矿井深部矿压特征分析.pdf

8 煤 炭 科 技 C0AL S CI ENCE TECHN0L 0GY MAGAZI NE 2 0 0 7年第 4期 No ． 4 2 0 0 7 文章 编 号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 0 7 0 4 0 0 0 8 0 4 井 深 却 驴 压 特 征 折 张智慧 ． 潘一山 ． 阎 海鸭z 1 _ 辽宁 _ r 程技术大学 力学 与 i 程学院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ； 2 ． 辽宁 程技术大学 职业技术学院． 辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘 要 通 过选择 几 个有代 表 性 的深度 接近 和超过 千米 的矿井 ， 在对其 进行 调研 和理论分 析 的 基础 上 ， 对其 中与矿 压 有关 的参 数进行 了进 一步分 析 ， 总结 出 了深部开 采巷 道 围岩稳定 性 影响 因素 ， 围岩 的变形破 坏特征 ，冲击地 压显现特 征 ，以及深部 采场矿 压特 点 可作为矿 井深 部开 采 、 支护及相 关工程 的参考 关键词 深部 开采 冲击地压 移动 变形规律 特 殊性 中图分类 号 T D 3 2 文 献标识码 B 我 国 大部 分重 点 矿井 目前开 采 深度 7 0 0～8 0 0 m． 一些矿井已达到或超过 1 0 0 0 i n ． 而且以每年平 均 2 0 m的速度延深 ．可以预计在未来 2 0 a我国很 多煤矿将进入到 1 0 0 0 ～ 1 5 0 0 m的深度 比如山东 新 汶矿务局 孙村煤 矿是 我 围 目前 采深最 大 的矿井 之 一 ．该矿地面标高 2 1 0 i n ． 目前该矿正在进行一 1 1 0 0 m水平的开拓延深 ． 矿井开采深度达 1 3 1 0 m 平顶 山煤业集团有限公司所属 1 8 对矿井中． 开采深度较 深 的有 一矿 、 四矿 、 五矿 、 十矿 、 十一矿 和十二 矿 。国 内外和孙村等煤矿的经验都表明． 随着采深的增加 ． 地质环境更加复杂， 地应力增大 ． 涌水量增大， 地 温 升高 ， 煤层瓦斯含量增大 ． 可能导致突发性_丁程灾害 和重 大灾 害性 事故 的发生 ．作业 环境恶 化 以及 生产 成本增加等一系列问题．对深部资源的开采提出了 新 的挑 战 深部煤炭资源开采的技术难题之一是巷道围岩 控制问题 ， 主要表现在两个方面 冲击地 和巷道 围 岩的大变形和强流变性 根据新汶局华丰 、f , l ff, 煤 矿 ， 平顶山煤业集团一矿 、 四矿、 五矿、 十矿、 十一矿 、 十二矿 ． 开滦矿务局赵各庄 、 林西煤矿等深部开采矿 井的调查 ． 各矿进入深部以后冲击地压灾害严重 ． 且 随着开采深度的增加 ．冲击地压的频度和强度都在 增大 再有就是巷道变形和流变严重 ． 常用的锚杆和 锚 网联合支护需要翻修的次数和工作量加大 本文在对华丰煤矿 、 平煤五矿、 开滦赵各庄煤矿 几个千米深矿井的巷道围岩矿压显现规律和其他共 同特点调研的基础上．对深部矿压和一些地质特征 进行了总结， 同时也对深部地应 力状态 、 地温 、 瓦斯 等情况进行了综合分析 1 深部开采巷道 围岩稳定性分析 原岩 应 力是引起 采矿工 程 围岩 、支护 变形 和破 坏 、 产生矿井动力现象的根本作用力 。 平煤五矿采用 S Y Y 一 5 6型水压致裂地应力测量装置进行地应力测 试 ． 应力测 试结果如表 1 所列 分析地应力测量结果可知 ，五矿的地应力场 v H h ， O - v ／ O “ H 为 1 ． 5 8、 1 ． 3 7和 1 ． 3 4 ， 这表明五矿 的地应力总体上以垂直应力为主 最大水平主应力 表 1 五 矿 地 应 力测 量 结 果 基金项 目 国家 自然科学 基金重大项 目一部分 ． 课题号为 5 0 4 9 0 2 7 5 维普资讯 2 0 0 7年第 4期 张智慧等 矿井 深部矿压特征分析 9 方 向主要集 中在 N 5 3 ． 7 。 W ～N 7 0 ． 6 o W 之 间 从现 有巷道来看 ． 实测资料符合实际情况，、 由于地应力是 造 成巷道两 帮 和顶 、 底板 破坏 的主要 原 因 ， 地应 力方 向和 巷 道轴 线 布 置 方 向 的夹 角对 巷 道 破 坏 影 响较 大 。 五矿 最大水 平 主应 力平 均 为 1 3 ． O 1 MP a ，最小 水 平 主 应 力 平 均 为 7 ． 3 4 MP a ．垂 直 应 力 平 均 为 1 8．6 3 MPa。 五 矿 围岩 强度测 试结果 表 明 ．煤 的单轴抗 压 强 度基本上处于 7～1 3 M P a之问 ． 个别点偏小 ． 煤层 节理较发育 煤体完整性 尚可 ． 但煤体较软 泥质砂 岩的强度为 3 4 ． 7～5 9 ． 6 MP a ；泥岩 、泥页岩 为 3 9 ． 6～4 3 ． 7 MP a 砂 岩为 7 8 ． 6 MP 围岩强 度对锚 杆 支护 的效果有 较大影 响 ． ． 垂 直应力 向两帮 转移 ． 水平应 力 向顶底板 转 移， 、 所 以 ． 垂 直应 力的影 响主要显 现 于两帮 ． 而水平 应 力 的影 响则 主要显 现 于顶底板 岩层 水平应力具有明显的方 向性 当巷道轴向与最 大水平 主应力 平行时 ． 受水 平应力 影响 最小 ． 对顶底 板的稳 定最有 利 当巷道轴 向与最大 水平 主应力 垂 直时 ． 受水平应力影响最大 ． 对顶底板的稳定最 为不 利 同最大水平主应力以一定角度斜交的巷道 ． 巷道 一 侧出现应力集中而另一侧应力释放 ．因而顶底板 的变形破坏会偏向巷道的某一侧 、 在最 大 水 平 主 应 力分 量 明显 大 于 最 小 水 平 主应 力分量 并 且足 以造 成顶 、 底板 岩层 破 坏 的情况 下 ．布置采准 巷道 时考虑 水平应 力 的方 向是 非常 必要 的 华丰煤矿地应力测量及反演计算表明该矿深部 存在强的构造应力场 ．最大应力为水平力． 一 7 5 0。 n 水平 一 般 为 3 2～4 4 MP a ．为垂 直 力的 1 。 7～2 。 0 倍． 是 4煤单轴抗压强度的 1 。 5～2 。 0倍 而且 4煤 顶板整体性较强 ， 抗压强度较大 ． 其传递应力的作用 较好，、4煤开采后砾岩内部及红砂岩与砾岩间易产 生离层 空间 ． 积 累 了大量能量 当离层 范 围大 于砾 岩 的折 断步距 时 。 砾岩 底部突 然断 裂 从 而产生 冲击地 压。 同时地表 出现裂纹 华丰煤矿一 9 2 0 m水平岩石 集中巷是五水平前组一采区第二阶段 准备巷道． 全 长 8 0 0余米。 巷道布置在 7煤 1 至 8煤 3 之问的 砂岩 中 巷道标高 一 9 2 0 I n ．地面标高 1 3 0 m ．埋深 1 0 5 0 m 该巷道东部处于一较为宽缓 的向斜之中． 构造应力 较大．经 地应力 测量 构 造应 力为 3 3 4 0 MP a ． 明显呈现高应力状态 ． 巷道的侧压相对较大． 两 帮出现严重变形． 进而影响巷道的顶部 2巷道 围岩的变形破坏特征 2 ． 1 平煤五 矿变 形观测 在五矿井下见到的胶带下 山布置在煤层中． 位 于六矿 开采 的煤 柱下 ． 采 用钢带铺 网支护 该下 山刚 掘出近 1 a ． 已翻修一次 ． 但变形仍然非常严重． 巷道 维护【 术 ] 难 ． 而且还要进行翻修 该巷道主要表现在巷 道底鼓 严重 、 两帮移 近量 大 ． 、 翻修后 的巷道 主要采用 钢带锚 网支护 ． 局部采用 U型钢联合支护 ． 但效果 不明显， 该巷道在整个服务年限内存在返修次数多、 成本高的问题 五矿钻孔窥视的结果表明．顶板岩层节理和裂 隙较发育 ． 在岩性发生变化时易产生离层 顶板完整 的巷道离层较多．而顶板较破碎的巷道顶板裂隙较 多 ． 部 分巷道 顶板 在 6 m深 处也有 显著 的离层现象 ． 说 明顶板离层范围较大 ． 不利于顶板锚杆支护 该矿 采用锚 索进 行补强 支护 ． 且 锚 同段 位置 在 6 m 以上 2 ． 2协庄 煤矿变 形观测 山东新汶矿务局 协庄煤矿分为一 5 0 n 、 一 3 0 0 m、 一 5 5 0 m 和一 8 5 0 m 共 4个 开 采 水 平 ．其 中一 5 0 m、 一 3 0 0 1 1 1 水 平 已基 本 开 采完 毕 ． 一 5 5 0 m 为生 产 水平 ． 一 8 5 0 m为开拓延深水平． 主要的开拓 l 程 已基本构 成． 其下山采区各工作面的开采深度 已达 1 k m以上． 属典 型的深井 开采 、 随着 矿井 开采深度 的增加 ． 地 温 逐 渐 升高 矿乐 显现 加 剧 垂 向地应 力 和水 平 应力 明 显加 大． 巷道 开挖 后变 形加快 ． 变形 量加 大． 底 鼓现 象 十分普 遍 ． 巷 道 变形与 采深 的关 系如 图 1 所示 1 1 - 3 1 曼 置 蚓 稔 E E 避 a 移近量 巷道埋深／ m b 移近速度 图 1 巷 道变 形 与 采 深 的关 系 维普资讯 1 0 煤炭科技 2 0 0 7年第 4期 3 冲击地压显现特征 冲击地压、 煤与瓦斯突出统称矿井动力现象 ． 是 煤矿的重大突发灾害之一 随着矿井采深的加大 ． 冲 击地压的灾害程度逐渐严重 以下是各矿一些深部 动力 现象 的主要特 征 1 震级加 大 ． 破 坏性 增强 ． 而 且动力 现象 的发 生具有区域性 随着 目前煤层开采深度的加大． 地压 越来越大． 冲击地压的危害也越来越明显 华丰煤矿 自1 9 7 0年代初开采 4煤时实际上就存在着冲击地 压 ， 特别 自第 三水平 一 4 5 0 m水平 4煤 开采 以来 ． 冲击地压屡屡发生 据不完全统计 已超过 7 0次 ． 造 成大量井巷工程的严重破坏乃至报废．并造成工作 人员的伤亡 ． 严重影响安全生产． 给国家带来了巨大 的经济损 失和资 源浪 费 严重 的冲击 地压发 生时 ． 地 面办公楼都有震感 ． 据泰安地震 台测试． 最大震级已 达 到里 氏 2 ． 9级 2 一般各个矿发生煤炮等动力现象有一个临 界深度 ． 比如华丰煤矿为一 4 5 0 m． 开滦赵各庄煤矿 为一 5 3 0 m。 3 以前的低瓦斯矿井随着开采进入深部开始 出现高瓦斯区域 冲击地压伴有瓦斯异常涌出现象 ． 说明煤体在一定范围内破坏． 导致瓦斯涌出 4深部 采场矿压特点 从 已调查的新汶孙村煤矿 、 开滦林西、 赵各庄煤 矿 、平煤五矿和徐州旗山煤矿等深矿井主采煤层的 顶板岩性变化情况来看 ．矿压及一些明显的不 同于 浅部 的特征有 1 随着采深 的增加， 顶板 岩层有逐 渐变碎 和强 度降低的趋势 随着采深的增加 子 ， J 、 村煤矿煤系地层 中的断层 、 裂隙 、 层理和节理逐渐发育， 同一层位的岩 层分层厚度逐渐变薄． 弱面增多 采场顶板悬顶长度 逐渐减小． 由不容易垮落变得容易垮落 一 4 0 0 m水平 埋深 6 0 0 m 1 以上的工作面直接顶比较稳定， 悬顶较 大。 初次放顶比较闲难。 有时需要人工强制放顶。 采空 区垮落的岩块块度也较大 一 6 0 0 m水平以下的工作 面顶板悬顶长度逐渐变小．埋深约 9 0 0 m的 1 4 1 8和 1 2 1 9 工作面基本没有悬顶．回柱后直接顶立即垮落． 顶板十分破碎． 部分采段不得不铺金属网护顶 2 林西煤矿煤系地层 中同一层位岩层在深部 的粒度逐渐变细． 强度有所降低． 粗砂岩 的厚度有变 薄的趋势 中粒细砂岩渐变为细砂岩和黑色粉砂岩 互层．含砾粗砂岩和灰黑色细砂岩渐变为黑色黏土 岩或灰黑色粉砂质黏土岩 。这种岩性变化已使浅部 为老顶的岩层在深部渐变为直接顶。 ． 因而同 期来压 逐 渐变 得不 明显． 强度减 弱【4 】 3 已开采至一 8 0 0 m 的徐州旗山煤矿深部岩 层逐渐变碎． 与浅部相比． 变碎的明显标志是 目前地 面排放的矸石块度明显变小。 所调研的孙村、 华丰煤 矿等矿井也有类似的特点 5 结 论 随着开采进入深部 ．矿压和其他一些方面的变 化特点非常明显 ． 主要有 1 以开滦矿区、 平煤五矿和孙村煤矿等千米深 井为例． 可以总结出开采时垂直应力向两帮转移． 水 平应力向顶底板转移的特点 所以． 垂直应力的影响 主要显 现于 两帮 ．而水平应 力的影 响则 主要显 现于 顶底板岩层 而且深部构造应力很大 ． 水平应力有方 向性 。 2 深部开采时巷道两帮变形量大 ， 表现出很 强的流变特性 ．可以归结为工程软岩。一次支护困 难 ． 二次支护增加了成本． 需要根据应力的特点和围 岩等的性质采取联合支护才能取得较好的效果 。 一 3 裂隙 、 层理 、 节理发育 ， 岩层逐渐变碎 ， 岩石 颗粒粒度逐渐变细． 强度降低 4 同一层位岩层分层厚度逐渐变薄 。 弱面增 多 。 5 地温升高 ， 作业环境恶化 。孙村 、 平煤五矿 等矿井地温增加都很高， 有的在深部有瓦斯异常区。 6 深部冲击地压危害加大 。 大多数情况下表 现为煤层的整体突出 参 考 文 献 f 1 1 姜耀 东， 刘文岗， 赵毅鑫 ， 等． 开滦矿 区深部开采 中巷道围岩稳定 性研究【 J J ． 岩石力学与T程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 1 1 1 8 5 71 8 6 2 ． f 2 1 王洪涛． 深部 巷道 围岩破坏机理分析与防治技术 ． 山东煤炭科 技 ， 2 0 0 4， 1 4～5 ． I 3 】3 徐 龙仓． 深部岩 巷稳定控制 实践与分 析 【 j 】 ． 矿 山压力与顶 板管 理 ， 2 0 0 4， 2 1 4 8 5～8 7 ． 【 4 】 杜计平， 张先尘， 贾维勇 ， 等． 煤矿深井采场矿压显现及其控制特 点l J I． 中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 9 1 8 28 4 ． 作者简介 张智慧 1 9 7 6 一 ， 男 ， 内蒙古凉城人， 1 9 9 9年 毕 业于辽 宁工程技术大学土 木建 筑系 现土木建 筑学院 给水 排水工程专业，辽宁工程技术大学力学与工程学院讲师， 博 士在读 。 收稿 日期 2 0 0 7 - 0 6 - 0 5 维普资讯 2 0 0 7年第 4期 No ． 4 2 0 0 7 煤 炭 科 技 C 0 AL S C I ENC E T EC HN OL OGY MAG AZ I NE l l 文 章 编 号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 0 7 0 4 0 0 1 1 0 3 ／f 壶 女 婪石 厂铭网 尝牙 关 合 支 工 艺政 弓 ’ f 『 王陆生 皖北煤 电集冈 任楼煤矿 ， 安徽 淮北2 3 5 0 0 0 摘 要 通过对任楼煤矿锚 网梁索支护参数的理论计算分析及施工实践经验 ， 提出了工艺改进 方法， 对锚网梁索支护技术的完善和发展有一定的借鉴价值。 关键词 锚 网粱索 支护参数 ； 工艺改进 中图分 类号 T D 3 5 3 ． 6 文献 标识码 B 煤 巷锚杆 支护技 术是 煤炭行 业 支护技术 改革 的 发展大趋势 任楼煤矿 自2 0 0 3年 4月引进锚 网梁 索支护技术并在 7 2 4 6风巷应用 以来 ． 通过 3 a的生 产实践 ， 其支护工艺及工序 ． 工程质量管理 、 监测等 各方面都趋于成熟， 但在施工 中也存在一些有待改 进之处 特提出以下建议 ． 以供商榷 1 锚杆支护参数 的选择 1 ． 1 按悬 吊理论计 算锚 杆参数 锚杆 支护 分直 接顶 悬 吊于坚 固的老 顶 上 f 煤巷 矩形断面 和冒落拱内岩石用锚杆悬 吊在冒落拱外 的稳定岩体上 岩巷拱形断面 两种 】 锚杆长度计算公式 k 日 l 2 式 中 锚杆 长度 ． m k 安 全 系数 ． 一般 取 2 日软弱岩层厚度， 取 1 m或冒落拱高度． m 锚杆锚入稳定岩层的深度 ， m． 一般取 0． 3 m ； 锚杆在巷道中的外露长度 ． m， 一般取 0．1 m ； B／2 f 式 中日 巷 道开挖 宽度 ， m， 取 4 ． 5 m 卜岩石坚固性系数 ， 取 厂 1 0 。 经计算 ． 取 2 ． 4 m 2 锚杆问、 排距计算公式 通常按问 、 排距相 等．且锚杆的锚同力等于或大于悬吊岩石重量的原 则 a Q／k 式 中 锚杆 问 、 排距 ， m M i ne p r e s s ur e f e a t u r e a na l y s i s i n d e e p mi ne s Zh a n g Zh i h u i ， Pa n Yi - s h a n ，Ya n Ha i p e n g 1 ．C o l l e g e o f M e c h a n i c s a n d E n g i n e r e i n g， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， F u x in 1 2 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． V a c a t i o n a l C o l l e g e ， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， F u x i n 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t By a p p r o a c hi ng s e v e r a l r e p r e s e n t a t i v e d e pt h a n d o n t h e b a s i s o f s u r v e y i n g a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a b o u t t h e s h a f t mo r e t h a n o n e k i l o me t e r s d e e p ，t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e r e l e v a n t p a r a me t e r s t o o r e p r e s s u r e a n d s u mm a r i z e s a s f o l l o w s I t i s h e l p f u l f o r d e e p e x p l o i t a n d c o r r e s p o n d i n g p r o j e c t t o l e a r n a b o u t t h e c a u s e o f d e e p e x p l o r i n g t u n n e l s u rr o u n d i n g r o c k s t a b i l i t y ， t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d e f o r ma t i o n a n d d e s t r o y o f a d j a c e n t r o c k ，t h e a p p e a r i n g c h ara c t e r i s t i c o f p r e s s u r e b u mp a n d o r e p r e s s u r e i n d e e p mi n i n g f i e l d． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g；s h o c k p r e s s u r e；mo v i n g d e f o r ma t i o n r u l e s；s p e c i a l i t y 维普资讯