单地照搬现存的巷道围岩稳定性的分析方法和巷道支 护技术必须根据不同的情况和条件以及影响因素的主要矛盾和次要矛盾进行重点的 综合的分析因此开展对这一工作的研究是非常必要的它将达到对深部开采矿井巷 道围岩变形机理及其规律的认识 并为深部开采矿井巷道支护技术的改革和支护方式的 选择提供科学的依据 1 . 2 国内外对深部开采矿井矿压及其控制的研究现状 1 . 2 . 1 国内研究现状 我国相关部门对煤矿深部开采相当重视 2 0 0 1 年末在北京香山召开了以 深部高应 力下的资源开采与地下工程为主题的香山科学会议第 1 7 5 次学术讨论会许多知名学 者提出了对深部开采的观点谢和平教授指出首先表现在深部开采必然诱发出一系列 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 工程灾害巷道变形速度快巷道围岩变形范围大巷道持续变形流变成为深部巷 道变形的主要特征采场矿压显现剧烈采场失稳易发生破坏性的冲击地压金 属矿和煤矿相关的统计资料表明随着开采深度的增加岩爆的发生次数及强度会随之 上升巷道中岩爆危险性增加瓦斯高度聚积诱发严重的安全事故深部开采条 件下岩层温度将达到摄氏几十度的高温作业环境恶化矿山深部开采诱发突水的 几率增大突水事故趋于严重井筒破裂加剧煤自燃发火矿井火灾及瓦斯爆炸 加剧此外深部开采对地表环境也往往造成严重损害 中国矿业大学钱鸣高院士指出深部高应力来自两个方面原岩应力绝对升高 开采应力与原岩应力叠加更易集中称其为采动应力集中他指出理论是解开岩体 运动全过程的一种科学方法和途径必须深入研究采动岩体中的关键层运动对深部资 源开采的影响 同时在金属矿山深部开采方面古德生院士强调应当关注金属矿床深部开采中可 能面临的以下科学问题深井高应力矿岩的岩爆控制深井高应力矿岩的碎裂诱变 深井开采中的高温环境与控制深井采矿模式与采矿系统优化深井低品位矿床 无废开采技术古德生强调深井开采是一项涉及多学科的复杂工程也是关系到未来 1 0 3 0 年矿业能否可持续发展的社会工程 1 . 2 . 2 国际研究现状 原西德和前苏联在深井巷道矿压显现及其控制研究方面居国际领先地位前苏联在 深井巷道矿压理论方面研究较多原西德采用现场实测模型实验和数值模拟等方法 侧重于深井巷道矿压控制实用技术的研究 在深井开采的巷道矿压显现及其控制技术方面 前苏联采用 σ γH 或 σ γ fm H 为指标的两 种方法对巷道的稳定性和变形进行评价和预测 γ 为岩层的平均体积力 H 为埋深 σ 为 岩石的单向抗压强度f为地质构造持性系数m为强度系数 1 0 . 7 评价方法一和 评价方法二分别将巷道分为 3 类和 5 类 原西德学者认为 当岩石压力超过一定极限值后 巷道掘进时就会产生掘进移近量 开始产生掘进移近量的压力值表达式为P 3 . 4 6 σ 即 Hγ 3 . 4 6 σ 式中 σ 为 底板岩层强度从而推出在不受开采影响的岩体中巷道失稳的极限深度表达式H 1 3 8 σ 通过变换不同底板岩石强度可以得出底板岩性不同的巷道失稳的极限深度 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 影响巷道掘进过程中移近率 K 移近量与巷道原高度之比 的主要因素有岩石压力 巷道底板岩层强度σ其经验公式如 1 - 1 式 K - 4 6 1 3 . 3 σ γH 1 - 1 对于前进式开采采用不同巷旁支护形式沿空留巷的回采巷道其顶底板移近率如 1 - 2 式 343. 23 . 4066. 078 0 − LV GMSHK 1 - 2 0 K 巷道无上下分层开采影响超前掘进单侧采煤情况下的围岩移近率 M煤层厚度单位为 m V S 巷旁充填指数 刚性巷旁带为 1 木垛为 2 无巷旁充填为 3 L G 底板指数 砂岩为 l 砂质页岩为 2 泥质页岩为 3 根土岩为 4 煤为 5 层 厚小于 2 0 c m 的泥页岩根土岩和煤的互层为 6 另外原西德注重巷道合理布置回采巷道实行石膏巷旁支护沿空留巷一部分工 作面采用前进式开采前苏联原西德日本比利时英国和荷兰等国对巷道卸压技 术和注浆加固技术进行了大量的理论和实验研究也取得了一定效果在深井开采的采 场矿压显现及其控制方面原西德学者认为工作面中冒落高度与采深和支架的支撑力 有关工作面岩层的高压增加了冒落频度减少顶板难管理的途径是加大支架支撑力和 缩小端面距原西德发展了掩护式支架为缩短顶梁到煤壁的控顶距离采取了在支架 顶梁前增加滑动梁或可折合前探梁和护帮装置减少了冒落冒高及煤壁片帮问题由 德国发展起来的钻屑法钻孔卸压法在国际上享有盛誉并且不断完善了一整套防治措 施和预测预报方法在采深不断增加和开采范围不断扩大的情况下冲击地压次数和危 害程度仍大幅度减少 在深井开采的冲击地压及其防治方面煤矿冲击地压最严重而且防范工作最有效的 国家是前苏联波兰和原西德前苏联采用实验室相似模拟法光弹法层析成像技术 和地质动力区划分对冲击地压进行理论研究在仪器和仪表方面有较大进展 煤的冲击倾向实验室测定和井下测定是波兰学者首先倡导并大力发展的将岩体声 学以及地震法用于矿山冲击危险探测和监测方面居于世界领先地位 有代表性的还有新奥法 它是由奥地利学者L . V R a b e e w i e z 教授总结前人在隧道方面 大量实践经验后于1 9 6 4 年定名创立的它既不是单纯的施工方法也不是单纯的支护方 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 法而是充分利用和调动巷道围岩强度与自身承载能力按岩石力学围岩支护共同作 用原理制定的一套地下工程设计施工支护监测新概念在欧洲和世界很多国家 新奥法得以成功的应用 1 . 3 深井巷道支护理论研究现状 1 . 3 . 1 概 述 理论指概念原理的体系是系统化了的理性认识科学的理论是社会实践的基础 上产生并经过社会实践的检验和证明的理论是客观事物的本质规律性的正确反映 科学理论的重要意义在于它能指导人们的行动没有理论指导的实践是盲目的实践 巷道支护理论的核心是关于巷道支护与围岩相互作用本质与规律的系统化理性认 识它一直是岩石工程研究的一个重要的难点巷道工程与人们常见的地铁等浅层工程 比较有如下特点 1 巷道埋藏深地应力大一般的地铁等浅层地下工程埋深十余米大的通常不 超过 3 0 m而我国煤矿目前开采深度平均在 4 5 0 m 左右 大多数巷道在地表下数百米以下 地应力是浅层地下工程地应力的几十倍 2 巷道支护级别低支护投入少巷道工程大多是临时性工程受经济条件的限 制相对地不可能像地铁等永久性民用地下工程那样高强度投入巷道支护而巷道围岩 不可避免的要出现一定程度的破坏巷道维护级别低 3 巷道支护载荷不确定浅层地下工程通常是把上覆岩土层全都看成是载荷支 护也有条件担负起上覆岩土的全部重量巷道工程则不同按 4 5 0 m埋深上覆岩土重 量为 1 1 M P a 以上 在理想压力分布条件下常用的 U 型钢金属支架一般都小于 0 . 2 M P a 巷 道支架能够提供的支护强度经常不到原岩应力的 1 2 4 巷道允许的变形量大浅层地下工程通常围岩变形量只有数毫米到数十毫米 而巷道工程由于地应力大支护投入小又多是临时性工程允许的围岩变形量大 特别是软岩巷道变形量大的围岩移近量达到数百毫米甚至上千毫米巷道支护经常是 不可避免地要经历和控制围岩坡坏过程通常认为一般巷道围岩明显位移范围在巷道宽 度的 5 倍范围以内如果以该范围内岩石平均扩容量衡量围岩的破坏程度完整岩石达 到峰值强度时扩容量一般只有千分之几煤矿巷道宽度多在 3 m 左右按照直径为 3 m 的 圆形断面简化 可以粗约计算出巷道围岩移近量变化与影响范围内岩石平均扩容量间的 关系即使考虑 5 倍巷道宽度围岩的影响范围当围岩移近量达到 3 0 0 m m 左右时也就 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 是通常所说的中等稳定巷道移近量的下限平均扩容量就超过 0 . 5巷道围岩一定范 围的破坏是不可避免的 巷道工程的上述特点决定了巷道支护问题的复杂性所以引起了众多科技工作者对 巷道支护理论的不断研究和探索取得了许多重要成果但是有关巷道支护的理论仍然 大大落后于实际应用技术 1 . 3 . 2 深井巷道支护与围岩的相互作用原理 该理论主要内容可以概括为四点 1 巷道支护一般做不到开挖后立即支护即刻有效作用通常要等到围岩有一定 的变形后巷道支护才能有效发挥作用 2 巷道支护与围岩相互作用表现为巷道支架提供一定的支护阻力以控制围岩塑性 区的发展和围岩变形保持围岩稳定 3 巷道支护刚度越低或支护作用越滞后支架所承受的载荷即支护阻力越小 而巷道围岩的变形量则越大反之亦然对于软岩巷道由于围岩压力相对而言较大 巷道支护不能抵抗围岩压力而应该有适当的允许变形量或可缩量以实现以较小的支 护阻力适应较大的围岩变形达到维持巷道围岩的稳定 4 巷道支护刚度过分低或者滞后支护时间过长不利于巷道维护所以巷道支护 的最低阻力一般应该是以少或不出现松动破碎区为限 上述巷道支护与围岩相互作用原理代表了弹塑性力学解决巷道支护问题的普遍观 点但是关于巷道支护与围岩作用的认识该理论还是在前面归纳的四点范围以内 1 . 3 . 3 悬吊理论组合梁理论和组合拱理论 悬吊理论组合梁理论和组合拱理论在巷道锚杆支护设计中是最为经典的理论得 到了广泛的应用也为大家所广泛公认 悬吊理论的实质是关于把巷道周边可能松脱破坏的软弱岩石通过一端锚固在深部 坚硬岩石里的锚杆悬吊住的理论 目前已发展了可能发生拱式冒落的巷道应用悬吊理论 设计锚杆支护的计算方法 结合梁理论则是关于通过锚杆把数层薄岩层夹持成一体形成具有更高承载能力的 厚岩梁的理论目前已提出了详细的巷道锚杆支护组合梁设计方法与步骤把锚固区外 岩层与锚固区内岩层一起考虑提出数值计算优化梁设计准则 组合拱理论是在新奥法发展过程中提出的锚喷支护设计方法其实质是关于通过 锚杆形成围岩压缩带来控制可能出现的两帮楔形剪切滑移的理论 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 1 . 4 国内外深井巷道支护技术发展现状 1 . 4 . 1 概述 国内外煤矿巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向钢性金属支架可缩性金属支 架到锚杆支护的发展过程其中U型钢可缩性支架和锚杆被公认为是井下支护技术 上的两次重大突破今天已经形成了包括各种料石碹混凝土碹喷射混梁网桁架锚 杆锚索锚注高强度混凝土弧板支架等众多支护形式不过不管是受采动影响的 采准巷道还是不受或少受采动影响的开拓巷道最主要的支护技术还是 U 型钢可缩性 支架与锚杆支护 包括与塑料网金属网喷射混凝土W 钢带钢筋梯子梁或桁架的联 合形式 特别值得一提的是近年国内锚杆支护在采准巷道中的应用正以比较快的速度 不断发展为了更有效地发挥支护的效果在选择井巷各项参数时就应科学地分析和预 测各种因素这些因素的选择应服从于井巷围岩稳定和功能的原则影响巷道围岩稳定 性的因素很多但井巷一旦开挖就固化了许多因素如围岩强度以及井巷的走向断面 尺寸等但要控制围岩的稳定性就必须在支护上认真研究包括支护材料支护方法 支护类型等 1 . 4 . 2 U型钢可缩性支架支护技术 U 型钢可缩性支架于 1 9 3 2 年最早从德国发展起来的 当时采用的型钢为异型钢 以 后在型钢截面形状与尺寸方面几经改进和优化从异型钢发展到同型钢从腰定位发展 到耳定位再发展到腰耳定位实现了支架节间上下型钢搭接相互吻合滑移时阻力稳 定有效避免了型钢搭接处拉断破坏同时支架连接件也不断改进到 7 0年代形成 了以新 T H - 5 8 型型钢系列为代表比较完善的 U 型钢支架系列德国也成为煤矿巷道以 U 型钢可缩性支架支护为主的最早的国家之一经常使用的 U 型钢有 1 3 1 6 2 1 2 5 2 9 3 6 4 4 k g m等七种规格U支架支护技术在英国波兰前苏联等也得到了发展和广 泛的推广应用一度成为这些国家最主要的支护形式 我国 六五期间及其以后 可缩性金属支架取得很大发展逐渐形成了 1 8 2 5 新 2 5 2 9 3 6 k g m 等定型 U 型钢系列 U 型钢一般 1 6 M n2 0 M n K 材料 屈服极度限 3 5 0 M P a 左右抗拉强度极限 5 2 0 M P a 左右延伸率 1 8 2 01 9 8 7 年制定了我国第一部包括梯 形半圆拱形三心拱直腿三心拱曲腿马蹄形圆形长环形方环形等 9 种支架 系列相应的也成功研制了钢筋网背板和 U 型钢调质处理等配套技术 关于 U 型钢支架配套的壁后充填技术中国矿业大学辽宁工程技术学院淮南 鹤壁兖州和平庄矿务局等单位先后进行了一定的探索与试验进行过矸石毛石水 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 泥砂浆炉渣粉煤灰袋装材料和高水灰渣材料等多种材料的巷道支架壁后充填试验 支架壁后充填作用效果十分明显例如淮南谢桥矿 U 型钢支架采取高质型钢高制 卡缆壁后充填使支架对围岩的支护强度由原有 U 型钢支架的不到 O0 5 O0 8 M P a 提高到了 0 . 4 M P a 提高幅度达到 4 6 倍巷道围岩变形速度降低 9 5巷道维护面貌 得到根本性改善但是在国内支架壁后机械充填技术还没有得到广泛的推广应用关 键问题是成套的装备与工艺技术还不过关 主要工序没有实现机械化作业 劳动强度大 充填速度慢充填材料力学性能不佳充填效果不够理想 1 . 4 . 3 锚杆支护技术发展现状 锚杆支护技术作为巷道和其它地下工程支护技术的一种主要形式早在上世纪 4 0 年代美国前苏联就在开始使用锚杆支护锚杆支护是井巷支护比较经济合理的有效 手段在煤矿金属矿山水利隧道以及其它地下工程中迅速得到发展目前据估 计国内外各种各样的锚杆已有数百种之多 较长时期以来美国澳大利亚等国家由于煤层埋藏条件好加之锚杆支护技术不 断发展和日益成熟 锚杆支护使用十分普遍 在煤矿巷道的支护比重几乎达到了 1 0 0 在上世纪 7 0 8 0 年代世界主要产煤国家巷道支护的三种类型一是联邦德国英国 日本波兰等国以金属支架为主其中大部分是可缩性金属支架二是美国澳大利亚 以锚杆支护为主三是以前苏联为代表的多种支护并存采区内则以可缩性金属支架为 主 随着开采深度的不断增加巷道支护越来越困难原来主要使用金属支架的产煤国 家在上世纪 8 0 年代后越来越重视锚杆技术的发展与应用 英国 1 9 8 7 年全面引进澳大利 亚成套锚杆支护技术 煤巷锚杆支护得当迅猛发展 1 9 9 4 年已经完全改变过去以金属支 架支护为主的局面锚杆支护达到了 8 0德国在上世纪 8 0 年代以后为了解决开采 深度日益增加矿井机械化开采程度提高而引起巷道断面的不断扩大使得巷道围岩变 形量增加维护日益困难等问题通过改变 U 型钢支架间距使支护费用增高并难以使 巷道维护困难有改观也开始在采准巷道推行锚杆支护技术在鲁尔矿区现已应用到千 米的深井巷道中法国煤巷锚杆支护技术也发展很快锚杆支护比重已经超过 5 0俄 罗斯第一大矿区库兹巴斯矿区巷道支护锚杆所占比重已达 5 0 以上 国外锚杆支护应用十分广泛但仍然局限于围岩较稳定的巷道并且比较重视围岩 分类的研究以此作为巷道支护选择的依据目前也在开展采深大岩体质量差等地质 条件下的锚杆支护问题的研究国外锚杆支护的发展方向为提高锚杆的锚固力并使 辽宁工程技术大学硕士学位论文 10 其得到充分发挥扩大锚杆支护应用范围提高锚杆支护效果 我国锚杆支扩始于 5 0 年代在铁路隧道矿山水利人防各部门都获得应用 煤矿于 1 9 5 6 年开始使用锚杆支护巷道经过 4 0 年的探索取得了很大进展 在锚杆支护技术上取得了以下成绩类巷道单体锚杆支护技术已经成熟 并获得了广泛应用类巷道锚梁网支护研究获得一定成功类巷道锚梁网 架网支护也积累了一定的经验引进消化了国外的锚杆支护技术如管缝锚杆桁架 锚杆等开发研制了廉价的快硬水泥锚杆引进消化高强锚杆技术提高了锚 杆支护机械化水平研制成功锚杆支护技术 我国锚杆支护主要存在以下问题锚杆支护应用范围还不广泛在煤层巷道中锚 杆支护只占 1 5 . 8不但类巷道难以应用同时类巷道也亟待推广这主 要是煤层巷道的围岩变形量普遍较大而锚杆的围岩强度和允许的围岩变形量甚小这 是锚杆支护在煤层动压巷道中难以推广的主要原因主要使用锚固力低可靠性差的 端锚锚杆及全锚锚杆树脂全长锚固锚杆使用比例很小锚杆密度大 间距一般为 0 . 6 0 . 8 m 安装速度慢跟不上掘进速度 综上所述国内外锚固理论研究的成果已经较好地解释各种岩体条件下锚杆对围岩 的稳定功能所提出锚杆支护形式及工程实践经验具有重要的现实意义使人们加强了 锚杆支护对围岩的稳定功能的认识和理解并为锚杆支护设计提供了理论依据但要更 有效地应用于不同类型的巷道围岩的支护实践尚需继续深入研究 1 . 5 论文研究的主要内容 针对深部开采巷道围岩支护的具体问题和已有的工作基础本文将结合红阳三矿深 部巷道围岩变形机理及支护方式研究项目重点开展如下几方面的研究工作 1 分析国内外巷道支护理论及支护技术的发展现状 2 分析巷道围岩变形的基本特征及基本规律 3 矿井深部岩体地应力测试及地应力变化规律研究 4 矿压观测及围岩移动规律 5 支护技术研究及支护参数的确定 辽宁工程技术大学硕士学位论文 11 2 煤矿深部开采研究 2 . 1 深矿井开采存在的问题 2 . 1 . 1 矿压显现加剧巷道维护困难 随着矿井开采向深部发展矿井逐渐出现矿压显现强烈巷道维护困难地温升 高和勘探困难开采条件恶化生产技术效果和经济效益下降等问题一方面巷道断 面必需加大据统计近 1 0年间采深平均增加 1 0 0岩石巷道断面平均增加 8 . 1 煤半煤岩巷平均增加 3 2 另一方面地压增大在深部高应力作用下围岩移动更 为剧烈巷道产生变形破坏更为严重在超过 7 0 0 的深井中巷道矿压问题普遍严重 底臌成为常见的地压现象 特别在采准巷道中尤其严重 失修和严重失修巷道比例增加 井深 1 0 0 0 时巷道失修率约是同条件下 5 0 0 6 0 0 埋深巷道失修率的 3 1 5倍部分 矿井巷道失修和严重失修率达 2 0 以上且常常出现前掘后修重复反修的现象深井 巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的最薄弱环节 2 . 1 . 2 煤岩破坏过程强化冲击地压危险性增加 我国发生冲击地压的深度在 2 0 0 1 0 0 0由于开采深度的增加 煤岩体应力升高 有冲击地压危险的煤层数量增加有冲击地压的矿井逐渐增多发生冲击地压矿井 2 0 世纪 5 0 年代为个6 0 年代为 2 2 个目前已增加到 3 3 个冲击地压发生的次数强 度和危害程度随深度的增加日趋严重 2 . 1 . 3 瓦斯压力增高煤与瓦斯突出危险严重 我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一截止 1 9 8 6年已发生突出的矿井 2 0 0多个突出次数约为 1 2 0 0 0次约占世界发生总突出次数的 1 / 3 从国内外开采实 践上看矿井深部开采时瓦斯涌出量一般比较大煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采 中不容忽视的重要问题我国煤矿煤与瓦斯突出均有随采深增加而瓦斯压力增高瓦斯 涌出量增大的趋势 2 . 1 . 4 深热矿井增加气候条件恶化 随着矿井向深部开采许多国家都遇到了不同程度的热害问题德国俄罗斯掘进 工作面温高达 5 0部分高达 6 0矿井气温过高严重影响人体健康引发各种疾 病造成事故率上升劳动生产率下降甚至被迫停产 我国深井热害问题相当严重而我国热害的治理工作由于缺乏技术资金等问题 大部分矿井热害治理仅靠通风降温洒水降温部分矿井采用机械制冷降温方法总的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 12 现状是技术落后效果较差应引起有关方面的高度重视 2 . 1 . 5 矿井生产费用升高经济效益下降 随着采深的增加勘探强度加大地压增大地温升高冲击地压及煤与瓦斯突出 危险增大相应的要采取一系列措施如增加设备加强支护等同时井下需要维修 的巷道长度增加到工作地点的距离和时间增加提升高度大时间长主副井提升系 统排水系统环节增多通风系统趋于复杂这些都导致煤炭生产成本增加吨煤成本 生产费用提高经济效益迅速下降 2 . 2 深部开采的矿压显现规律 2 . 2 . 1 基本特点 深部煤层开采复杂化的主要影响因素是矿山压力在高应力作用下围岩移动更为 剧烈巷道产生变形和破坏也更为严重即使开掘在底板岩石中的巷道用拱形金属支 架和各种结构封闭式支护的巷道有时也出现巨大变形巷道掘好后不久将失稳围岩收 缩变形较大巷道稳定性随深度增加而逐渐恶化使深部巷道的维护更为困难维护费 用剧增因此研究深部开采巷道矿压显现及支护技术有十分重要的意义 深部开采的巷道矿压显现特征如下 1 巷道围岩变形速度快变形量大巷道周边变形范围大 2 岩性对深井巷道围岩变形有明显的影响. 到了深部后由于岩性的差异引起的 巷道围岩变形的差异强烈地表现出来采深对软岩巷道煤层巷道尤其是三软煤 层巷道影响强烈 3 巷道从使用期间维护困难己发层到掘进期间就维护因难掘出后就不得不废弃 的巷道增多采煤工作面的回风干巷上下山甚至大巷都有废弃的记录 4 巷道持续变形流变已成为深井巷道变形的主要特征随着时间延续深部煤 柱下方的多数巷道围岩变形不止没有降低的趋势流变速率与边界条件和岩性有关 5 采煤工作面开采加剧巷道围岩变形量大采深愈大开采影响范围愈大影 响程度愈强烈 6 多数留设的巷道保护煤柱达不到保护巷道的目的反而对巷道维护不利 7 巷道对支架