高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究.pdf

贵州大学 硕士学位论文 高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 姓名杨蕾 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师戴俊 20080601 贵州大学硕士学位论文高地戍力条件下煤矿井巷支护方法研究摘要 高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 摘要 本文通过工程经验类比、理论分析计算、数值模拟及现场试验监测，较深入 地研究了有高地应力情况的洞室围岩稳定性分析，提出适应于高地应力的卸压方 案，对锚杆联合支护方式进行了支护优化设计，对洞室断面形状进行数值模拟， 与检测数据对比分析得出，卸压支护配合曲墙平顶断面巷道是适于高地应力情况 下的煤矿巷道支护形式。 针对亭南煤矿巷道存在高地应力问题，通过理论分析计算，提出整体的卸压 方案，支护设计及巷道断面形状，分别采用数值模拟软件A N S Y S 和3 DF L A C 软件对新的支护方案和原有支护方案进行数值模拟。本着实事求是的科学研究态 度，对模拟结果进行分析比对。两套数值模型分析结果均表示，本文所提出的大 直径钻孔卸压方案配合曲墙直顶断面及联合差异锚杆支护，能很好的解决该矿多 年来巷道支护效果不理想、支护成本居高不下的问题。 此外，本文调查收集了亭南煤矿复杂地质段巷道从前期支护设计、支护施工、 巷道位移数据观测分析、成巷直至整体经济效益分析的全过程。对高地应力情况 下的巷道支护方法的适用性和优越性进行了论证。用一整套完备的监测数据和理 论分析论证了曲墙直顶差异锚杆联合支护是一种积极主动的支护方式。从而与煤 矿支护中传统的木支架、钢支架等被动支护形式相比，本文提出的支护方式更能 发挥围岩自承能力，是一种经济上合理，技术上可行的理想支护方法。 关键词高地应力巷道锚杆联合支护洞形优化数值模拟 贵州大学硕士学位论文 高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 摘要 R e s e a r c hO nS u p p o r t i n gM e t h o do fC o a lM i n e R o a d w a yi nH i 曲l y s t r e s s e dR o c k s A b s t r a c t B yu s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，l o c a l et e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de n g i n e e r i n g e x p e r i e n c ea n a l o g y , t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h es u p p o r t i n gm e t h o do fc o a l m i n er o a d w a yi nh i g h l y - s t r e s s e dr o c k s ，t h et h e o r yo fb o l ta c t i o n ，t h ed i s c u s s i o no ft h e a p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n tk i n d so fb o l ta n dd i f f e r e n tk i n d so fc h a m b e rs h a p e s i nr o a d w a yu n d e rs o m ep a r t i c u l a rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ．D a t ao ft h el o c a l et e s t i n d i c a t e st h a tt h i sp r o j e c ti sf e a s i b l ea n dr e a s o n a b l e ． I nt h ef a c eo ft h eh i g hs t r e s sf a c t u a le n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o no f T I N G N A NC o a lM i n e ，o nt h eb a s i so fr e s u l tg o t t e nb ya n a l y z i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a s b r o u g h tf o r w a r ds o m en o v e ls u p p o r t i n gm e t h o d ss u c ha sd r u mc h a m b e r , t h r e ec e n t e r s a r c hc h a m b e r , b o l ta n ds h o t c r e t es u p p o r t i n gt e c h n o l o g y , a n dS Oo n ．A n dt h e s em e t h o d s a r eu s e di nr o a d w a yw h i c ha r eh a r dt Ob es u p p o r t e d ．T h e s em e t h o d sC a ns o l v et h e p r o b l e m so fi n v a l i d e da n dc o s t l yc a u s e db yt h eo r i g i n a lm e t h o d s ，w h i c hh a v e i n f l u e n c e dt h ec o a lm i n ef o ral o n gt i m e ．T h en u m e r i c a lm o d e l sh a v et h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts h a p e so fr o a d w a yc h a m b e r sa n dd e m o n s t r a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h e s en e ws e c t i o n s ． T h ed i s s e r t a t i o n t r a c k st h ew h o l ep r o c e s si ns u p p o r t i n gd e s i g n ，s u p p o r t i n g c o n s t r u c t i o n ，o b s e r v a t i o na n da n a l y s i so fr o a d w a yd i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n da n a l y s i so f e c o n o m i cb e n e f i t ．T h ea u t h o rh a v eu s e dp l e n t i f u ld a t aa n dt h e o r i e st od e m o n s t r a t et h a t b o l ta n ds h o t c r e t es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fa c t i v es u p p o r t i n gf o r mc o m p a r e d t ot h o s em e t h o d ss u c ha st i m b e rb r a c k e t ，s t e e lb r a c k e t ，a n dt h i sm e t h o dC a l le n h a n t e t h eb e a r i n ga b i l i t yo fl o a do ft h er o c ka n dh a sp e r f e c tp h y s i c sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ． K e y w o r d s H i g hr e s i d u a ls t r e s s ，R o a d w a y ，B o l ts u p p o r t ，C h a m b e ro p t i m i z e ， N u m e r i c a ls i m u l a t i o n 附录B 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名堋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学．- j - 以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名堕钠签名鼬期丝生厶 责“ 学日} ‘≠Ⅱ论文南地 力条件T 煤矿外 ￡p i 镕研究 1 1 引言 1 绪论 我凼的煤炭资源丰富．煤炭产量居世界首位。煤炭足我国主要的化工原料和 工业能源，占我圈一次能源牛产和消费的7 0 ％左右4 ，比例关系如图ll 。据有关 部『J 预测，在末束2 0 一5 0 年内，我国一次能源生产和消费以煤为主的格局不会改 变“。由于我国煤炭赋存条件复杂，绝大多数煤矿采用井工开采。巷道作为井下 生产的脉络，每年巷道掘进和维护达千万米，保持其畅通和支护完好对改善井下 的劳动条件和作业环境以及防止巷道事故，保证矿井正常生产和安全作业具有重 要意义。；“。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，主要解决不同类型巷道支护 加固 的对象、围岩稳定条件、支护 加固 与田岩相互作j { j 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， 其正确与否和完善程度直接关系到井巷工程的经济性、可靠性和安全性。随着开 采深度的加深，加之地质构造复杂，井工丌采出现了一系列的问题。“三高”对巷 道的破坏情况越来越突出，巷道支护的难度加大⋯。因此，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。 图I1 拄国一次能源比例关系图 长期以来，高地应力巷道支护一直是巷道支护研究的一个重点和难点。建设 部颁发的“工程岩体分级标准” G B 5 0 2 1 8 9 4 中规定了岩石单轴抗压强度与最大 主应力比值小于7 为高地应力”3 ，而工程实践中大多将初始地应力大于2 0 M P a 的 地层认为是高地应力区。与一般的地应力作用相比，高地应力作用下岩体力学行 为表现出固有的特殊性，其变形破坏的现象和机理是极其不同的能量的突然释放 造成围岩瞬问破损”。岩体破损时瞬叫变形大，往往还具有一定的动能洞室开挖 引起原柬处于高压缩状忐的岩体节理或裂隙张丌，扩展甚至贯通，导致破损区 E D Z 内的力学性质旋生了明显改变，如弹性模量和粘聚力的减低”“⋯。此外，高围压的 长期作用还使得岩体脆性转为延性，发生火变形，会造成施工期围岩成洞困难、 运行期围岩变形过大以及衬砌结构破坏等突出问题。而对这种高地应力下特殊的 岩体力学问题，人们在进行理论研究和数值模拟时，采用何种力学本构模型刻画 岩体行为，如何建立描述高地应力条件下围岩破损与洞室稳定性的合理评价指标 成为了颇具挑艘性的课题”’。由于高地应力巷道支护技术手段的发展较为缓慢， 以致于有人感叹“入地难，难于上青天”。随着时代的发展、科学的进步．巷道 支护理论研究进入了一个崭新的阶段，高地应力巷道支护理论取得了长足的发展， 支护形式也随之发尘了重大的改变。支护形式由被动消极支护转为主动积极支护， 支护方式已由传统的棚式支护向锚杆联合支护转化“⋯。然而，地下巷道围岩工程 控制效果如何，不但受工程地质、围岩状态等条件制约，而且还取决于支护方式 贵州大学硕十学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 的选择。因此，对存在高地应力的巷道，如何选择合理的卸压支护对策，以及后 续的如何针对具体的围岩应力状态应用好锚杆这种经济主动高效的支护方式进行 认真研究，无疑具有重大的理论意义和实用价值。 1 ．2 国内外卸压原理应用现状 随着我国煤矿开采深度的不断增加，或构造应力的影响，围岩应力越来越大， 围岩变形失稳的现象也越来越普遍，有时常规支护难以有效控制围岩的过大变形 u u 。同时，随着放顶煤一次采全厚技术的大量推行，深井厚煤层沿底掘进巷道的 数量越来越多，对于这类深井高应力厚煤层沿底掘进巷道，其掘进与维护普遍存 在难度大、安全性差、成本高等问题，普通的锚网支护难以取得较好的支护效益， 因此，采取更合理的支护方式有其必要性和紧迫性。国内外经验表明，卸压技术 是一种理想的选择，特别是在高地应力巷道支护中可以达到较好的支护效益n 刳。 卸压技术可以改善巷道围岩的恶劣应力环境，使高地应力围岩转变为低地应力围 岩，从而达到减小围岩变形目的的一种支护技术。在我国应用较多的卸压方法主 要有煤层高压注水法、大直径钻孔卸压法、松动爆破法、开掘卸压巷道或硐室法、 跨采法等⋯3 。 钻孔卸压法在前苏联、日本等国研究和应用较多，国外经验表明，它具有卸 压工作量小，施工方便，施工速度较快，不影响施工工期等优点；但是我国在这 方面的研究和应用较少，其中～个主要原因在于对钻孔卸压的机理与效果尚缺少 必要的研究u 钔。钻孔卸压能把钻孔深入到高压带，卸压效果好，而且压力愈高， 卸压效果越好。该方法适用于各种煤层及恶劣的开采条件，此外钻孔排出的煤粉 量还可作为评价危险程度和卸压效果的指标u 副。在应用综放开采的条件下，防治 冲击需要在巷帮形成宽度较大的保护带，钻孔卸压措施可深入煤体l O m 以上，满 足卸压需求。研究表明，该法还可以取得良好的护巷效果，例如对沿上区段留下 的运输顺槽采用钻孔卸压后，可使由于工作面采动影响造成的顶底板移近量由 5 7 0 r a m 降低到3 4 0 r a m 约减少4 0 ．4 ％ ，而岩石底鼓量由5 3 0 r a m 降到了3 1 0 r a m 约减少 4 1 ．5 ％ 。大直径钻孔卸压效果显著，使用机具也较方便，为了解决煤层钻孔卸压 的问题，现国内曾使用岩石电钻卸压钻机，或使用地质钻机，也可以考虑使用防 突钻机n 引。 松动爆破是在掘进工作面前方一定卸压煤体 不小于5 m 防护下，在前方引爆 几个深孔眼形成煤体松动，其中的控制孔 不装药 在爆破过程中起到控制爆破方 向与补偿爆破裂缝空间作用，使巷道和峒室周边附近的围岩与深部岩体脱离，原 来处于高应力状态的岩层卸载，能够释放积聚在巷道及其周围煤岩体中的弹性变 形能，减小表面巷道围岩变形量，将应力转移到围岩深部，形成卸压槽。爆破卸 压不仅能够释放煤岩体中所积聚的弹性变形能，而且卸压爆破产生的松动圈本身 存在受压致密过程，在一定时间内，可以使周围煤岩体受压变形量直接被爆破产 生的松动圈所吸收，从而减少表面巷道围岩变形量n 卜2 0 】。 1 ．3 国内外锚杆支护技术应用与研究 国内外矿山巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向刚性金属支架、可缩性 金属支架，到锚杆支护的发展过程。其中，U 型可缩性支架和锚杆被公认为是井 2 贵州大学硕士学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 下支护技术上的两次重大突破瞳。今天己经形成了包括各种料石砌、混凝土碹、 喷射混凝土梁网、布架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等多种支护形 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， 最主要的支护还是U 型钢可缩性支架与喷锚网支护 包括塑料网、金属网、喷射混 凝土、w 钢带、钢筋梯子梁或桁架等的联合支护形式 ，特别值得一提的是近年来 国内锚杆支护的应用正以比较快的速度不断发展心2 - 2 4 1 。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 应服从于巷道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认真研究支护，包括支护材料、支护方法、支护类型等。 近年来，煤矿锚杆支护技术有了长足的发展．应用范围不断扩大，锚杆支护具 有安全、快速、成本低的特点瞳朝。但对于硬岩、膨胀围岩、复合型软岩、受动压 影响的破碎围岩，则要加大支护长度和提高锚固效果脚1 。采用预应力锚索支护是 一条行之有效的途径。预应力锚索支护技术主要是将一定长度的低松弛高强度的 钢绞线，配专用锚索机，通过树脂锚固，再通过液压千斤顶对其尾部施加预应力， 对巷道顶板进行支护比7 1 。锚索除具有普通针杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱 作用、楔固作用外，还具有对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用啪1 。并且沿 巷道纵轴线形成连续强支撑点以大预紧力减缓顶板扩容。对于围岩松动圈大、层 节理发育、顶板破碎及伪顶较厚等复杂顶板条件下的巷道支护，锚索支护显示出 其他支护无可比拟的优越性。锚索在巷道顶板深部岩层锚固后。通过张拉施加预 应力使锚索集中应力以4 5 。压力分布在支护体上，应力以点荷载形成而荷载均匀 分布，使被支护体受到更为均匀的挤压。锚索预紧力作用部分补偿了巷道开挖造 成的应力损失，使围岩由原来的单向和双向受力转向三向受力，提高了围岩的抗 变形能力，有效控制了围岩变形。预应力锚索作为一种传递主体结构的支护应力 至深部稳定岩层的主动支护方式，它可以传递较大的拉应力啪驯。这是其他支护 措施无法比拟的最大优点。 在有高地应力的煤矿巷道中，采用锚网索联合支护配合大直径钻孔卸压、松 动爆破卸压方案时，由于锚网索支护具有和围岩良好的共同作用承载性能，并且 具有较大的承受变形能力，从而可以和卸压孔相互耦合，既可以释放围岩的应变 能，又可以保持巷道围岩不发生失稳破坏。通过现场工业试验或者计算机数值模 拟，可以较好的说明这种组合效应。 1 ．4 对高地应力巷道建立数值模型的现状分析 在如今众多的数值模拟软件中，对高地应力影响下的巷道进行模拟，主要采 用A N S Y S 软件、3 DF L A C 软件，其他较常用的模拟软件还有A D I N A 软件、R E P A 系 统分析程序等。 A N S Y S 软件系统是美国A N S Y S 公司7 0 年代开始推出的软件系统，目前已发展 到1 0 ．0 版本。A N S Y S 的功能非常强大，它融结构、热、流体、电磁、藕合分析等 于一体，其基本理论基础是变分原理。它能够模拟弹性模型、非线性模型及弹塑 性等多种材料模型，并具有对地应力、锚杆等的特别设定，可以有效地模拟存在 节理裂隙、锚杆等支护形式的问题口妇∞羽。 3 贵州大学硕士学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 近年来发展起来的快速拉格朗日分析 F a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i So f C o n t i n u a ，简称F I A C 是～种新型的数值分析方法，对解决大变形问题十分有效。 它首先由C u n d a l l 在8 0 年代提出并将其程序化、实用化。F L A C 基本原理与离散 元单元法类似，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则 区域的连续问题求解在求解过程中，F L A C 又采用了离散元的动态松驰法，不需 求解大型联立方程组 刚度矩阵 ，便于在微机上实现。在计算中可以模拟真实的 围岩特征，例如岩石的力学性质、节理层理等不连续面以及其它复杂的地质条件。 采用的岩石及节理破坏准则主要是M o h r C o u l o m b 准则和应变软化准则，并可以利 用设置的接口建立其他准则n ∞。该软件还可以模拟巷道开挖对围岩稳定性的影响， 同时很方便地计算分析锚杆、支架与围岩的相互作用关系。另一方面，F L A C 还能 针对不同材料特性，使用相应的本构方程来真实地反映了实际材料的动态行为。 F L A C 软件具有很强的后处理功能，可以绘制多种应力、应变曲线。 R E P A 系统是一个岩石渐进破裂直至宏观破坏过程的分析程序，其最大特点 是该系统采用的损伤概率统计模型可以考虑实际材料的非均匀特性从而可以模拟 煤岩等复杂构成特性材料的损伤破裂与应力场变化的全过程。其主要功能有应 力分析、变形分析、结构破坏分析等。应力分析采用有限元法进行，破坏分析是 根据修正后的M o h r - C o l o m b 包含拉伸截断 破坏准则来检查材料中是否有单元破 坏。 数值模型的现场工程试验段是亭南煤矿正在掘进的4 1 5 2 1 工作面两槽该地段 长期受高地应力影响，巷道掘进维护困难。 1 ．5 亭南煤矿试验段巷道概述 亭南煤矿位于甘肃省东部，陕甘宁三省区交汇处的华亭县境内。矿井位于安 新煤田北部，井田北部以可采边界为界，与安口煤矿及杨家沟煤矿毗邻南部以 2 6 号地质勘探线为界东部和西部露头为界。井田走向长度4 ．7 k m ，倾斜宽0 ．9 k m ， 面积约4 ．2 3 k m 2 。井田地质储量5 9 4 7 ．8 1 万t ，可采储量4 1 1 4 ．3 2 万t ，可采煤层 共4 层，主采C 。煤层，C 。煤层属特厚易燃煤层，倾角8 0 。- - 2 5 0 。，厚度平均9 ．6 7 m ， 煤层赋存比较稳定。煤种为低灰、低磷、特低硫、高活性、高发热量长焰煤一不 粘煤。矿井各煤层均属低瓦斯煤层，按低瓦斯煤矿管理，煤层易于发火自燃，自 燃发火期3 6 个月，煤尘具有爆炸性。 目前亭南煤矿二采区首采工作面两道位于路家一小灵台向斜轴处，矿压显现， 煤爆现象严重，支护困难，使用钢、木棚支护，支护成本高，每米巷道支护材料 1 3 0 3 ．3 8 元施工速度慢，月进4 0 - - 6 0 m 巷道支护效果不佳，破坏严重，尤其是巷 道帮部煤体压碎后受重力作用冒落，冒高2 4 m ，冒空及松散区通风不良，煤体 发热自燃，且巷道底板岩层为基岩裂隙水含水层，给安全生产带来很大地威胁。 为了解决高地应力问题对煤矿巷道地危害和破坏，本文就高应力情况下的井 巷支护技术进行理论分析和数值模拟，最后与现场监测数据对比分析，论证了适用 于高地应力情况下的卸压支护理论，尝试了新的洞形结构，取得了不错的支护效 果。 4 贵州人学硕l j 学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 1 ．6 本文研究的主要内容及研究方法 综合以上的分析，确定本文主要的研究内容为 1 有高地应力影响的亭南煤矿，通过经验类比和理论计算提出卸压方案和 锚杆联合支护方案，对巷道采用不同的洞形，通过数值模拟软件，以M o h r - C o u l o m 准则、D r a k e - P r a g e r 准则、V o nM is e s 准则和应变软化准则为依据，建立模拟岩 石及节理破坏的弹塑性模型体，较准确的模拟出不同支护方式下的洞室围岩变形 量及应力应变状态； 2 针对亭南煤矿巷道有高地应力影响的实际工程情况，结合现场监测数据， 与数值模拟数据进行对比分析，提出锚杆支护优化方案，指导矿山实际生产，提 高该矿的安全性和经济效益。 本文所采用的研究方法主要为 1 通过理论分析计算方法与数值模型相结合的方法，结合工程实际及监测数 据，对收集的监测数据进行分析归纳，对比不同的方案所取得的实际工程效果和 经济效益，运用工程类比、理论分析、数值计算、监测信息化相结合的方法，综 合分析评价方案的可行性； 2 应用有限元分析软件A N S Y S1 0 ．0 及离散元分析软件3 0F L A C 建立不同的 数值模型，对具体的锚杆支护方式及断面形状进行数值模拟，通过分析比对，论 证方案合理性。 5 贵州大学硕士学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 2 高地应力煤巷卸压支护原理分析 近年来的研究表明在高地应力条件下，硬质岩体的破坏模式主要表现为两方 面‘3 伸1 1 脆性破坏，且破坏的深度和范围主要与地应力的量级和岩体质量相关。 但传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩脆性破坏的范围和深度方面并不理想， 例如采用通常的弹塑性本构模型进行高应力条件下水电站地下厂房洞群的稳定性 分析，由于高地应力地区地应力量值较大，计算结果中往往发现洞群围岩出现贯 穿性的大面积屈服。这种现象不仅与电站长期安全运行的实际情况不符，还与洞 室与岩爆、岩石表面葱皮剥落等典型的脆性破坏现象不符，依据这一结论则耗用 大量资金进行支护处理 2 岩体沿结构面滑落。开挖卸荷作用下，原来处于高压缩状态下的岩体中 结构面或原生裂隙趋于松弛，摩擦阻力降低使得围岩在条件具备时产生沿结构面 突然滑落失稳。为此，从高地应力下围岩卸荷过程岩体本身一些力学指标变化的 细观角度入手，开展反映高地应力下岩石类工程介质变形破坏特点的本构模型研 究和支护对策就十分必要了。 由于该段特殊的工程地质条件，通过普通的锚杆支护无法满足巷道稳定的要 求，因此，需要寻求卸压支护方案，以适应大跨度高地压煤巷的支护要求。 2 ．1 卸压方案机理研究 2 ．1 ．1 大直径钻F L 盔P 压 由岩石力学原理可知，由于巷道的开掘，岩石原有的应力平衡被打破，围岩 中的应力重新分布，引起应力集中现象，当应力值接近或超过围岩的破坏强度时， 围岩将产生损伤，随着围岩损伤程度的发展，顶板和两帮的破坏加剧，围岩应力 向深部转移。为了控制围岩的过大变形或失稳破坏，必须对巷道围岩进行及时有 效的支护或处理，要取得较好的控制效果，应该对围岩提供适时的足够大的支护 力或者改变围岩应力场的高应力状态为低应力状态。对围岩提供足够大的支护力 以限制其过大变形需要较高的支护成本，并且，由于多数采区巷道使用期较短， 并不需要过多的支护投入，因此，对围岩进行卸压，能够降低支护成本并且能够 控制巷道围岩在使用期内保持稳定的联合支护方法具有很大的现实意义姗。 国内外应用了许多的防止煤岩体发生冲击地压的局部解危措施，在大部分与 冲击地压相关的文献中对局部解危措施都有论述。这些措施主要有松动爆破、钻 孔卸压、在煤体中开槽卸压等。对于冲击地压的解危措施，已经十分成熟，并且 各国之间相差不大。 钻孔卸压是利用钻孔方法消除或减缓冲击地压危险的解危措施。大直径钻孔 6 贵州大学硕士学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 可以起到破裂和软化煤体的作用啪】。当在煤体内进行卸压钻进时，在钻孔周围的 高应力作用下，其钻出的煤粉量较平常有很大的增加，因此每一个钻孔周围形成 一个比钻孔直径大得多的破碎区，当这些破碎区互相连通后，便能使岩体钻进剖 面全部破裂，支承压力均衡，向围岩深部转移，起到卸压作用。钻孔卸压的实质 是利用高应力条件下，煤层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的煤体，使煤层卸压、 释放能量，消除冲击危险。 考虑亭南矿在开采过程中形成的两帮部产生的应力集中，以及卸压解危措施 要尽量不影响综放面的生产及保证煤质等多方面原因，用大直径钻孔局部卸压是 最佳解危措施。 长期以来，大直径钻孔卸压在我国未得到充分应用的原因之一就是在国内没 有专用的钻机钻具，严重地制约了卸压解危措施在我国有冲击地压危险的矿井的 使用。有一些尝试性的应用虽然取得一定的效果，但仍未能解决钻机及钻具问题， 所以现在人们普遍对在有冲击地压危险的煤层采取钻孔卸压的解危措施缺乏认 识。 2 ．1 ．2 爆破卸压 爆破卸压是属于围岩弱化法的一种。它主要是通过对围岩的结构进行改造， 使设计部位小部分岩体的刚度 变形模量、弹性模量等 降低，钻孔及爆破影响范 围内岩体变为弱的传力介质，变形加大，能量释放，使整个围岩内的能量分布状 态得到调整，支撑压力峰值向深部转移，应力场得到改善，从而达到防治高地应 力破坏的目的口引。高地应力条件下，地应力的作用相当于增大了岩石的抗拉强度， 因而使得形成标准爆破漏斗的难度增加，故选用较高爆速的炸药，符合现有爆破 破岩原理。采用定向断裂爆破，在合理的爆破参数条件下，能够控制只在炮孔连 线方向上产生裂纹，从而降低爆破对围岩造成的过度损伤，有效保护岩石的自稳 性H 引。与普通光面爆破不同，定向断裂爆破实现孔间贯通裂纹形成的过程分为两 个阶段第一阶段，是在炮孔间连线方向上，通过炮孔切槽等特殊机械方法事先 形成预裂纹，或者通过切缝药包爆破或聚能药包爆破等特殊的装药结构使炮孔壁 受到较大的爆炸载荷，先行成预裂纹。第二阶段，使炮孔间连线方向的预裂纹在 较小的炮孔内爆炸载荷下优先起裂、扩展，实现炮孔间裂纹贯通H 。爆破卸压作 用使得围岩内部岩体裂隙张开，有利于应力集中向深处转移。 2 ．1 ．3 高压注水卸压 坚硬煤层注水，可在工作面回风巷平行工作面打眼注水。其钻眼距离根据煤 层渗透性决定。煤体湿润半径受煤的倾角、节理、层理和渗水性以及煤层地质构 造等因素影响，通过其他煤矿注水观察，在注水孔附近湿润半径为8 1 5 m ，在煤 体底部湿润半径为2 0 - - 3 0 m ，呈现沿煤层倾斜方向为上小下大的倒扇形状H 2 1 。 在如今的大多数数值模拟上，坚硬煤层注水以期达到卸压的效果是通过改变 煤层物理参数得出的，即洞室周边煤层注水后，煤层各项物理参数指标增乘一个 力学折减系数，折减系数视煤层及围岩物理力学性质而定。 7 贵州大学硕士学位论文 高地心力条件下煤矿井巷支护方法研究 2 ．1 ．4 卸压支护参数 根据亭南煤矿4 2 5 1 3 两槽试验段具体情况，卸压位置设计在巷道侧帮与基角 处，即巷道两侧各布置三排炮孔，在每一侧，最上面一排炮孔布置地拱基线，第 二排炮孔按一定排距布置在第一排的下方，这两排炮眼均垂直于岩壁，第三排布 置在巷道基角处，方位为与垂直方向成4 5 。角。 理论计算得出，爆炸卸压炸药安全埋置深度W 2 ．5 m ，根据该段巷道的围岩特 征，为确保巷道周边完好无损，设计炸药安全埋置深度为3 ．5m ，巷道底部基角 处炮眼深度安全埋置深度略深些，卸压爆破中单孔装药量0 ．6 6k g ，炮眼间距18 0 0 咖、上部两排炮眼的排距为1 0 0 0 咖，下部炮眼的排距为1 0 0 0 唧，梅花型布置， 底部炮眼倾角设计为4 5 。，实际施工只能达到3 8 。。采用孔内正向连续装药，采 用1 ’5 段毫秒延期电雷管，每次起爆1 0 个孔，每段装药两个孔，每侧一个孔，以 巷道中心线两侧对称，即单响起爆最大药量为1 ．3 3k g 。 通过巷道位移量测，压力量测等现场量测手段，结合计算分析，摸清地压规 律为卸压及支护设计提供依据。据上述地压规律进行卸压试验，亭南煤矿采用的 具体卸压方法为大直径钻孔卸压 松动爆破。 2 ．2 锚杆支护历史与现状 2 ．2 ．1 国外煤巷支护的现状 国外自4 0 年代井下使用锚杆支护以来，锚杆支护技术发展迅速，现己成为煤 巷的一种主要支护形式。美国、前苏联是锚杆使用最早的国家，美国、澳大利亚 锚杆发展最为迅速。早在4 0 年代初期，美国矿业局就提倡在矿井支护中采用顶板 锚杆支护软岩顶板，并于1 9 6 7 年在美国煤矿首次应用锚拉支架H 羽。目前，在美国 煤矿中几乎全部采用了锚杆作为其主要的或辅助的项板支护措施，而且，美国已 研究出经验类比法、客观实际法以及二者相结合的锚杆设计方法，也正因为如此， 自1 9 8 0 1 9 9 0 年间，美国煤矿井下发生的7 1 0 0 次顶板事故中，死亡人数仅2 9 8 人。澳大利亚锚杆在煤巷支护中的比重也已达到9 0 ％以上，处于世界领先地位H 引。 西欧中欧主要产煤国家以及日本等国，传统的煤巷支护方式是金属支架，8 0 年代 以来，这些国家锚杆支护技术也有很大发展，主要原因是随着矿井开采深度的 增加，巷道断面不断地扩大，巷道围岩变形量加大了，为了维护好巷道，原来所 用金属支架的型钢重量随之增加，棚距日益减少，造成巷道维护费用迅速增加， 掘进速度降低，施工、运输更加困难和复杂，而巷道仍然难以维护，于是各国纷 纷寻求成本低廉、运输施工简单方便、控制围岩变形效果较好的锚杆支护。最为 典型的是英国，8 0 年代初期，英国对美国、法国、德国的锚杆支护进行了大量调 查和研究，于1 9 8 7 年决定全面引进与英国条件相仿的澳大利亚的锚杆支护技术 H 引。在8 0 年代以前，英国矿井煤巷支护中，金属支架的比重高达9 0 ％以上，到1 9 9 4 年，锚杆支护的比重达到3 8 ％，8 0 年代以后，法国、德国、波兰、日本等国锚杆 支护技术有较大发展H 引。前苏联的矿井煤层条件复杂多变，在煤巷支护中一直使 8 贯州大学硕士学位论文高地应力条件下煤矿井巷支护方法研究 用金属支架、锚杆等多种支护形式，其中金属支架所占比例较大。为适应困难巷 道围岩的较大变形，德国、美国、前苏联还发展了多种类型的可伸长型锚杆。 2 ．2 ．2 国内煤巷支护的现状 我国1 9 5 6 年开始在煤矿岩巷中使用锚杆，至今己有近5 0 年的历史“7 1 。上世 纪6 0 年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩 变形量大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆用料、施 工机具、监测手段、施工工艺等还不够完善，因而发展较为缓慢。1 9 7 5 年煤炭工 业部召开了全国锚杆及锚喷支护会议，正式把锚杆支护确定为煤矿井巷支护的技 术的发展方向，并作为重大技术项目在全国煤矿推广m 1 。进入八十年代，锚杆支 护逐渐扩大到受采动影响的采准巷道，采区上、下山，回采工作面上、下顺槽， 瓦斯尾巷、工作面切眼等。支护方式由单体锚杆支护发展到适应不同地质条件下 的锚网锚梁锚网梁及锚喷网等多种形式的组合锚杆支护。1 9 9 5 年国有重点煤矿共 掘进巷道5 2 4 万米，锚杆支护巷道1 4 8 万米，占2 8 ．1 9 ％，其中岩巷锚喷支护占 5 7 ．2 ％，半煤岩巷占3 0 ．0 7 0 5 ，煤巷占1 5 ．5 ％。其中，平顶山矿务局为推广煤巷锚杆 支护技术建立了专门的机构，设置了专职人员制定规划、组织验收、验收评比， 同时组织技术攻关，开发了煤及半煤巷锚网支护专家系统，使全局煤巷锚杆支护 逐年上升。山西矿务局煤巷锚杆支护全部实现了小直径树脂锚杆化，研制成功“交 叉异形树脂锚杆“ ，使麻花结构锚杆的抗拉强度提高了1 5 ％一2 7 ．6 ％，结构阻力和 粘结强度提高了4 0 0 5 ，研制成功了多功能锚杆托板，既满足了垂平顶板锚杆，又 适应任意角度锚杆，使煤巷支护不仅在项板完整的煤层应用，而且推广到近距离 复合顶板的难采煤层，扩大了锚杆支护的使用范围。邢台矿务局在大采高、大断 面、窄煤柱综采巷道、综采切眼采用精架锚杆支护，“三软“ 煤层采用锚网支护， 复杂地质条件下沿空掘巷采用锚架网支护，进行了大量的实验，并开展煤巷地应 力研究与测试，为锚杆支护技术推广提供了宝贵的经验。 我国煤巷锚杆支护技术发展大体上经历的四个阶段 ①8 0 年代中后期的起步阶段 第一阶段，8 0 年代开始在煤巷中使用锚杆，以后锚杆开始在我国得到了广泛 的应用。在此期间主要是进行一些基础性的研究和试验，煤巷锚杆支护的应用主 要集中在少数几个矿区，如徐州、新汶、淮南、西山矿等。 ②1 9 9 1 1 9 9 5 年的攻关阶段 煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关，取得了一大 批科研成果，锚杆支护