矿井深部开采围岩控制.pdf

2 0 1 5年第 4期 总第 1 1 5 期 I 夏 占 钍 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T 1 0 N 2 0 1 5年 4月 矿井深部开采围岩控制 李 泽 静 1 ．太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 0 3 0 0 2 4 ；2 ．西山煤电集团公司安监局，山西 太原 0 3 0 0 5 3 摘要 通过了解影响巷道 围岩稳定的因素，分析和提 出几种控制深部 围岩稳定性的理论与方法。同时，指出巷道底 鼓和巷道蠕 变是深部 围岩控 制的两大难题 。 关键词 巷道 围岩 ；应 力转移 ；巷道布置 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 8 0 2 一 2 0 1 5 0 4 0 1 3 5 - 0 2 Sur r o un di ng Ro c k Co nt r o l i n M i n i n g i n De e p M i ne L I Z e j i n fl ’ ， 1 ． C o l l e g e o f Min i n g E n g i n e e r i n g ， T a iy u a n U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， S h a n x i ， C h i n a ； 2 ． S a f e ty S u p e r v i s i o n B u r e a u o f X i s h a n C o a l a n d E le c t r i c i ty Gr o u p ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 3 ， S h a n x i ， Ch i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e d a n d p r o p o s e d s e v e r a l t h e o r i e s a n d me t h o d s f o r c o n t r o l t h e s t a b i l i t y o f d e e p s u r r o u n d i n g r o c k b a s e d o n t h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e f a c t o r s a ff e c t i n g t h e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k o f r o a d wa y s ，a n d the n p o i n t e d o u t t h a t the fl o o r h e a v e a n d d e f o r ma t i o n o f r o a d wa y s a r e t wo p r o b l e ms f o r d e e p s u r r o u n d i n g r o c k c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s s u r r o u n d i n g r o c k o f r o a d wa y ； s t r e s s t r a n s f e r ； r o a d wa y l a y o u t 0 引言 随着矿井开采深度、强度的增加，岩体应力急剧 增加 ，地温升高 ，当岩体应力达到甚至超过岩石抗压 强度时 ，有关岩体力学科学与工程的若干 问题 由量变 逐渐发生质的变化，造成资源开采极端困难，并引发 矿井重大安全事故危险l 生增加 ，严重威胁矿井安全生 产 。巷道维护困难 已成为制约煤矿安全高效开采 的瓶 颈 ，巷道围岩控制是煤矿开采中急待解决的关键问题 之 一 [ 1 】 n 1 影响巷道围岩稳定性的因素 巷道围岩特性 曲线方程式为 [ P i C co up r， 1 【 J ‘ p 0 c c o u p 一 R ， 2 式 1 ～ 式 2 中，R为塑性区半径 ，m；a 为巷道半径 ， m； p o 为原围岩应力，M P a ；p l为支护阻力，M P a ；c 为 收稿日期2 0 1 5 0 1 1 0 作者简介李泽静，1 9 8 2 年生，男，山西原平人，2 0 0 6 年毕业 于太原理工大学计算机科学与技术专业，太原理工大学在读工 程硕士，助理工程师。 岩石内聚力，M P a ； 为岩石内摩擦角；U 0 为巷道周边 位移，m；G 为围岩剪切模量。 由上述公式可得 出，决定巷道 围岩稳定性 的因素 有 a 巷道所在位置的围岩应力P 。 ；b 1围岩力学性能 c 、 、G ；C 支护阻力P ；d 巷道断面形式与尺寸 。 这也是控制巷道围岩变形的主要技术途径。 2 深部巷 道围岩控制的基本途径 2 ． 1 改变巷道围岩的应力状态 随着巷道周边围岩应力增加，巷道表面位移及塑 性区范围会显著增大，降低巷道围岩应力对保持巷道 围岩稳定具有重要作用。其主要技术途径有合理布 置巷道和转移巷道围岩应力。 2 ． 1 ． 1 巷道的布置 深部巷道布置应在时间、空间上减少巷道承受支 承压力的影响，将巷道布置在应力降低区，合理设计 煤柱尺寸 ，同时还应考虑最大水平应力 的影响。巷道 布置时应遵循以下原则 a 空间上尽量避免支承力的强烈影响 、叠加影响 和多次影 响，时间上尽量缩短支承压力影响时间； b 巷道布置在应力降低区或原岩应力区； c 采用无煤柱开采 ，必须留煤柱时在保证煤柱稳 定 的条件下尽可能小 ； d 若需留煤柱保护巷道 ，所 留护巷煤柱尺寸应使 】 3 5 2 0 1 5 年 第4 期 “源与 { I 圭 2 0 1 5 年4 月 巷道不受支承压力影响或影响较小； e 避免在煤柱上、下方布置巷道，合理选择底板 岩巷与煤柱边缘的水平距离及煤层垂直距离； f 在 围岩受采动影响稳定后再掘进巷道 ； g 巷道轴线方 向尽量与最大水平 主应力 方 向平 行 ，避免与之垂直。 2 ． 1 ． 2 巷道 围岩应力转移 煤矿 中巷道维护的主要手段是对巷道进行支护或 对围岩进行加 固，但在有些情况下 ，如巷道受动压影 响、软岩 、深井 、高应力等条件下 ，即使对巷道进行 了支护或加固，巷道维护仍很困难。在此条件下 ，对 巷道进行 围岩应力转移 ，是解决这类巷道难题的主要 技术途径 。 围岩应力转移的基本原理是 在巷道掘进及服务 期 间 ，采用某 种人工方法改变巷道 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，使巷道浅部围岩处于应力降低区中，以 此达到有效维护巷道的 目的翻 。主要技术及特点 a 开槽 孔应力转移技术 。指在巷道顶板、底 板 、两帮或全断面开槽 孔 。作用有 a 在巷道浅 部围岩形成一个应力降低区，为巷道稳定创造有利应 力环境； b 开掘的槽 孔可为围岩膨胀变形提供一 定的变形补偿 ，以减少巷道围岩变形量 。槽 孔尺 寸及开掘位置根据巷道围岩条件及服务时间确定； b 1掘进工作面前方应力转移技术。在高应力作用 下 ，掘进工作 面顶板暴露后十分破碎 、自稳 时 间极 短 、难以支护 ，在掘进工作面向前开槽 孔 ，将高 应力 向槽 孔 前方转移 ，减小掘进工作 面顶板应 力 ，顶板暴露后 比较完整 ，延长 自稳时间，为巷道支 护创造了良好条件 ； c 松动爆破应力转移。其原理与开槽 孔卸压 原理相同，松动爆破主要在巷道底板及两底角进行 ，炮 孔位置 、炮孔深度及装药量是影响松动爆破卸压效果的 主要因素。辅之以注浆还可提高治理巷道底鼓的效果； d 巷道一侧或两侧布置卸压巷 。当巷道位于工作 面采空侧或较大煤柱中时 ，巷道受高应力影响而产生 强烈变形和破坏，此时，如预先在要保护巷道附近开 掘一卸压巷 ，将使高应力集中于远离要保护巷道 的围 岩深部 ；同时，高应力产生的围岩大量变形也将被卸 压巷吸收 ，以牺牲卸压巷的变形破坏来保证要保护巷 道 的围岩稳定 ； e 巷道顶部开掘卸压巷硐 。即通过在巷道上方开 掘卸压巷硐，使巷道围岩应力重新分布，并将巷道周 边集中应力峰值向远离巷道的围岩深部转移 ，从而在 保持巷道周边岩体完整性的前提下使巷道处于应力降 低区内，达到减小巷道变形 、满足生产要求的效果 ； { 巷道底部开掘卸压巷硐。即通过在巷道底板中 1 3 6 开掘卸压巷硐 ，使巷道两帮及底板中的应力重新分 布，并将应力峰值向远离巷道的围岩深部转移，可以 达到减小或消除巷道底鼓，保证巷道满足生产要求； g 开采解放层应力转移 。如果巷道所在煤岩层压 力大 ，巷道难维护 ，同时在该上部或下部存在其它煤 层时 ，可通过预先开采上部或下部煤层 的方法 ，使巷 道所在煤层的高应力在大范围内得到释放，达到保护 巷道 的目的。 2 ． 2 改善围岩力学性能 改善 围岩巷道力学性能主要有两种途径 加 固注 浆和高预紧力、高强及高延伸率锚杆支护。 2 ． 2 ． 1 加 固注浆 加固注浆稳定围岩 的机理 通过注浆 ，浆液 固结 后起到网络骨架作用，提高围岩裂隙面的变形刚度和抗 剪强度 ，转变围岩破坏机制，减小巷道围岩破裂区，同 时还能起到封闭水源和提高锚杆锚 固件的作用。 在实际工程中，还要根据围岩性质选择不同注浆 方式。一般有超前预注浆和滞后注浆 。当围岩 比较松 软 、破碎随掘随冒时 ，可进行超前钻孔注浆 ；滞后注 浆时 ，注浆孔应超过破碎区，一般在2 m左右 ，注浆 压力不超过岩石单轴抗压强度的1 ／ 3 ，最高不超过3 MP a ，时间应在 围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳 定期 不久 。此外 ，还应考 虑注浆材料 的使用及 其性 能，技术上要有保障，经济上要控制成本。通常有水 泥浆液 、化学浆液和高水速凝材料。水泥浆液价格便 宜，在适宜情况下使用效果 比较好 ，但含水率大 、结 石率低，不适用于泥岩等软弱围岩；化学浆液凝结速 度快 、流动性好 、充填饱满 ，适用于凝结破碎 围岩 ， 但价格高 ，在 困难复杂条件下使用较为合理 ；高水速 凝材料价格低 、水灰 比高、适用范围特别广 ，目前在 巷道围岩控制中使用比较多。 2 ． 2 ． 2 高预 紧力 高强 高延伸度锚杆和锚 索支护 通过锚杆支护和锚索支护可以控制锚 固区内和区 外的岩层离层。当锚固体强度随着锚杆支护强度的提 高而达到一定程度时 ，围岩就可以保持稳定。锚杆支 护的3 个关键参数 a 预紧力 。高预紧力在顶板形成压应力 区，且达 到一定程度时 ，可消除顶板拉破坏 ，从而 降低深部巷 道的变形破坏 ； b 支护阻力。锚杆支护阻力可有效增加围压，提 高屈服后的岩石强度 ，阻力越大效果越好 ； O 锚杆长度。可在一定程度上扩大有效锚固区范 围，减少深部巷道锚固区内岩体产生碎涨变形的破碎 区范围。 2 - 3 提高巷道支护阻力 要提高支护阻力需解决以下问题 下转 1 9 2 页 2 0 1 5 年 第 4 期 i { l 与 钍 2 0 1 5 年4 月 6 三软4 ． 5 m 厚煤层综放开采过断层 以任楼矿7 2 1 5 ．作面为例 ，该工作面走 向长6 8 5 1T I ，工作面长1 5 0 m ，煤层厚度为3 ．4 m一 5 - 3 m， 倾角 1 6 。 一1 9 。 。煤质松软，普式系数， 为0 ．9 ～1 ．6 ，采高2 ． 2 m，放煤高2 ．4 m，采放 比为1 1 ． 1 ，放顶煤支架 为 Z F S 4 4 0 0 ／ 1 5 ． 5 ／ 2 7 C 型。直接顶为砂质泥岩，厚0 ．9 m～ 9 ．6 m，单向抗压强度为1 9 ．3 M P a 。直接底为砂质泥 岩 ，厚2 ． 7 n l ，单 向抗压强度为2 5 ． 6 MP a 。是典 型的 三软煤层。 F X 8 断层组共发育 四条断层 ，以F X 8 为 主在工作 面中间，对工作面的回采影响较大。其产状a 1 F X 8 1 6 0 。 ●●●o●o●●●o●● ●o● 争 ●o●o●o●o●o●o●o●0●o●0● 上接 1 3 6页 a 改善支护型钢的性质，发展型钢热处理技术； b 选择合适的型钢断面和改进连接件性能； c 采用拉杆，改善背板，发展架后充填技术，增 加支架的整体稳定性和承载能力； d 根据巷道围岩具体情况，选择或设计合适的架 型，确定合理 的支护参数 。 2 ． 4 优化巷道断面 若巷道断面的尺寸和形状不合理，将会使巷道围 岩应力分布不均匀 ，矿压显现加剧 ，帮部变形增大 ， 甚至出现底鼓等现象。且这些问题会 随着矿井深度增 加而放大 ，使深巷道围岩支护 困难 ，因此 ，需选择合 适的巷道断面尺寸，在深部巷道设计时，根据巷道所 处位置的围岩力学特性 ，对巷道断面及尺寸进行优 化，使巷道围岩处于均匀受压状态，相应的巷内支护 将处于受载较小、均匀承载状态，从而保证巷道围岩 的稳定性 。 3 结语 随着浅层煤炭资源枯竭 ，深部矿井越来越多，矿 井深部围岩控制也越来越困难 。因此 ，有必要对矿井 深部同岩控制理论与技术进行研究。从理论上不断加 大深部围岩控制新技术与新方法的研发，并在实践中 不断加以完善 ，着重研究与解决巷道底鼓和巷道蠕变 l 92 这两大难题 。针对不 同的围岩性质和结构 ，不仅要选 择合理的控制方法 ，还应考虑控制成本问题。 参考文献 [ 1 ] 姜清， 薛学贵． 巷道围岩顶板掘巷应力转移理论的研 究 [ J ] ． 四川建材， 2 0 1 2 9 3 2 3 3 ． [ 2 ] 郭长生． 卸压支护技术在回采巷道中的应用[ J ] ． 煤矿现代 化 ， 2 0 0 5 1 1 5 5 - 5 6 ． 责任编辑高志风 能 源知 识Il} 带带带带带 实施能源管理体系的意义 a 树立良好的社会形象，为国家节能减排做 出贡 献； b 有助于企业能源的节约和合理利用，降低企业 生产经营成本，有利于企业经济效益的增长，在能源 资源价格不断上涨时保持竞争力；C 有利于满足市 场、用户和各相关方的要求 ，减 少信贷和保险机 构的 风险，吸引投资，有利于产品销售和市场开拓；d 有 利于完成国家对企业下达的节能指标；e 有利于获得 国家各类奖励及财税政策支持 ，如国家对节约每吨标 准煤给予组织2 0 0 元～ 2 5 0 元的政 策补贴 ，条件是 组织 必须拥有完善的能源管理体系制度；f 1 有利于企业为 今后开展 的、以此标准为基础的国家能源管理体 系认 证做准备，同时培养企业能源管理方面的人才，为组 织能源管理提供有效保障。