巷旁开掘卸压巷技术研究与应用.pdf

第 2 3 卷 第 3期 2 0 0 6年 9月 采 矿与安 全 工程学 报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo1 ．2 3 No．3 S e p． 2 0 06 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 6 0 3 0 3 2 9 0 4 巷旁开掘卸压巷技术研究与应用 鲁 岩 ，邹喜正 ，刘长友 ，邢 士军 1 ．中国矿 业大学 能源与安全工程学院 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．兖州煤业 集团 兴隆庄煤矿 ，山东 兖州 2 7 2 1 0 0 摘 要 为 了安全 高效的进 行 地 下煤 炭 资源 的开采 ， 根 据巷 旁卸 压基本 原理 ， 结合 兖 州矿 区兴 隆 庄 煤矿 4 3 2 4孤 岛工作面的实际地质情况 ， 采用理论计算方法， 确定卸压巷的合理位置． 然后建立数 值分析模 型， 模拟 大煤柱 中卸压巷开掘前后， 运巷的变形情况及其周 围的应 力分布状 态． 在现场 回采过 程 中 ， 采 用收 敛 法分别 实测 有无 卸压 巷段 的运巷 表 面位 移 ， 采 用 KS E I1 1型 钻孔 应 力 计 分别实测有无卸压巷段的运巷周边应力分布状态． 结果表明， 卸压巷的开掘， 既减 小了运巷的表 面位移量， 又转移了运巷周围的集 中应力， 改善了运巷的稳定性 ， 有利 于回采巷道的维护． 关 键词 卸压巷 ；应 力分 布 ； 数 值模 型 ； 煤 柱 中图分 类 号 TD 3 2 2 ． 5 文 献标 识码 A Te c hn o l o gy o f Di g g i n g St r e s s Re l a x Ent r y b y t h e Ro a d s i d e a n d I t s Ap p l i c a t i o n L U Ya n ，Z OU Xi z h e n g ，L I U Ch a n g y o u ，XI NG S h i j u n 1 ．S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g ＆ ． Te c h n o l o g y ，Xu z h o u， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．Xi n g l o n g z h u a n g Mi n e ，Ya n z h o u C o a l Gr o u p ，Ya n z h o u ，S h a n d o n g 2 7 2 1 O 0，Ch i n a Abs t r a c t Ba s e d on t he t h e o r y o f s t r e s s r e l a x i ng b y t h e r oa ds i d e a nd on t h e g e ol og i c a l s i t u a t i on o f No ． 43 2 4 wo r ki ng f a c e i n Xi n gl o ng z h ua n g c oa l m i ne o f Ya n z h o u m i ni ng a r e a，t he r e a s on a bl e p os i t i on o f s t r e s s r e l a x i ng e nt r y wa s d e t e r m i n e d i n or d e r t o e xpl oi t t h e c oa l r e s ou r c e s a f e l y a n d e f f i c i e nt l y ． Th e n a n ume r i c a na l y t i c mod e l wa s s e t up t o s i m u l a t e t h e di s t o r t i o n o f t he he a d e n t r y s ur f a c e a nd t he s t r e s s di s t r i bu t i on a r ou nd t h e he a de n t r y b e f or e a nd a f t e r d i g gi n g t h e s t r e s s r e l a x i n g e nt r y i n h ug e c oa l pi l l a r ． I n t h e pr o c e s s of c o al e x t r a c t i o n，t he c on v e r ge n c e m e t ho d wa s u s e d t o m e a s u r e t he s ur f a c e d i s p l a c e me nt o f t h e he a de nt r y wi t h o r wi t h ou t a ny s t r e s s ‘ r e l a - x i n g e n t r y ．An d t h e d e v i c e KS E 一 1 I 一 1 b o r e s t r e s s me t e r wa s u s e d t o me a s u r e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i on o f t he he a de nt r y wi t h o r wi t h ou t s t r e s s r e l a xi n g e nt r y ． Th e r e s ul t s s h o w t ha t t he s t r e s s r e l a x i ng e nt r y n ot o nl y d e c r e a s e s t he s ur f a c e d i s p l a c e m e nt o f t he he a de nt r y，bu t a l s o t r a n s f e r s t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i on a r o und t he h e a d e n t r y，t hus t he s t a bi l i t y of t h e he a de n t r y i S i mpr o v e d， ma ki n g t he e n t r y m u c h e a s i e r t o be ma i nt a i ne d． Ke y wo r ds s t r e s s r e l a x e n t r y；s t r e s s d i s t r i but i o n；nu me r i c a l s i m u l a t i o n；c o a l pi l l a r 处 于应力 集 中区 的巷 道 ， 巷道 变 形 量 大 ， 难 于 维护 ， 可 以采用 巷 道基 角深 孔爆破 卸 压来 改变 围岩 应力状态⋯． 随着开采深度的增加 ， 岩体 中应力逐 渐增大 ， 岩爆发生的机率越来越大， 采用 卸压技术 有效的控制地下岩爆的发生 ． 回采巷道由于围岩 强度较 低 ， 并且 受 到采动 影 响 ， 巷道 稳定 性较 差 ， 结 合卸压和支护的维护原则 ， 探讨围岩蠕变卸压支护 方式 的原 理及 卸压 支护参 数 的确定 ， 取 得很 好 的效 收稿 日期 2 0 0 60 31 2 作者简介 鲁岩 1 9 8 0 一 ， 男 ， 江苏省徐州市人， 博士， 从事矿山压力方 面研究 E - ma i l l uy a n c u mt g z 1 2 6 ． c o m Te l 1 3 7 7 5 9 8 7 01 8 维普资讯 3 3 0 采矿与安全工程学报 第 2 3卷 果L 3 j ． 回采过程 中由于采掘接续 和集 中生产 等原 因， 可能形成“ 孤 岛” 工作面l_ 4 ] ． 在采空 区侧 向支承 应力的作用下 ， “ 孤岛” 工作面上方将形成马鞍形的 应力分布． 当巷道受到采动影响时， 支承压力峰值 重 叠在 一起 ， 巷道 围岩破碎 、 变形 大 ； 综放 开采 条件 下 ， 巷道变形更为严重l_ s ] ． 孤岛综放面运输巷传统 的护巷方式 a ．留小煤柱沿空掘巷 ； b ．留大煤柱 将巷道 布 置在应 力 正常 区． 两 种方式 前 者不 能有效 的控制巷道 围岩变形 ， 确保 高产高效工作面运煤系 统通 畅 ； 后 者损 失 大量 的煤炭 资 源 。 j ． 本 文针 对 上 述问题， 在兖州矿区兴隆庄煤矿采用巷旁开掘卸压 巷技 术进 行工 程实 践． 1 巷道一侧 开掘 卸压 巷卸压 的原理 在 巷 道靠 近采 空 区一 侧 的护 巷煤 柱 中与巷 道 隔一定距 离 掘一条 卸 压巷道 ， 将 原来 的一个 较 大 的 煤柱分成两个小煤柱 ， 使得采空区的支承压力主要 由靠 近采空 区 的承载 煤柱 承担 ， 而靠 近巷 道 的煤柱 承担较小的压力， 实际上使回采巷道处于低应力区 内． 同时承载煤柱在高应力作用下产生的大量变形 也可被卸压巷道 的空间所吸收 ， 从而使 回采巷道受 到保护而不致产生大量变形． 巷道周围的应力将发 生变 化 ， 如 图 1所示 }_ 8 ] ． 图 1卸压巷布置及应力分布 Fi g．1 The pl a c e me nt a n d s t r e s s d i s t r i but i o n o f s t r e s s - e l ax e nt r y 卸压巷能否取得预期的理想效果 ， 关键在于合 理选取 3个基本参数 即卸 压巷 的宽度 d ， 支承煤 柱 的宽度 L ， 及让 压煤 柱 的宽度 L ] ． 卸压 巷道 应 具有足够 的空间吸收支承煤柱的变形量 ， 支承煤柱 应保持一定的稳定程度 ， 让压煤柱侧向变形较大． 实践证明， 卸压巷可将被保护巷道的围岩变形量吸 收 7 O ～9 O ， 从 而将被保护巷道 的围岩收敛量 限制在允许范 围内， 并将煤柱护巷 时的煤损减少 1 ／ 2 ～3 ／ 4 ， 对 于易底 鼓 的煤 层 巷道更 为有 效． 2 巷旁开掘卸压巷工程 实践 2 ． 1 地质和开采技术条件 兴隆庄 4 3 2 4 综放面位于四采区下部 ， 其上、 下 方分别为 4 3 2 2 ， 4 3 2 6综放面 ， 都已 回采完毕． 工作 面 煤层 顶底 板地 质特 征如 表 1所示． 表 1 煤层顶底板状况表 Ta bl e 1 St a t u s t a b l e o f c oa l s e a l n r o of a nd no o r 工作 面长 2 7 8 ． 5 7 m， 推 进 长 1 5 8 9 m． 煤 层 平 均厚 8 ． 0 m， 埋深 4 7 9 ． 8 3 9 7 ． 2 m， 平 均 4 5 0 m， 倾 角 3 。 ～8 。 ， 平均 7 。 ， 煤质稳定 ， 硬度中硬， 普氏硬度 为 1 ～3 ， 属 中变质气煤 ， 为高硫低灰分 ， 平均密度 为 1 ． 3 t ／ m。 ． 煤 层瓦斯含量低 ， 煤尘有爆 炸危险 ， 煤层有 自燃发火倾 向， 发火期 3 ～6 个月_ I ． 2 ． 2回采 工作 面巷道 布 置 兴 隆 庄 矿综 放 开 采 条 件下 沿 空 巷 道变 形 以两 帮的移近量为主， 一般是顶底移近量的 2倍 ； 在顶 底移近量中底臌量大于顶板下沉量． 回采影响期间 两帮 移 近 量 9 5 0 ～ 1 4 2 0 mm， 顶 底 移 近 量 5 2 0 ～ 6 9 5 mm． 为此 ， 4 3 2 4综放面风巷沿空掘进 ， 留设保 护煤柱 2 ～7 m， 为减少两帮移近量， 确保高产高效 采 面运 煤 系统通 畅 ， 运 巷 护 巷煤 柱 2 0 m． 同 时 ， 在 巷道一侧利用已有巷道作为卸压巷减少顶底移近 量 ， 如 图 2 ． 暑 卜 图 2 工作 面巷道布 置平 面图 Fi g ．2 Pl a n o f r o a dwa y p l a c e me n t a r o un d wor ki n g f a c e 维普资讯 第 3 期 鲁 岩等 巷旁开掘卸压巷技术研究 与应 用 运 巷为 梯形 巷 道 ， 底 宽 5 0 0 0 mm， 顶 宽 4 0 0 0 mm， 高 3 5 0 0 0 mm． 巷道采用锚网、 锚索联合支护， 巷道顶部采用 6根 2 2 mm2 4 5 0 mm T型螺帽 型单向左旋无纵 筋螺纹钢树脂 锚杆、 金 属网配合 GT M 型钢带 长 4 m ， 2根 8 ． 0 m 长锚索进行联 合支护； 两帮各采用 4根 ,／, 2 0 mm1 8 0 0 mm单向 左旋无纵筋螺纹钢树脂 锚杆、 金属 网进 行联合支 护． 2 ． 3 卸压巷布置参数 2 ． 3 ． 1 卸压巷 宽度 的选取 d S W／ 2 M ， 式 中 S为运 巷 的掘进 面 积 ， S 一 1 5 ． 7 5 m ； W 为无 卸压 巷时 巷道 断面 收缩率 ， 一 般为 5 0 ； M 为 卸压 巷高度 ， 根据综掘机 ， 确定为 2 ． 7 m． 计算 得卸 压巷 的最 小 宽 度 d为 1 ． 4 6 m， 为施 工方 便取 3 m． 2 ． 3 ． 2 让压煤 柱 的选取 让压煤柱上的总荷载 P L。 y H， 式中 L 为加载带的宽度 ， 由图 1可知 ， L 一 0 ． 5 b L ／ 2 ； b为运 巷 的 宽度 ， 取 4 ． 5 m； y为 上 覆 岩层 容重 ， 为 2 5 k N／ m。 ； H 为巷 道埋深 ， 为 4 5 0 m． 让压煤柱能够承受的极限荷载为 Q L R L ／ M 2 ／ 3， 式 中 R为让压煤柱的极限抗压强度 ， 为 1 0 MP a ． 工作 面超前支承压力集中系数 k 一3 ， 使 是 P Q 即可得 到极 限让 压煤 柱 宽 度 L 一1 0 ． 7 4 8 m， 取 1 1 m ． 2 ． 3 ． 3 支承煤柱的选取 Lu L ／ M 1 ． 5 R K L y H c 。 t L y H ， 式 中 K 为煤柱受载系数 ， 取为 1 ． 2 ； 为岩层移动 角 ， 为 7 5 。 ． 代人数据计算得 L 一8 ． 5 4 3 m， 取 9 m． 3数值 模拟分析 根据原始地质资料及以上计算的煤柱尺寸 ， 建 立数值分析模型， 见图 3 ． q I l l I I I I I I I I l 彦一； 图 3 数 值分 析模 型 F i g ． 3 Th e mo d e l o f n u me r i c a l a n a l y s i s 本模型采用 UD E C数值计算 软件进 行模 拟， UDEC Un i v e r s a l Di s t i n c t El e me n t C o d e 是 一 种 基于非连续体模拟离散单元法的数值计算程序． 它 主要模拟静载或动载条件下非连续介质 如节理块 体 的力学行为特征 ， 通过离散块体的组合来反映 非连续介质， 节理被 当作 块体间的边界条件来 处 理 ， 允许块体沿节理 面运动及 回转． 能较好地适应 不 同岩性和不同开挖条件下岩层运动的需要 ， 是 目 前模拟破碎岩体变形过程较为理想的数值模拟软 件l 】 ． 此模型主要模拟运巷在卸压巷开掘前后 ， 巷 道顶板下沉量、 底鼓量 、 煤体侧帮移近量t- 帮 ， 沿 空侧 帮移 近量 下 帮 ， 以及 巷道 周 围的应力 分布状 况． 通过计算机数值模拟计算， 得到如表 2的运巷 表 面位 移 量和 图 4的巷道 周 围的应力 分布 ． 表 2 运巷表面位移模拟结果 Ta b l e 2 Si mul a t i on r e s u l t of t h e h e a d e nt r y s ur f a c e d i s pl a c e me nt mm 一 一 a 未开卸压巷 b 已开卸压巷 图 4 运巷周围应力及塑性区分布 Fi g ． 4 Th e s t r e s s a n d p l a s t i c z o n e d i s t r i but i o n a r ou nd h e a de n t r y 从数值模拟的结果可看 出， 布置卸压巷后 ， 运 巷的顶板下沉量减少 3 2 ． 3 9 ， 6 ， 底鼓量减少 4 1 ． 3 9 ， 6 ， 上帮位移量减少 3 3 ． 3 ， 下帮位移量减少 2 9 ． 7 ． 运 巷周 围 的最 大应 力 由原 先 的 2 5 MP a减 小 到 1 0 MP a 左右 ， 而承压煤柱上的压力急剧增加 ， 达到了 2 7 MP a 左 右 ． 卸 压 巷 的布 置起 到 了明 显 的 效 果 ， 运巷的表面位移量显著减少 ， 周围应力 同样减小． 运 巷 周围 的应力集 中得 到转 移 ， 使 运 巷易于 维护 ． 4现场实测结果及分析 现场主要进行了运巷表面位移和围岩压力 ， 卸 压巷 的 围岩 压 力 的观 测． 在 4 3 2 2面布 置 卸压 巷 段 和未 布置 卸压巷 段 布 置 围岩 变 形 观 测站 进 行 观 测 比较 ， 运巷实测高度 如图 5所示， 运巷平均表面位 移量 如表 3所 示． 大 煤柱 维护 巷道 的 围岩 应力 实测 在 4 3 2 4综放 面运 巷和卸压巷 中进行 ， 采用 K S E 一 Ⅱ一 1型钻孔应力计进行实测． 实测结果如图 6 ． 维普资讯 3 3 2 采矿 与安 全工 程学 报 第 2 3 卷 2 ．5 口 2 ．0 O 无卸压巷段十一有卸压巷段 图 5各测站实测巷道高度 Fi g． 5 Th e r e a l he i ght o f r o a d wa y 表 3实 测 巷 道 表 面 位 移 Ta bl e 3 The r e a l r o a dwa y s u r f a c e di s pl a c e me nt m m 霎萼L二二二 霎 0一 霎琴25一 三--,,- 1 m 1 2 3 4 5 6 7 距煤壁距离／ m a 煤柱侧 无卸压巷 1 2 3 4 5 6 7 距煤壁距离／ m b i l J E 煤柱有卸压巷下帮 1 2 3 4 5 6 7 眶煤壁眶离／ m c 承载煤柱有卸压巷下帮 图 6 运巷周 围应力分布 Fi g． 6 The s t r e s s d i s t r i but i o n a r ou nd he a de n t r y 根据 现场 实 测 的数 据 ， 布 置 卸 压 巷后 ， 运 巷 的 顶板 下沉 量 减少 2 7 ． 6 ， 底 鼓 量 减 少 3 7 ． 0 ， 上 、 下帮位移量分别减少为 4 9 ． 2 ， 4 5 ． 8 ． 运巷周围 的最 大应 力 由原先 的 2 3 ． 7 MP a减 小到 8 ． 7 MP a ， 而 承压煤 柱上 的压 力 达 到 了 2 3 ． 7 MP a ． 孤 岛 工作 面前方未采煤体内的应力随着距 工作面的距离增 加先 增 加后减 小 ， 直 到 原 岩应 力 ； 孤 岛工 作 面 内应 力 随着距 运 巷的距 离加 大先 增加 后减 小 ， 在 孤 岛工 作 面周 围形 成一 个 明显 的 马鞍 型的应 力分 布状 态． 5 结 论 通过以上数值模拟和现场实测结果分析， 可知 孤岛工 作 面运巷 一侧 布置 卸压 巷后 有 以下 结论 ． 1 运 巷 的表 面位移 量 明显减 少． 2 运 巷周 围的应力 集 中转移 到 了支 承 煤柱 之 上 ， 运 巷周 围 的最 大应 力减 少 到原先 的一半 左 右． 3 运 巷 的 稳 定性 得 到 极 大 改 善 ， 既 减 少 了支 护成本 ， 又使运巷维护状况得到极大的改善 ， 易于 安全高效生产． 巷道卸压技术在兴隆庄煤矿 4 3 2 4面的成功应 用 ， 为高应 力及 应 力集 中区 的巷道 布置 和维护 提供 了一 条有 益方 法． 参 考文献 [ 1 ] 吕 渊 ， 徐颖．深井软岩大巷深孔 爆破卸压机 理及 工程应用 [ J ] ．煤矿爆破 ， 2 0 0 5 4 3 0 3 3 ． I V Yu a n，XU Yi n g． Di s c us s i ons o n t h e me c h a ni s m o f d e e p h o l e b l a s t i n g d e s t r e s s i n g f o r s o f t r o c k i n d e e p mi n e a n d a p p l i c a t i o n i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e[ J ] ． C o a l mi n e Bl a s t i n g ，2 0 0 5 4 3 0 3 3 ． E 2 3 王御字 ， 李学 锋 ， 李 向东．深 部高应 力 区卸 压开采 研 究[ J ] ．矿冶工程 ， 2 0 0 5 ， 2 5 4 4 - 7 ． W ANG Yu y u， LI Xue - f e ng，LI Xi a ng - d ong ． St udy [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] o n s t r e s s r e l i e f me a s u r e s i n h i g h s t r e s s z on e o f de e p d e p o s i t [ J ] ．Mi n i n g a n d Me t a l l u r g i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 2 5 4 4 - 7 ． 贾宝 山， 解茂 昭， 章庆丰 ， 等．卸压支护技 术在煤巷 支 护 中的应用[ J ] ．岩石 力学 与工程学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 1 1 6 1 20 ． J I A B a o - s h a n．XI E Ma o z h a o 。ZHANG Qi n g f e n g， e t a 1 ．Ap pl i c at i o n o f p r e s s ur e - r e l i e f s u pp or t t e c hn i q u e t o c o a l r o a d wa y [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g，2 0 0 5， 2 4 1 1 1 6 1 2 O ． 徐永圻．采矿 学[ M] ．徐 州 中 国矿业 大学 出版社 ， 2 0 03 ． 阴宁宝 ， 杨锐 明， 冯 泽斌．“ 孤岛” 综 放工作 面矿压 显 现与控制[ J ] ．煤 ， 2 0 0 5 ， 1 4 1 3 - 5 ． YI N Ni n K ba o， YANG Rui- mi ng， FENG Ze - bi n， St r a t a be ha v i or s a n d c ont r o l of “I s ol a t e d I s l a nd” w o r k f a c e [ J ] ．C o a l ，2 0 0 5 ， 1 4 1 3 - 5 ． 张耀荣 ， 高慧 ， 高进 ， 等．影响护巷煤柱宽 度的 因 素分析[ J ] ．煤 ， 2 0 0 1 ， 1 0 1 一 1 3 ． ZHANG Ya o - r o n g，GAO Hu i ，GAO J i n，e t a 1 ．A na l ys i s on f a c t or o f i n f l u e nc i ng wi dt h of c ha i n pi l l a r _ J ] ．C o a l ， 2 0 0 1 ， 1 0 1 1 1 1 3 ． 贾光胜 ， 康立 军．综放开采采准巷道护巷 煤柱稳定性 研究[ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 2 ， 2 7 1 7 - 1 0 ． J I A Gu a n g - s h e n g，KANG Lb j u n ．S t u d y o n t h e c h a i n p i l l a r s t a bi l i t y o f t h e d e ve l op i n g e nt r y i n l o ngwa l l t o p- c o a l mi n i n g [ J 3 ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 2 ， 2 7 1 7 - 1 0 ． 下转 第 3 3 6页 维普资讯 3 3 6 采矿与安全工程学报 第 2 3卷 上接 第 3 3 2页 E 8 ] 钱呜高 ， 石平 五．矿山压力与岩层控制E M] ．徐州 中 规律及其控制研究 [ D ] ．徐州 中国矿业大学能源 与 国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 安全 工程学 院， 2 0 0 4 ． 1- 9 ] 陈炎光 ， 陆士 良．中国煤矿巷道 围岩控制[ M] ．徐州 [ 1 1 ] I t a s c a C o n s u l t i n g Gr o u p I n c ． ．Un i v e r s a l d i s t i n c t e l e 一 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 4 ． m e n t c o d e E R] ．Mi n n e s o t a I t a s c a C o n s u l t i n g Gr o u p [ 1 O ] 郭永峰．超长孤 岛综采面 大煤 柱维护巷 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