淮南矿区深部回采巷道矿压显现特征及支护技术.ppt

淮南矿区深部回采巷道矿压显现特征及支护技术,,煤矿千米深井开采技术座谈会交流发言,安徽理工大学科技产业处处长中国煤炭工业技术委员会井工开采专家委员,,汇报人陈登红博士生,导师华心祝教授,〔全国煤矿千米深井开采技术座谈会资料之十二〕,,,,,引言,淮南矿区深部回采巷道地质力学评估,,,,淮南矿区深部回采巷道矿压显现特征,,淮南矿区深部回采巷道支护思路,淮南矿区深部回采巷道支护技术,,,结语,,,,,,,,,汇报提纲,图1淮南矿区深部开采现状图,,,谢一煤矿，-1200m,新庄孜煤矿，-800m以下,,口孜东煤矿，-967m,,顾桥煤矿，-780m,,丁集煤矿，-860m,,谢桥煤矿，-800m以下,,朱集煤矿，-906m,,潘一东井，-848m,,,老矿井,2005年以后投产矿井,,1引言,1.1淮南矿区深部开采现状,淮南矿区现有11处生产矿井，2012年生产能力达7106万t/年，目前-1000m以浅有117.3亿吨，-1500m以浅共有煤炭储量294.9亿吨。,,1.2淮南矿区深部煤巷赋存特征,淮南矿区主采煤层11-2煤、13-1煤回采巷道具有如下的赋存特征,埋藏深；,构造应力显现强烈；,富含煤线的厚层状复合顶板；,巷道断面大。,煤厚、强度低、围岩结构复杂；,,,,,,,,,图2某矿12521工作面综合柱状图,,1.2淮南矿区深部煤巷支护现状,近几年有些巷道采用锚注（注浆锚杆）支护，有一定效果，但也存在注浆参数选择不当和漏浆难封堵，遇泥岩注不进浆等工艺方面的困难。,,随着开采深度的增加，矿区深部回采巷道支护难度日益增大某些巷道采用单一架棚支护，三个月就被压坏；有的巷道采用29U型钢支护，代价高而效果亦不理想。,由于矿区地质条件复杂，断层构造多，水平方向地应力大，软岩遇水膨胀，深部岩层裂隙发育。围岩刚开挖出来时较为坚硬，不久即风化变软。不少岩层富含水，巷道穿越煤层时地压显现就更突出。,,1.3淮南矿区深部煤巷研究现状,针对淮南矿区煤巷稳定性控制的诸多难题，许多学者从赋存地应力环境、围岩稳定性分类等角度对其进行了系统深入的研究。,由于矿区开采深度的进一步增加，巷道围岩变形破坏加剧，系统研究800m以下深部回采巷道矿压显现特征的较少，因此针对淮南矿区800m以下深部巷道围岩赋存、矿压显现特征进一步深入研究，以期提出安全合理的支护技术。,袁亮按构造应力强度和顶板岩层赋存结构的复杂程度对淮南矿区顶板稳定性状态进行分类；张农在系统分析淮南矿区深部煤巷影响因素基础上提出巷道顶板应力强度指数、帮部煤体松散范围系数、顶板软弱岩层不安全因子3个最主要最敏感的综合指标；罗超文、刘泉声等针对淮南矿区深部地应力场特征进行了研究。,2淮南矿区深部回采巷道地质力学评估,2.1淮南矿区深部地应力场测试,,,图3空心包体应力解除法钻孔结构,图5空心包体应力解除法测试步骤,图4应变花布置示意图,,2.1淮南矿区深部地应力场测试,淮南矿区深部地应力状态总体属于高应力水平；侧压系数均大于1，个别矿井达到1.5以上，属于典型的构造应力场型；最大、小水平主应力相差很大，地应力具有明显的方向性，因此，对巷道掘进的影响较大。,,2.2淮南矿区深部围岩力学参数测试,,,,,,2.2淮南矿区深部围岩力学参数测试,测试结果表明淮南矿区深部回采巷道围岩大多属高应力软岩，其中粘土类岩层居多，遇水易崩解、泥化。地质力学评估为后续的数值计算、支护参数设计提供了基础参数。,,3淮南矿区深部回采巷道矿压显现特征,,,,,3.1淮南矿区深部回采巷道变形破坏现状,,,,,,巷道底鼓600mm,,顶板开裂,,支护体失效,,帮上部网兜现象,,3.2淮南矿区深部回采巷道变形特征的数值模拟研究,,口孜东矿首采工作面位于-967m水平中央（13-1）采区东翼。工作面标高为-742.5m～-877.3m，为深部开采；煤层顶板主要是由泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩以及细砂岩组成的复合顶板。煤层底板主要由泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩组成，工作面两巷方位NE115.5，为保护顶板完整性，巷道开掘时跟13-1煤顶板施工，考虑综采设备的运输及预留大变形巷道宽度6m，高度4.5m，支护断面图如下图所示。,工程背景一,图7模拟开挖支护断面,图6支护断面图,,3.2淮南矿区深部回采巷道变形特征的数值模拟研究,,,,,图7巷道掘进期间变形特征,（a）位移矢量变化（step间隔500,（b）塑性区变化（step间隔500,图7（a）箭头大小、方向代表位移的大小、方向，巷道掘进期间由于底板无支护并且侧压系数大，开掘后首先开始底鼓，进而两帮、顶底向巷内移近；（b）反应塑性区演化规律也和图（a）吻合，表明巷道先从底板发生塑性破坏进而扩展至其他部位。,图8111303工作面轨道巷回采期间塑性区分布特征（UDEC）,,3.2淮南矿区深部回采巷道变形特征的数值模拟研究,（a）43m,距工作面不同距离回采巷道塑性区（倾向）,（b）33m,（c）23m,从图（a）、（b）可知，回采巷道两帮及底板正经历受压屈服破坏；从图（c）可知，随着工作面回采推近，巷道变形量持续变大，且变形破坏呈现靠回采一侧加剧的现象，需加强回采侧的巷道维护。,采用FLAC3D对砂质泥岩顶板段锚索支护走向采用“3-3”交错布置的1252（1）轨道巷进行了数值模拟，研究分析深埋回采巷道围岩变形破坏特征，支护方案及模拟图如下图9、10所示。,,3.2淮南矿区深部回采巷道变形特征的数值模拟研究,工程背景二,12521综采面为潘一东井-848m水平11-2煤层首采工作面；工作面标高-738m～-823m，地面标高21.5～22.1m；11-2煤层赋存稳定，煤层厚度1.7～2.87m，由西向东逐渐变厚，平均厚2.26m。煤层直接顶为复合顶板，由砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩和11-3煤层组成；老顶为灰色-灰白色细砂岩；直接底为砂质泥岩，心砂泥质结构，块状为主，偶见植物化石，层面见云母碎片，性脆，断口为参差状；老底为灰白色细砂岩和粉砂。,,3.2淮南矿区深部回采巷道变形特征的数值模拟研究,,,图9“3-3”交错布置支护方案,图10FLAC3D数值模拟方案,,3.2淮南矿区深部回采巷道变形特征的数值模拟研究,,,图121252（1）轨道巷回采期间水平位移,图111252（1）轨道巷掘进期间水平位移,煤柱侧,掘进、回采期间轨道巷两帮上部出现大变形，呈现出如图11、12所示的网兜现象，随工作面临近，非回采侧水平位移比回采侧要大，因而加固非回采侧巷帮支护对控制巷道围岩稳定十分必要。,面侧,,,,,,4淮南矿区深部回采巷道支护思路,分析上述深部回采巷道的围岩赋存环境、变形特征基础上，提出了深部回采巷道支护思路。,“一面一策、一巷一策”，因巷制宜，个性化分类科学设计,由于淮南矿区地质条件多变，目前常常是凭经验或简单类比或相互套用来进行深部回采巷道支护设计，在实际生产应用中，需因巷制宜，分类设计，选择针对性的最优化支护方案和支护参数，实现“一面一策、一巷一策”。,“支护理论、支护技术、支护装备、施工管理”四位一体,复杂条件的深部回采巷道支护涉及的研究领域广，目前是国际难题，解决复杂条件的深部回采巷道支护难题是一项庞大的、极其复杂的系统工程，必须依靠科技进步，采用先进的理论、技术和装备，同时要加强管理，确保巷道施工质量。,,4淮南矿区深部回采巷道支护思路,“巷道布置优化、支护设计科学、支护质量可靠和围岩变形动态监测到位四轮驱动，全过程控制巷道围岩变形”。,为了保证深部回采巷道稳定性的总体效果最佳，应当从设计巷道布置时选择巷道合理位置和巷道保护措施开始，再合理地选择巷道支护的形式和参数，与此同时，要规范施工，确保巷道支护质量和进行围岩变形动态监测，同时要加强管理，确保巷道施工质量。,“先测试巷道围岩地质力学参数，再进行支护参数设计”,巷道围岩是一个极其复杂的地质体，与其他工程材料相比，它具有两大特点其一是岩体内部含有各种各样的不连续面；其二是岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是巷道锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。淮南矿区地质条件复杂，各条深部回采巷道的条件差异较大，应高度重视巷道围岩地质力学参数测试,,“采用综合控制手段，支卸结合，主被动支护结合，主动支护为主，被动支护为辅”。,条件复杂的深部回采巷道采用单一支护形式往往不能满足支护要求，需探索综合控制手段，采用主被动支护结合的复合支护方式，在主动支护基础上再进行被动支护能取得较好效果。按巷道的支护形式及效果一般可分为三类各种支架等被动支护；以各种锚杆（索）支护为主的改善巷道岩体力学性能的主动支护；从基本上改变岩体结构及力学性能的以锚注加固为主的主动加固。卸压支护是采用人工的方法改变巷道围岩应力分布特征，使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道周边的围岩深部转移，可减少两帮位移和底鼓量。,4淮南矿区深部回采巷道支护思路,,4淮南矿区深部回采巷道支护思路,围岩条件复杂的深部回采巷道采用“动态分次补强支护”的支护技术,对于围岩条件复杂的深部回采巷道采用一般支护形式是难以奏效，不能满足正常服务的要求，需采用围岩结构强化、支护结构优化的联合支护方式。采用刚柔耦合支护技术以及顶板补强支护技术、煤帮补强支护技术。,,5淮南矿区深部回采巷道支护技术,口孜东矿111304工作面是该矿111303首采面的接替面，轨道顺槽布置于13-1煤中，空心包体应力解除法实测得到口孜东矿水平主应力是垂直应力的1.57倍，最大主应力的方位角122，顶底板岩性见表2，综合考虑岩性、应力分布及断层影响，工作面布置平面如图。,图13首采面与接替面的平面布置,5.1工程应用一,,5.1工程应用一,在深部回采巷道支护思路的指导下，根据111303轨道顺槽掘进回采期间巷道严重底鼓的变形特征实测及变形破坏部位及时间的数值模拟分析，在111304轨道顺槽支护设计时要加强底板维护，同时兼顾帮、顶的加强支护。考虑木点柱作为柔性支护体不仅存在一定的让压空间，也可做为来压失稳的信号柱，掘进后靠近回采侧及时安设戴帽木点柱作临时支护；点柱要选用直径不得小于200mm，长度不小于2500mm的优质圆木加工，柱帽采用长1400mm，宽180mm，厚180mm的优质方木制作，损坏点柱要及时更换；刚性支护考虑“锚带网索”主动加强支护。在111303原有支护设计基础上增加帮部锚索2根、全断面增加2根锚杆，每个断面安设22根锚杆、锚索7根，具体支护方案如图14所示。,图14111304轨道支护方案,支护参数设计,,,,锚网支护时，拱部锚杆支护紧跟迎头，拱部锚杆在下一轮进尺前必须打齐；锚索支护距迎头不超过8排，顶板破碎时锚索支护紧跟工作面，距工作面不超过一个排距。锚索长度不低于6300mm，锚索必须生根在稳定的岩层中不小于2m，否则应加长锚索长度；拱部锚杆支护必须支护到拱基处，帮部裸露超过1000mm必须及时进行支护，围岩稳定时，帮部锚杆支护距迎头不超过6排，围岩条件差时，帮部锚杆支护紧跟迎头，帮部最下一排锚杆距底板不超过300mm；锚杆抗拔力试验取样数量巷道每施工20m，每300根锚杆或300根以下，取样不少于1组；300根以上，每增加1～300根，相应多取1组；锚索安装48h后，发现预应力下降，必须及时补拉。,,支护工艺质量要求,5.1工程应用一,现阶段口孜东111304工作面两顺槽正在开掘，其平均顶板离层50mm左右，相比同期111303工作面顺槽的离层150mm而言要小很多；巷道掘进期间两帮移近165mm，顶底移近214mm，相对于111303工作面顺槽的两帮移近435mm，顶底移近628mm要减小很多；在工作面采动影响期间，及时动态监测巷道顶板离层及表面位移，出现超过临界100mm及时补强支护，截止目前的实测结果表明巷道整体满足安全生产要求。,支护优化后矿压实测,,5.1工程应用一,,12521综采面为潘一东井-848m水平11-2煤层首采工作面；工作面标高-738m～-823m，地面标高21.5～22.1m；11-2煤层赋存稳定，煤层厚度1.7～2.87m，由西向东逐渐变厚，平均厚2.26m；煤层直接顶为复合顶板，由砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩和11-3煤层组成。顶板相变性较大，顶板支护初始设计未考虑差异性，普遍为3.2节“3-3”交错布置的锚网索支护。,工程概况,5.2工程应用二,支护参数设计,针对顶板岩层赋存特征情况，在进行深入、细致的现场调查与地质力学评估后，根据锚杆支护巷道围岩强化理论，结合工程类比法对1252（1）工作面两巷进行了锚索网支护设计，分别设计了3种支护方案。,分析考虑对于围岩条件复杂的深部回采巷道采用一种支护形式往往造成支护强度过高或过低现象，不具有科学性，因此针对不同顶板条件设计不同支护参数是解决深部回采巷道支护设计的科学化、系统化、定量化的必经途径。,,5.2工程应用二,,支护参数设计,砂岩顶板直覆段的支护。14槽钢组合锚索安装在巷道中部，并位于两根钢带之间。锚索按3-0布置，槽钢长2.6m，每根槽钢上安装3根锚索，槽钢上所有锚索均垂直顶板布置，锚索规格为Φ226300mm；完整泥岩顶板段的支护。锚索按3-3-0交错布置，14槽钢长2.6m，每根槽钢上安装3根锚索，槽钢上所有锚索均垂直顶板布置，锚索规格为Φ227300；砂质泥岩顶板段的支护。锚索按3-3布置，为避免顶板两侧肩窝出现网兜现象，相邻排锚索呈交错布置相邻排左右帮锚索距巷帮距离分别为0.85m，规格为Φ227300mm。3种支护方案锚索间排拒布置如图15所示。,,图15三种不同地段支护方案,,,,,,,,,,,,,,,巷道矿压显现的数值模拟研究,5.2工程应用二,模拟分析处理，得到结论如下巷道开掘后围岩开始变形，距掘进迎头20m的后方巷道围岩变形趋于稳定，此时其顶底移近量96mm、两帮移近量200mm，两帮移近量大于顶底，且变形呈左右对称。工作面回采时，巷道受采动影响变形呈现分区特征工作面前方30m范围为剧烈影响区，3060m为采动明显影响区，60m以外为稳定区。临近工作面时，顶底、两帮移近量分别为225mm、320mm，两帮变形大于顶底，但变形呈非对称趋势，靠工作面侧围岩变形较实体煤侧稍大。其他方案的巷道围岩变形特征基本和方案3相同仅变形量相对较小，虽然巷道随着顶板岩性的软化，位移量明显增加，但即便如此，顶板锚索采用“3-3”交错布置的方案3，其巷道围岩两帮移近率仅为初始断面的12.6，围岩整体变形量在可控范围内。复杂顶板条件下分区段支护不仅满足安全生产要求，也节约了支护成本，实现了经济安全开采。,图16模拟巷道变形素描示意图,支护优化后矿压实测,,5.2工程应用二,,,实测结果除回采期间巷道变形量稍大外，整体规律性和数值模拟结果基本吻合，因此，复杂顶板条件下回采巷道锚网索分段支护参数设计下能满足生产需求。,图17巷道掘进期间围岩变形,图18巷道回采期间围岩变形,,6结语,（1）地应力及围岩力学测试结果表明淮南矿区深部地应力状态总体属于高应力水平；侧压系数均大于1个别矿井达到1.5以上，属于典型的构造应力场型；深部煤巷围岩普遍表现高应力软岩特性；（2）调研淮南矿区深部煤巷矿压显现特征，分析其变形表现为底鼓严重、顶板开裂呈现“W型”垮冒、帮部（靠上帮）出现网兜现象，部分支护体失效；（3）采用UDEC数值模拟分析了口孜东矿111303工作面掘进、回采不同阶段的巷道变形破坏特征，研究发现由于底板无支护并且侧压系数大，开掘后不久便开始底鼓现象，回采期间变形破坏呈现靠回采一侧加剧的现象。（4）提出了淮南矿区深部回采巷道支护思路并进行了工程实践，结果表明巷道围岩变形得到有效控制，满足了工作面安全高效生产需求，取得了较好效果。,谢谢各位专家,,