浅析软岩矿井集约化采煤巷道工程优化设计.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 浅析软岩矿井集约化采煤巷道工程优化设计浅析软岩矿井集约化采煤巷道工程优化设计 祁刚 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新（123000） E-mailq06010204 摘摘 要要 介绍了小康煤矿在极软岩中， 针对本矿的煤层赋存状况及自然地质条件围绕极软岩 矿井集约化采煤巷道工程设计优化的问题进行了研究和实践， 满足矿井集约化生产需要。 小 康煤矿不仅在极软岩巷道支护结构设计与施工、 支护材料的选用等方面， 取得较好的技术经 济效果，而且对极软岩矿井巷道设计优化的问题进行了研究，做到了本标兼治，发挥了总体 效果，确保了“一井一面”，实现了高产高效。将系统优化原理用于软岩工程总体设计，优化 解决软岩工程技术难题是行之有效的，是治本之策。它与软岩巷道支护结构设计、施工新工 艺、新材料的选用，彼此相辅相成，能收到良好的经济效益与完好的工程效果。 关键词关键词极软岩；集约化采煤；巷道工程；优化设计 中图分类号中图分类号 TD32 1 矿井概况矿井概况 铁法煤业集团小康煤矿位于辽宁省康平县境内，属于康平煤田，井田东西宽 4.81Km， 南北长 6.03Km，面积为 28.99Km2。1959 年开始勘探，1987 年 7 月建井；1990 年 11 月 15 日移交投产，1992 年达产。年设计生产能力为 150 万 t，核定年生产能力为 260 万 t 的现代 化矿井，设计服务年限 70 a。 原岩最大主应力值为 9.7912.05MPa，倾角为 1.59.6，方位角为 254274，近水平最 大主应力值约为垂直应力值的 1.7 倍。 2008 年 7 月瓦斯鉴定结果是矿井相对瓦斯涌出量为 1.39m3/d.t，矿井绝对瓦斯涌出量 6.305m3/min，属于低瓦斯矿井，按高瓦斯矿井管理；煤层自燃发火期 13 个月，最短 21d， 属于一类容易自燃煤层；煤尘爆炸指数为 41.75，具有强烈爆炸危险性。 小康煤矿采用中央立井单水平上下山开拓， 中央并列式通风方式； 井底车场水平标高为 –399m（深度 482m） ，回风水平标高–398m（深度 481m） 。井下生产实施“一井一面”生产模 式及综放开采技术，煤炭运输实现胶带连续化，主要生产环节实现监视透明化。 2 工程地质条件工程地质条件 2.1 围岩性质围岩性质 小康煤矿开采煤系地层为中生代侏罗纪，煤层属于节理、层理发育的松软岩层，它的变 形特征主要表现为碎胀；煤层顶板为油页岩，以泥质为主，遇水泥化，风化后成为片状，干 后粉碎崩解，不易维护；煤层底板的粉沙岩，泥质胶结，具有遇风、遇水风化、膨胀特征。 岩石物理力学性质见表 2-1。 中国中国科技论文在线科技论文在线 -2- 表 2-1 岩石物理力学性质表 2.2 工程地质条件工程地质条件 ⑴围岩泥质成分含量大，含大量膨胀性粘土矿物，易于风化潮解，水稳定性差，具有强 膨胀性[1]。 巷道位于中生代侏罗系三台子组砂岩段和砾岩段及煤层地层中，岩性以泥质胶结砾岩、 泥质粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤和油页岩为主，泥质含量均较大。围岩中的粘土矿物主要 为伊/蒙混层、伊利石、高岭石和绿泥石。其中，膨胀性和吸水性较强的伊/蒙混层矿物的相 对含量多在 5080， 最高可达 81， 平均可达 64； 其混层比多在 4070， 最大可达 75， 平均为 53。岩样的微结构以层状和片状易于吸水膨胀的结构形式为主。因此，巷道围岩 易于吸水风化，具有较大的可塑性，崩解速度和崩解率均较大，有较强的膨胀性，水稳定性 较差，巷道开挖后，围岩易于吸水风化而使其强度迅速下降。 ⑵围岩强度相对较低 泥质成分含量较高的泥岩、砂质泥岩、煤和油页岩一般层理发育，多为层状结构，单轴 抗压强度多小于 25MPa，强度较低；而泥质成分含量较低的砂岩和砾岩则多为块状结构， 单轴抗压强度多在 3050MPa，强度相对较高。围岩强度低，因而自承能力较差。 ⑶围岩赋存深度大、环境地应力水平高 巷道所处的深度为 500650m，在该深度水平，围岩所受自重应力为 1520MPa，达到 或超过了围岩的软化临界深度和软化临界荷载。 2.3 巷道变形特点巷道变形特点 1）来压迅速，巷道开挖后由于原岩应力重新分布，围岩变形迅速，矿压显现剧烈，回 采巷道掘进时顶、底板移近速度最高值大于 100mm/d，最大时达 300mm/d。 2）流变性显著，巷道掘进或翻修后很长时间不能稳定，变形速度居高不下。 3）对应力扰动极为敏感，相对稳定的巷道一旦受到翻修、卧底以及放炮等扰动，则围 岩变形再次急剧增大。 4）顶底板相对移近量大于两帮移近量，且底鼓十分严重。 5）采动影响范围大，影响强度剧烈，靠近工作面的巷道变形严重，服务期限短；回采 巷道受采动及相邻采空区残余应力的双重影响，巷道变形更为明显，矿压观测表明巷道距 工作面 150m 就已经受到采动影响，20～75m 为变形最严重区间。 容重 含水 率 孔隙 比 孔隙 率 抗 压 强 度 软 化 系 数 坚 固 系 数 抗 拉 强 度 弹性模 量 内 凝 聚 力 内 磨 擦 角 膨胀 应力 膨 胀 率 泊 松 比 d W e n R K f R1E C α δ r μ 岩 石 名 称 Kg/m3 MPa MPa103MPaMPaφMPa 油 页 岩 2433 7.49 0.1049.45 12.7 0.781.00.536.3 2.2826.61.453 24.7 0.12 煤 1363 14.66 0.19816.53 14.2 1.40.645.8 2.3527.2 0.11 粉 砂 岩 2242 2.14 0.15913.75 17.6 0.701.81.308.8 1.5029.60.085 8.9 0.18 中国中国科技论文在线科技论文在线 -3- 3 巷道工程优化设计巷道工程优化设计 小康煤矿的围岩属性及巷道变形特征给巷道支护形式的选择带来非常大的困难， 巷道支 护问题是严重制约小康煤矿安全生产及经济效益的关键性问题。 十几年来， 小康煤矿围绕软岩支护问题进行了一系列的支护攻关活动， 多次派人外出考 察学习，并多次邀请国内外专家、学者来小康煤矿调研与指导；小康煤矿始终没有间断过巷 道支护的改革，进行了从 U 型钢拱形棚到 U 型钢圆形棚，U 型钢棚外喷混凝土、U 型钢棚 内充混凝土（或刹袋）及锚喷支护等多种巷道支护形式的试验，取得了一定的成果，摸索出 比较适合小康煤矿巷道的支护形式； 根据矿压显现规律和巷道不同用途， 选择合理的支护形 式，在很大程度上改善了小康煤矿的巷道状况，保证了生产的正常进行。 小康煤矿不仅在极软岩巷道支护结构设计与施工、 支护材料的选用等方面， 取得较好的 技术经济效果，而且对极软岩矿井巷道设计优化的问题进行了研究，做到了本标兼治，发挥 了总体效果，确保了“一井一面”，实现了高产高效[2]。 3.1 矿井巷道位置选层的优化矿井巷道位置选层的优化 因为小康煤矿井下的岩层是非均质的， 并非所有的岩层都是极软岩的或极难处理的。 在 选定矿井主要巷道开凿位置时，我们尽量选在不含或少含蒙脱石矿均的软岩，选在较完整、 不破碎、单轴饱和抗压强度较高的岩层内。力避在极膨胀、极破碎、极软、强流变的软岩内 开掘主要巷道。如西一采区两条上山及运输中巷，我们选在距煤层底板 1530m 比较稳定的 岩层中，尽管采用半圆拱锚网喷支护，但是从 1997 年元月成巷以来巷道仍保持稳定。 3.2 矿井主要巷道方向的优化矿井主要巷道方向的优化 巷道围岩中重新分布应力与未开挖前应力的比值称为应力集中系数， 是反映围岩应力集 中程度的一个指标。 对于各种形状的巷道， 顶底板的应力集中系数都随着自然应力比值系数 的增大呈线性增加。由于在构造应力作用下，自然应力比值系数大于 1，巷道顶底板重新分 布应力集中程度高，易于破坏和变形；所以，构造应力往往是造成软岩巷道剧烈收敛和底臌 的根本原因。 在小康煤矿条件下， 由于存在构造应力， 当巷道轴线方向垂直构造应力方向时， 圆形、拱形巷道顶底板中点的应力集中系数可分别达到 4.1、5.6，分别是只有重力作用条件 下同形巷道应力集中系数的 1.51.8 倍；当巷道轴线方向平行于构造应力方向时，圆形、拱 形巷道顶底板中点的应力集中系数可分别达到 0.92、1.69；同前者相比巷道顶底板中点的应 力集中系数降低了 3.34.5 倍。为此，我们选定主要巷道布置的方向时，与井田的地质构造、 煤层产状相适应， 与井田地质构造残余主应力方向成小角度相交或平行， 尽量将作用于主要 巷道应力集中系数最小处布置巷道。 3.3 合理增加工作面长度，降低综合掘进率合理增加工作面长度，降低综合掘进率 随着煤炭开采技术的不断发展和采煤机械化程度的不断提高， 回采工作面的月推进度和 单产水平都大幅度提高，所以加大工作面长度势在必行。小康煤矿现生产的南二采区，我们 就是根据具体条件，由原设计的两个采区合并为一个采区布置，将采区上、下山集中布置在 采区的边界，将中巷布置在采区中部，实行两翼倾向仰、俯斜后退式开采。南二采区南翼倾 斜长度达 1600m，北翼倾斜长度达 1200m。很明显，由于采区的合并而减少一套上、下山系 统和两条中巷，可使总工程量减少 10600m，减少投资 5830 万元。 回采工作面长度由原来 150m，逐渐增大，现在达到 278m，最终将达到 300m；由于加 中国中国科技论文在线科技论文在线 -4- 大了工作面长度， 从而增加了工作面连续开采时间， 减少了工作面搬家次数和综放设备的拆 装次数，大大减少了综机安装、拆除费用；同时也降低掘进率。以小康煤矿现正在开采的 S2S2综放面为例，面长为 232m，倾斜长度为 1281m，可采储量为 333 万 t；与以往综放面面 长为 150m，倾斜长度最长为 800m，可采储量一般为 140 万 t 左右相比；前者比后者可减少 一次综放面搬家倒面，仅此一项可节省费用 633 万元（综放面安装费用 415 万元，回撤费用 为 218 万元） ；掘进率由过去一般为 14.5m/万 t 降至 11.4m/万 t，降低了 21.38。 3.4 合理安排采面接续，使接续面不受或少受开采面的采动影响合理安排采面接续，使接续面不受或少受开采面的采动影响 小康煤矿刚开始接续面采取采区内工作面前进式跳采，导致中巷始终受到采动压的影 响；并同时形成“孤岛”式工作面开采的问题，而“孤岛”式开采导致工作面两巷也始终受到采 动压的影响。现在我们采用将中巷送到采区边界，从采区边界进行后退式两翼跳采，即一翼 开采，另一翼进行准备；从而避免了中巷始终受到采动压影响及“孤岛”式工作面开采的问题 [3]。 3.5 改变采煤方法，减少巷道掘进量和巷道的维修费用改变采煤方法，减少巷道掘进量和巷道的维修费用 为了合理地开采厚煤层， 通过考察和收集到的国内外厚煤层开采资料， 针对小康煤矿具 体实际情况，采用综采放顶煤采煤方法；这样不仅提高生产效率，使“一井一面”目标得以实 现，而且减少巷道掘进量和巷道的维修费用；经过认真计算，综放开采比分层综采节省巷道 掘进及维修费用为 10830 元/m。 区段煤柱采用小煤柱 （510m） 开采， 使得靠近采空区侧巷道处于采空区边缘的卸压带。 小康煤矿开始区段煤柱尺寸为 2025m，使得巷道频繁翻修，严重时前掘后翻；采用小煤柱 开采后，巷道状况大为改观，获得了较好的效果，不仅提高回采率，实现了小煤柱开采，而 且使得回风巷处于采空区边缘的卸压带。 对于采区上山和石门以及采区硐室群， 由于布置在 采空区下方，所以不设保护煤柱；对于采区三条中巷我们也不设保护煤柱，采用能布置一个 综放面宽度的煤柱进行保护中巷，待采区开采后布置该综放面进行回采。 3.6 矿井巷道断面几何形状的优化矿井巷道断面几何形状的优化 软岩矿井巷道断面几何形状的选定，既要满足设备布置与安全运行、通风、排水、行人 等综合需要，还要保证围岩及支护承受应力的状态良好，提高围岩自支撑能力。我们对于采 区集中巷道、回采巷道等，在其围岩抗压强度低、流变性大、膨胀性强、地应力大的条件下 采用圆形断面；这是由于圆形的巷道受力状态好，防底臌，便于封闭围岩，收敛值小，能有 效防止围岩原始应力状态恶化；对于开拓巷道、采区上、下山等巷道我们一般采用直墙半圆 拱带底拱断面[4]。 3.7 矿井巷道断面尺寸的优化矿井巷道断面尺寸的优化 软岩巷道断面越大，对围岩产生的塑性扰动范围也越大；在不妨碍巷道使用功能，保证 使用需要与安全的前提下，应尽量缩小软岩巷道断面尺寸。小康煤矿现已统一采用 36Ｕ钢 4.4m 圆形及 4.6m 拱形规格的金属支架，即便于多单位统一选用，又有良好的效果；对于拱 形棚棚腿采用打两排锚杆，使之与围岩成为一体。 3.8 矿井巷道应力集中区的优化矿井巷道应力集中区的优化 软岩巷道在交叉处及曲率变化， 断面大小更迭时多在其处产生集中应力， 为此我们在设 计过程中尽量避免或减少大断面巷道交岔、 直角度交岔或断面直接变换， 做成曲线变换和断 中国中国科技论文在线科技论文在线 -5- 面大小过度变换。 3.9 采区水仓泵房吸水井的设计优化采区水仓泵房吸水井的设计优化 1.工程条件 南二采区水仓泵房吸水井的围岩为泥岩及砂质泥岩，岩石单轴抗压强度 10.521.5Mpa， 围岩中伊/蒙混层矿物含量高达 75，混层比 67，属于ⅠABⅡBDⅢCC型变形力学机制。泵 房系统若按中央水泵房的形式设计的话，那么就需设计一个吸水井、两个配水井，且相距很 近，上与泵房相同，下与配水巷道和水仓相通，巷道立体交叉，形成了一个空间硐室群，空 间效应十分显著，使泵房的围岩产生了较大的变形。若仍按此设计施工，施工过程的工程扰 动力可能导致整个泵房系统的围岩失稳破坏， 使三个小水井之间仅存的岩体遭到破坏， 造成 难以维护的局面。为此，我们对泵房系统的吸水井工程进行了布局和结构优化。 2.优化设计要点 ⑴把一个吸水井、两个配水井合并一个吸水井，见图 1。 ⑵不设配水巷，省略 2 个壁龛。 图 1 泵房吸水井优化设计图 3.优化设计的优点 本项泵房吸水井的优化设计， 是根据软岩非线性问题的基本特点而进行的， 所依据的原 则是简化结构、降低造价、易于支护的方针，其优点可归结为以下几个方面[5] .① 减少了工程量，节省了投资。经统计，本项设计可节省 30m 井巷工程，约可节约 30 万元投资，经济效益是明显的。 .② 减少了巷道密度，围岩中的应力集中程度减少，相应减少或部分消除了空间效应。 .③ 减少了各工程施工时的相互扰动和影响。 .④ 吸水井采用圆形，是一个稳定结构，受力状态良好。 .⑤ 实践证明，优化后的一个吸水井具有同中央水泵房三个小井同样的吸、排水功能， 清理、配水十分方便。 本项设计突破了传统的泵房系统布局的框框， 是一个创新； 在煤矿设计中具有推广应用 的价值。 3.10 采区运输石门与运输中巷联接的设计优化采区运输石门与运输中巷联接的设计优化 在南二采区设计中，在设计运输石门与运输中巷时，进行了布局和结构优化，取消采区 煤仓；使运输石门与运输中巷直接相联，从而简化了生产系统。 优化设计的优点 中国中国科技论文在线科技论文在线 -6- 本项目的优化设计， 是根据软岩非线性问题的基本特点而进行的， 所依据的原则是简化 结构、降低造价、易于支护的方针，其优点可归结为以下几个方面 .① 减少了工程量，节省了投资。经统计，本项设计可节省 40m 井巷工程（煤仓及上风 眼） ，约可节约 40 万元投资，经济效益是明显的。 .② 减少了巷道密度，围岩中的应力集中程度减少，相应减少或部分消除了空间效应。 .③ 减少了各工程施工时的相互扰动和影响。 .④ 彻底根除采区煤仓维护及堵仓的问题。 .⑤ 本项目实施后，对于胶带运输机实行集中控制创造了有利条件。 4 结束语结束语 小康煤矿通过十几年来巷道支护改革和巷道工程优化设计， 使极软岩巷道的状态有了很 大的改善，截止 2008 年末，小康煤矿巷道总长度为 28888m，巷道失修长度为 490m，严重 失修长度为 185m，失修率为 1.70，严重失修率仅为 0.64；取得了较好的效果。 小康煤矿井下巷道工程实践证明 将系统优化原理用于软岩工程总体设计， 优化解决软 岩工程技术难题是行之有效的，是治本之策。它与软岩巷道支护结构设计、施工新工艺、新 材料的选用，彼此相辅相成，能收到良好的经济效益与完好的工程效果。对于充实软岩工程 理论、完善施工实践将产生深远影响。 参考文献参考文献 [1]康洪普,王金华. 煤巷锚杆支护理论与成套技术[M ]. 北京煤炭工业出版社, 2007, 11. [2]蔡美峰,何满朝. 岩石力学与工程[M ]. 北京 科学出版社,2004, 12. [3]汪伟,韩磊. 基于 UDEC 数值模拟的巷道断面形状优化设计[ J ]. 煤炭工程, 2007, 12. [4]吕爱钟. 高地应力区地下硐室断面形状的选择方法[ J ]. 煤炭学报, 1997, 10. [5]邢福康,蔡坫等. 煤矿支护手册[M ]. 北京煤炭工业出版社, 1991, 12. Analysis of intensive coal mine tunnel in soft rock engineering optimum design Qi Gang Department of Resources and Environmental Engineering, Liaoning Technology University, Fuxin Liaoning, PRC123000 Abstract This paper introduces a well-off in a very soft rock in coal mines, coal mines for the occurrence of this situation and the natural geological conditions, a very soft rock surrounding the coal mine tunnel intensive engineering design optimization problems of research and practice to meet the needs of mine intensive production . Well mine is not only in a very soft rock roadway structural design and construction of supporting the selection of materials, etc., to achieve better technical and economic results, but also a very soft rock mine roadway design optimization problems have been studied, so that this standard Kaneharu played a total effect, ensuring “a well side“ to achieve a high production and efficiency. Principle of the system optimization for soft rock engineering the overall design, optimized to solve technical problems of soft rock engineering is effective, is solve the problem. It is with the soft rock roadway structural design, construction, new technology, new materials selection, complement each other, to receive the economic benefits of good works and good results. Keywords very soft rock; Intensive mining; Roadway Engineering; Optimization 中国中国科技论文在线科技论文在线