裂隙带布置高抽巷实现巷道快速掘进.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶 工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 裂隙带布置高抽巷实现巷道快速掘进① 韩小光 平顶山天安煤业天力有限责任公司，河南平顶山4 6 7 0 0 0 摘要运用概率积分法求出工作面回采后上覆岩层某一点的六个应变分量毛、q 、巴、7 ⋯y 。、7 。，进而求取3 个主应变占。、占、岛； 3 个主应变代入D P 准则中，求出应力差；若应力差小于零，该点不破坏；若应力差等于零，该点处于临界状态；若应力差大于零，该 点破坏。据此判断上覆岩层裂隙的发育范围。并通过现场观测裂隙带发育范围与测试瓦斯含量，确定高瓦斯特厚煤层高抽巷的位 置，实现了高抽巷的快速掘进。在高抽巷内对圈定范围内预抽瓦斯，从而实现上下巷快速掘进。 关键词概率积分法；高抽巷；D r u c k e r P r a g e r 准则 中图分类号T D 8 2 2文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 5 3 2 0 4 高瓦斯特厚煤层巷道快速掘进一直是制约煤矿高 产、快产的瓶颈问题之一。以往在工程中常用的方法 有以下几种双巷掘进技术、递进式瓦斯抽采技术、巷 帮钻场“边抽边掘”、水力掏槽快速掘进、瓦斯抽放技 术等o 。双巷掘进技术增加了掘进成本，同时也不利 于巷道的快速掘进；递进式瓦斯抽采技术是在掘进多 条巷道布置的回采工作面时，在外侧巷道中向下一个 工作面打长钻孔，提前对下一个工作面的采掘区域进 行瓦斯抽采，从而降低下一个工作面区域内的瓦斯含 量瞳] ，该种方法增加了巷道在抽放瓦斯期间的巷道维 修成本，特别是在“三软”煤层中巷道维修成本增加了 1 0 ％；巷帮钻场“边抽边掘”大直径长钻孔是拦截巷道 周边煤体向掘进巷道释放瓦斯，减少掘进割煤落煤过 程释放瓦斯，抽采瓦斯的有效手段，该种方法缺点是抽 放时间较长，特别是在通透性不好的煤层，豫西属于 “三软”煤层，通透性较差，这种方法不适用”o ；水力掏 槽快速掘进，实质就是外力在较短的时间内破坏煤体 的原有的应力平衡稳定状态，部分煤体破坏被冲出，槽 孔周边煤体向外发生位移，有效应力降低，并释放出大 量瓦斯的过程。同时，致使在这个区域内，破坏了突出 发生的基本条件，起到有效防止或抑制突出的效果，但 这种方法受到采煤工艺等多种因素的影响，在缺水矿 区没有推广。 本文介绍的这种方法是通过理论推导，在工程实 践中摸索出的一种形之有效的、适合于本矿区的，实现 高瓦斯特煤层、巷道快速掘进的一种方法。这种方法 的理论基础是概率积分法。一个工作面在回采后，在 它的上覆岩层中一定范围内存在裂隙带，在裂隙带边 缘布置高抽巷，实现高抽巷的快速掘进，同时，向下山 方向下一个工作面范围抽采。由于在采动影响下，下 山方向工作面范围内的通透性增加，抽采时间大大缩 短，工程实践证明，一般抽采6 ～8 个月，下个工作面的 瓦斯含量就可以降低到2 ．5t ／m 3 以下。瓦斯含量降 低到一定值时，就可以实现上下巷快速掘进。 本文运用概率积分法，预计下山方向研究区域内 各点的移动变形分量s 。、s ，、s 、7 。7 。7 。，试验求取 覆岩的磨擦角和粘结力，借助自主开发的判别程序，运 用D m c k e r P r a g e r 准则判断工作面回采后下山方向 上覆岩层裂隙带发育范围，从而为高抽巷位置的确定 奠定理论基础”。 1 各应变分量的求取 在研究区域内任意一点，取一个微小的平行六面 体，根据剪应变互等定理，存在6 个独立的应变分 量‘5 l s 。、s y 、s 。、y 矿‰、y F 。 1 ．1 K Y 方向应变分量 按照开采损害学的基本原理占。、g ，应变分量的计 算公式为∞j s 。 雨W m a x ㈨c i 6 i 荟l P 。一Q 。 s ， 丽W m a x 善mc A 毫 P 。地 舭 弘k f q k F 。＼ 击 虮 ”C 1 F ， 者 咄 C i 1 一e 一。‘‘； F 2 s 1 T s 2 e - 1 r s 2 ； 、 F 3 1 一s e w r 一1 T s 2 e - T r s 2 。 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 ．1 4 作者简介韩小光 1 9 8 2 一 ，男，河南平顶山人，助理工程师，主要从事技术及管理工作。 2 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 韩小光裂隙带布置高抽巷实现巷道快速掘进 式中W 。。。为充分时下沉盆地的最大下沉值；m 为计算 采空区块段数目；z 为计算采空区条块的拐点数；b i 为 第i 采空区段水平移动系数；r 彳 为覆岩内主要影响 半径；R 。为拐点处极轴长；吼为拐点处极坐标的夹角； s 为极坐标半径与覆岩内主要影响半径的比值；c 为采 深、岩性系数；屯为第i 块段开采时间。 1 ．2 求取8 ，应变分量 按照竖直方向应变的物理意义，有 s ，塑业业当盟 3 6 ，一、J ， ’ 以 按照概率积分法的基本原理，可以求取覆岩内任意一 点的下沉值。求取如图1 中点1 与点2 的下沉值，并 利用中心差商方法求取中心点处的竖向应变值，考虑 在开采损害学中规定拉正压负的原则，式 3 可写成 见 戈，y ，z 丝堕掣 一型 兰z 兰垒 j 二型 兰z 兰二垒 一 2 4 式中w x ，y ，z h 为图1 中1 点的下沉值；鲫 x ，y , z h 为图1 中2 点的下沉值； 为可根据工程要求精度设置。 比m 刈 筹荟mC i 毫C 1 [ h 一番h 圈1所求点与周围六点空间位置关系示意 1 ．3 舅切厦变分重的豕职 按照y 矿y 。y ”的物理意义，有 y 叫 戈，y ，彳 皇掣 皇掣 5 y √埘纠 掣 型警盟 6 7 F 菇，，，，z 宣兰掣 皇兰掣 7 按照上述原则，式 5 ～ 7 可写成 ，、M 。 戈，Y - 4 - h ，z ，t 一M 。 搿，Y h ，名，t 7 叫L 戈，Y ，z ，2 弓i 一 坐坐业之≯生堕盟 8 2 矗 ⋯7 y 。 Ⅵ，彳 亟坐且埋巫寻血二蚴 丛堕型旦≮型型型 9 ，、’， y 如脚Y 坐型生丝茅亟幽 丛堕型生≮≯堕丝型 1 0 ，、‘一， 式中‰为x 方向的水平移动；M ，为y 方向的水平移动。 “。c 戈肌刈， 叫一蚤mc A 毫￡“F 。 啬 c 。s g d g 州” 小埘～耋c A 熹肛 啬 s i n 衲 2 根据应变分量求取主应变 在研究物体内的任意一点，一定存在3 个互相垂 直的形变主向，它们所成的3 个直角在变形之后保持 为直角。沿着这3 个形变主向的正应变称为主应变。 3 个主应变中间最大的一个就是该点的最大主应变 8 。，中间的一个就是该点的中问应变占，最小的一个 就是该点的最小主应变占，。3 个主应变占。、8 、s ，，是 下列三次方程中占的3 个实根旧』 占3 一 占； 占r 占 占2 占r s ； 占。占。 占占，一 兰二掣 s 一 占，占Y s 一4 ’u 、u 。u u 2 型L 坐学旦 毕 0 44 1 1 计算机程序求解方程的方法有多种喁] N e w t o n 法、迭代法、二分法、逐步搜索法等，结合本方程的特点 和具体的工程问题，解方程 1 1 选用逐步搜索法。如 果八k 一1 0 ，则在[ k 一1 ，k ] 之间一定存在 一个方程的根。设定步长，指定搜索起点，逐步从左向 右搜索，求得的第一个解等于占，，求得的第二个解等 于s ，求得的第三个解等于占，。 3 D P 准则的应变表达式 D r u c k e r P r a g e r 准则广泛应用于岩体力学上，D P 准则是在c ．M 准则和塑性力学中著名的M i s e s 准则基 础上的扩展和推广而得p 】 a f a I 。 ／以一K 1 2 其中Ⅳ为应力差，M P a ；I I 盯I 盯2 盯3 ，为应力第一 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 不变量，M P a ；J 2 i 1 [ 盯l o r 2 2 盯2 一盯3 2 o r ，一盯。 2 ] ，为应力第二不变量， M P a 2 ；a ，K 为仅 与岩石内摩擦角妒和粘结力C 有关的实验常数 a j 兰塑L 1 3 √3 3 一s i n t p K i 皇型 L 1 4 √3 3 一s i m p 由于以上所求为6 个应变分量，所以要把 D r u c k e r - P r a g e r 准则由应力表达式转化为应变表达式。 由弹性力学知 s 。丢[ 盯。一肛 盯 矿， ] s l 2 百L L 盯I 一肛L 盯2 矿3 J s 吉[ 盯一p 仃。 盯， ] s ， 寺 盯，一p 仃 盯。 ] 由式 1 5 ～ 1 7 ，可把，。，J 2 转化为 1 5 1 6 机科学的各个领域中得到了广泛的应用。面向对象的 设计思想是在原来结构化程序设计方法基础上的一个 质的飞跃，c ”完美地体现了面向对象的各种特性‘5 1 。 本文利用c “高级计算语言开发这一计算程序。利用 c “语言开发的程序结构如图2 。 I 获得计算初始位置数据H 按照一定步长获得计算位置数据 J 获得预计参数模块t - - q 预计移动变形计算模块 J I 岩石力学参数读入模块H D ．P 准则判断模块 输出结果 图2 软件结构示意 1 7 5 工程实例验证 ，2 ； 占I 8 2 占3 1 8 厶 1 一肛 2 G 2 [ 占l 一占2 2 s 2 一s 3 2 U 占，一占。 2 ] 1 9 式中G 为体积模量，G P a 。 利用已求出的6 个应变分量，按公式 1 1 计算出 s 3 、占2 、占l ，代入式 1 5 ～ 1 7 中求取盯l 、盯2 、o r 3 ，从而 可求取应力第一不变量与应力第二不变量，现场采取 岩样，测定岩体的泊松比队内摩擦角纵粘结力C 、弹 性模量E ，代人式 1 3 、 1 4 求取d 和K ，把a 和K 代 人式 1 2 求得岩体内计算点的应力差Ⅳ值；若Ⅳ值 大于零，岩体内预计点破坏；若Ⅳ值等于零，岩体内预 计点处于I 临界状态；若Ⅳ值大于零，岩体内预计点受 采动影响破坏，即在覆岩内产生裂隙。 4 裂隙带预计的计算程序表达 一般来说在研究区域内所布置的预计点越多，预 计结果越精确。但是，如果无限制的增加预计点会增 加运算时间。布置预计点遵循既能满足工程精度要 求，又要尽量减少运算时间的原则。因此利用上述方 法确定上覆岩层区域内的变形状态，计算工作量之大 非人力所能为，必须利用计算机这一工具，运用高级计 算语言，把数学语言转化为计算程序，从而得出精确的 结果，避免了人工计算时出现的人为错误。 C ”语言是一种优秀的面向对象程序设计语言， 它在C 语言的基础上发展而来，但它比c 语言更容易 为人们学习和掌握。c “以其独特的语言机制在计算 河南大有能源公司耿村矿，回采1 1 1 1 工作面长 2 0 0n l ，标高7 6 ～1 3 0m 见图3 。根据1 1 1 l 工作面附 近钻孔情况，1 1 1 l 工作面平均煤厚为1 3 ．5I n 。煤层角 度在9 。～1 0 。之间。预计剖面位于工作面中部。根据 4 5 0 6 钻孔柱状图，分析上覆岩层岩性为中硬岩性。实 验室求得岩石力学常数a 0 ．2 1 4 ，K 7 ．2 5M P a 。 图3回采工作面与预计位置关系示意 第一步，把试验室测定的岩石力学参数保存成 D A T 数据文件，利用计算程序计算出6 个应变分量； 第二步，计算出3 个应变主量，生成的直观图；第三步， 把3 个应变主量代入到D ．P 准则表达式，计算Ⅳ值， 并生成数据文件；第四步，借助制图软件的后处理平 台，生成直观图4 ，进而判断下山方向上覆岩层裂隙带 范围。 预计高度2 7 0m 共穿过8 个岩层，各岩层的岩性 根据试验室测定力学参数见表1 ，工程中按、页岩、砂 质泥岩砂岩的力学参数分别计算，求得各预计点上的 万方数据 2 0 1 2 年∞月韩小光裂隙带布置高抽巷实现巷道快速掘进 应力差值，从而预计上覆岩层裂隙带发育范围。在预 计时采用岩石力学参数不同，预计的裂隙带范围也不 同。在这里只给出按页岩预计出的上覆岩层裂隙带的 发育范围 见图4 。 裹l上覆岩层岩石力学参数表 图4D - P 准则判断上覆岩层裂隙发育范围 按页岩、砂质泥岩和砂岩的力学参数预计，上覆岩 层裂隙带发育范围不同。页岩裂隙带范围大，砂质泥 岩裂隙带范围处于中问位置，砂岩裂隙带范围最小。 图4 为按照页岩力学参数预计的裂隙带发育范围 图 中点划线圈定的范围 。 在下巷位置向下山方向打4 个钻孔，依次为l 一4 号钻孔 见表2 ，瓦斯测定时间为上个 1 1 1 1 工作面 回采前和工作回采后3 2d 。采用内窥镜观察裂隙带发 育情况，并测定相对瓦斯含量。按照预计裂隙带发育 范围及实测瓦斯含量，确定高抽巷的位置。 裹2 下山方向现场实测裂隙带发育范围与瓦斯含■表 凯号- F 眺嵫l i ／黼 o ／／oh 呀 钻孔号1 ；” ，m 内窥镜 回采前测定回采后测定 观察深瓦斯含量瓦斯含量 ／m ／ m 3 t 一1 ／ m ，t 一’ l 号钻孔 3 5 02 5 2 5 无裂隙 5 ．64 ．4 2 号钻孔4 0 0 3 52 5 无裂隙 5 ．43 ．7 3 号钻孔4 5 0 4 5 2 5 有细小裂隙 5 ．62 ．3 4 号钻孔5 5 0 5 5 2 5 有细小裂隙 5 ．52 ．1 通过实测瓦斯含量、与内窥镜观察结时，并与预计 结果对照，确定1 1 1 1 工作回采结束后一个月后，在下 山方向水平距离1 5i l l ，沿煤层顶板掘进一高抽巷，向 下山方向打抽放钻孔，预抽1 1 1 3 工作面的瓦斯，当瓦 斯相对含量降到2 ．5m 3 ／t 以下时，在l l l 3 工作面圈 定的范围内，上下巷同时快速掘进，克服了以往边采边 抽的做法，解决了高瓦斯煤层巷道快速掘进的难题，实 现了高瓦斯煤层高产稳。2 0 1 2 年1 月1 1 1 3 上下同时 掘进，日进尺2 5m ，巷道围岩稳定，支护采用梯形工字 钢棚。 6 结论 运用概率积法与D P 准则相结合，判断1 3 1 4 0 工 作面回采后上覆岩层裂隙带发育范围，通过理论推导 和现场观测，最终确定了高瓦斯特厚煤层高抽巷的位 置。通过该工程理论推导与实践验证得出下结论 1 运用概率积分法与D - P 准则相结合方法能较 为准确预计上覆岩层裂隙带发育范围，为高抽巷位置 的确定提供理论依据。 2 在断判上覆岩层裂隙带发育范围时，岩石力学 参数的测定起着极其重要的作用，多测几组，最终确岩 石力学参数。 3 该方法利用裂隙带附近瓦斯含量降低的特性， 实现了高抽巷快速掘进。 4 1 3 1 4 0 工作面回采后，下山方向裂隙带发育水 平距离1 5m ，垂直距离2 0m ，从而确定了高抽巷的 位置。 参考文献 [ 1 ] 黄醒春，寇新建．鹤壁六矿一3 0 0r n 水平地应力场与矿压显现特 征[ J 】．矿冶工程，1 9 9 9 ，1 9 2 2 0 - 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