矿井深部开采沿空巷道的围岩控制技术研究.pdf

油田、矿山、电力设备管理与技术 S u r r o u n d i n g r o c k c o n t r o l t e c h n i q u e o f F u l l y - me c h a n i z e d To p c o a l C a v i n g Go b -- s i d e E n t r y i n De e p Co v e r 苗润田’ 周松江 1 ． 山西潞安集团左权五里堠煤业公司 山西晋 中 0 3 2 6 0 0 ； 2 ． 中国矿业大学矿业工程学院 江苏徐,／ t {2 2 1 0 0 8 MI A O r u n ． d a n Z H O U s o n g d i a n g ／ 1 ,W u l i h o u Mi n e Co mp a n y ， L u ’a n Gr o u p ， J i n z h o n g ， 0 3 2 6 0 0 Ch i n a ；2 ． c o l l e g e o f M i n i n g E n g i n e e n r i n g， C UMT ， Xu z h o u, J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 C h i n a 摘要 针对深部综放沿空巷道围岩稳 陆差、 变形大、 难支护的特点， 通过理论分析、 数值模拟和现场实验等方法， 从巷道支护方式和巷道断面 优化两方面讨论了 深部综放沿空巷道的控制技术。 研究结果表明 直墙半圆拱形断面、 锚梁网索联合支护方式能够较好的控制深部综放沿空 巷道围 岩， 减少 巷道围岩变形， 增强其穗 性。 关键词 深部综放沿空巷道 半圆拱形 锚网索联合支护 断面 优化 A b s t r a c t B a s e do nt h e s u r r o u n d i n g r o c kf e a t u r e s o f f u l l y - me c h a n i z e dt o p c o a l c a v i n g g o b - s id ee n try in d e e pc o v e r , s u c h a s wo r s e s t a b i l i t y ， l a r g e r d e f o r ma t i o n an d d i f fi c u l t t o s u p p o r t ． the s u p p o rt t y p e an d e n t r y s e c ti o n s h a p e h a v e b e e n s t u d i e d to c o n t r o l the f u l l y - me c h a n i z e d top c o al c a v i n g g o b s i d e e n t r y ． Re s u l t s h o wstha t bo l t - p i l l ar- me s h - ca b l e s u p po r t t y p ea nd s e mi - c i r c l esec t i o n a I ee f f e c tiv et oc o n t r o l t h e s ur r o un di n g r o c ko f f u l l y - me c h a n i z ed t o p c o a l c a v i n g g o b- s i d e e n t r y , b ec a u s e t h o s e c a n o b v i o us ly de c r e a s e t h e a mo u nt of d e f o r ma tio n and i n c rea s e the s t a b i l i t y ． Ke y wo r d s f ul l y - me c h a n i z e dt o p c o a l c a vi n gg o b s i d ee n t r yi nd e e pc o v e r S e mi - c i r c l e s e c ti o nb o l t - me s h - a n c bo r s u pp o r t s ec ti on s ha p eo p ti mi z a ti o n 1 ． 引言 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大， 我国矿山相 继进入深部开采。目 前， 我国煤矿开采深度以每年8 -1 2 m的速度增 加， 而东部矿井更以每年1 0 - 2 5 m的速度增加， 预计未来2 0 年， 我国 很多煤矿将进入1 0 0 0 m-1 5 0 0 m的深度开采。 另一方面， 我国已探明 煤炭资源埋深在1 0 0 0 m以下的储量为2 ．9 5 万亿吨， 约占煤炭资源总 量的5 3 ％， 因此， 现在及未来一段时间内， 我国煤矿开采将逐渐转入 深部开采。 由于深部岩体所处的地球物理环境及其应力场的复杂性， 在浅 部开采基础上发展起来的传统支护理论、 支护参数已难以适应深部 巷道支护设计和实践的需要。 深部综放沿空巷道， 作为一类较特殊 的回采巷道， 与普通的回采巷道相比， 具有以下特点 1 综放沿空巷 道布置在靠近采空区的煤体中， 巷道围岩结构破碎 ， 在掘进和回采 过程中， 巷道将发生较大的变形； 2 对于综放沿空巷道而言， 由于巷 道上方为顶煤， 上覆岩层运动波及的范围及影响程度相应地增大， 回 采过程中的矿压显现将更加剧烈； 3 综放工作面年产量多在1 0 0 万t 左右， 开采强度大， 机械设备体积较大， 且所需风量剧增， 这就要求 巷道具有较大的断面； 4 深部综放沿空巷道埋深大， 地应力相对较 大。由于以上原因， 深部综放沿空巷道围岩的稳定性及其控制一直 是采矿领域中的研究热点和难点。 本文主要从支护方式与参数、 巷 道断面优化等方面讨论深部综放沿空巷道围岩的控制技术。 2 ． 综放沿空巷道断面的优化 由于施工简单， 易于成型等优点， 矩形和梯形断面形状是目 前 国内综放沿空煤巷的主要断面形状。 但根据弹性力学、 岩石力学知 道， 这两种巷道断面都容易在4 个拐角处产生应力集中， 不利于巷道 围岩的稳定性。 直墙半 圆拱形断面具有易于巷道顶板稳定、 易于施 工等优点， 目 前已经成为岩石巷道的主要形式； 但由于半圆拱形巷道 施工较复杂， 不易成型等缺点， 在煤巷中很少应用。 由于深部综放沿 空巷道的特殊性， 尤其是综合机械化掘进易于完成直墙半圆拱形断 面的开挖 ， 因此， 直墙半圆拱形断面可优先应用于综掘施工的深部 综放沿空巷道中。 下面将通过数值计算件模拟这两种断面对浅部、 深部巷道围岩， 特别是对深部综放沿空巷道顶部煤岩体稳定性的影 响。 2 ． 1 计算模型和方案 模拟以某矿9 3 0 2 S 作面上顺槽地质情况为背景， 9 3 0 2 S E 面上 巷为综放沿空巷道， 煤层厚度平均为5 ． 2 m。 为了比较深埋与浅埋两 种情况下巷道断面对围岩应力应变的影响， 模拟埋深按3 0 0 m、 6 0 0 m 两种情 ．计算。 模拟巷道断面为矩形和直墙半圆拱形两种， 主要参数如下 1 矩形断面为4 ． 0 m 宽 3 ． O m 高 l 2 直墙半圆拱形断面宽4 ． 0 m, 高3 ．0 m， 其中墙高1 ． 0 m 。 根据模拟结果， 对比矩形、 半圆拱形巷道在埋深3 0 0 m、 6 0 0 m 情 况下的应力应变分布特征， 可以找到适合于深部综放沿空巷道围岩 控制的巷道断面形式。 2 7 8 C h i n a S c i e n c e T e c h n o l o g y O v e r v i e w 2 I2两种断面巷道的围岩应力位移的比较 图1 为埋深3 0 0 m、 图2 为埋深6 0 0 m条件下的矩形巷道、 直墙半 圆拱巷遭在掘进稳定期间的垂直应力等值线图， 图中应力单位为 M Pa 。 a 矩形巷道3 0 0 m埋深 b 半圆拱形巷道3 0 0 m 埋深 图1 埋深3 0 0 m巷道围岩垂直应力等值线图 a R e c t a n g le s e c t io n e n t r y 3 0 0 m c o v e r e d b S e mi c i r c l e s e c t ion en t r y 300 m c o v er ed F ig 1 T h e v e r t ic a l s t res s e q u iv a le n c e l in e o f e n t r y s u r r o u n d in g r o c k 3O 0m c ov er e d 由图l 可看出， 在埋深为3 0 0 m的情况下， 矩形断面巷道在顶底4 个拐角产生了应力集中， 垂直应力最大值为9 MP a ； 直墙半圆拱形断 面在底板2 个拐角处产生了 应力集中， 产生的应力集中程度与矩形巷 道基本相同， 但在拱顶的两侧 半圆拱与直墙的交界处 产生的应 力集中现象与矩形巷道相比要小的多， 并且直墙半圆拱形巷遭顶部 的应力变化相对较平缓； 直墙半圆拱形断面顶部垂直应力最大值为 8 MP a 。 在埋深为3 0 0 m时， 矩形与直墙半圆拱形巷道的垂直应力相差 仅为1 MP a ， 差别不明显。 a 矩形6 0 0 m埋深 b 半圆拱形6 0 0 m 埋深 图2 埋深6 0 0 m 巷道围岩垂直应力等值线图 a R e c t a n g l e s e c t i o n e n t r y 6 0 0 m c o v e r e d b S e m i - c i r c l e s e c t i o n e n t r y 6 0 0 m c o v e r e d F i g 2 The v e r t i c a l s t r e s s e qu i v a l e nc e l i ne of e n t r y s u r r o un di n g roc k 6 0 0 m c o v e r e d 由图2 可看出， 当埋深为6 0 0 m时， 与埋深为3 0 0 m， 矩形、 半 圆拱形巷道围岩的垂直应力分布特征基本不变， 但是两种断面巷道 围岩的垂直应力最大值差异增大， 最大垂直应力相差2 MP a 。 预计随 着深度的继续增加， 矩形断面与半圆拱形断面的垂直应力差别将随 油田、矿山、电力设备管理与技术 之增大。 浅埋和深埋下不同断面的围岩位移差别与应力特征相似 ， 矩形 巷道顶部煤岩体垂直位移量明显大干半圆拱形巷道的垂直位移量。 由此可看出， 随着埋深的增大， 直墙半圆拱巷道在控制巷道顶部的 煤岩体变形方面比矩形巷道效果好。 根据以上分析可知， 与矩形巷道相比， 尽管直墙半圆拱形断面 施工较复杂， 但是其有利于缓解沿空巷道围岩的应力集中程度， 能 够有效地减少巷道顶部煤岩体的位移， 减小巷道围岩的变形 ； 特别 是随着埋深的不断增加， 直墙半圆拱形断面这一优点将愈加突出。 因此 ， 在埋深较大的巷道断面的选取上 ， 应选用直墙半圆拱形断 面。 与钻眼放炮掘进工艺相比， 综合机械化掘进工艺对巷道围岩的 破坏损伤程度较小， 并且易于保证巷道的拱形断面成型， 有利于深 部综放沿空巷道围岩的稳定。 3 ． 深部综放沿空巷道支护方式及参数 传统的回采巷道支护方式包括棚式支护和锚杆支护。 常用的棚 式支护主要有工字钢支架、 u 型钢可缩性拱形支架和环形支架等， 棚 式支护一般属 “ 被动支护” ， 基本不具初撑力， 只是在围岩变形后， 随围岩变形的增加， 支架支护阻力才逐渐增长 。 锚杆支护属 “ 主动支 护”， 与棚式支护相比， 锚杆支护由于具有技术成熟， 施工简单， 经济 效益明显等优点， 已逐渐成为回采巷道的主要支护方式。 由于深部综放沿空巷道具有留设顶煤、 沿煤层底板和相邻采 空区布置、 断面大、 经历采掘影响等特点， 仅仅采用锚杆支护综放沿 空巷道， 往往不能有效控制围岩， 特别是顶煤的离层， 为此， 需采用 “ 锚杆锚索金属网” 联合支护形式， 以保证生产的安全。 综放沿空巷道的长度一般较长， 短者数百米 ， 长的可达1 -2 千 米。 在如此长的巷道中， 只有当巷道围岩条件基本相同时， 同一种支 护形式和参数才可能适用于整条巷道。 旦巷道围岩发生了明显的 变化， 或者出现了地质构造 例如出现断层， 向斜或背斜的轴部等 ， 由于构造应力的作用， 则需对支护形式和参数进行调整， 才能适应 新的围岩条件和地质情况。 例如深部综放沿空巷道围岩由完整状态 变为破碎状态时， 可增大锚杆的长度及支护密度； 当巷道接近断层、 向斜或背斜的轴部等地质构造时， 可采用 “ 锚网索金属梁” 支护方 式， 甚至是“ 锚梁网索 金属支架” 联合支护方式才能有效控制该特 殊地段的巷道围岩， 以防止深部综放沿空巷道出现支护失效导致的 顶板事故。 对于采用锚网索支护的深部综放沿空巷道而言， 增大锚杆或 锚索的直径、 长度， 减小锚杆或锚索的间排距， 都能明显提高支护强 度， 降低巷道围岩的变形量。 4 ， 应用实例 实验 地点 为某 矿9 3 0 2 综放 工作面上巷 沿空巷道 ， 埋深 达7 2 0 m， 煤层厚度为5 ． 2 m。 采用直墙半圆拱形断面， 综合机械化 掘进， 锚网 锚索联 合支护方 式。 采用锚网索钢筋托梁支护 锚 杆为由 2 0 mmx L 2 ． 2 m无纵筋左旋螺纹锚杆， 锚 杆的间排 距为 7 0 0 X 7 0 0 mm， 铺设菱形金属网I 锚索为q 1 8 mm钢铰线， 长6 ． O m， 间 距2 ． O m， 排距2 ． O m， 钢筋梁由两根由 1 2 m m的圆钢焊接成梯子形。 在上巷围岩条件的正常段内， 锚网 锚索联合支护方式能够有 效支护巷道的围岩。 但当巷道接近一 向斜轴部时， 顶板 出现淋水现 象， 已支护区顶板发生明显离层， 局部顶板和锚杆一同冒落， 对正常 生产和人身安全造成极大威胁。 对现场地厨隋况进行勘查， 发现这 一 区域正处于向斜轴部 ， 并且区内断层较多、 裂隙发育， 顶板以层状 砂、 页岩为主并伴有较多淋水 ， 原支护方式已不能有效控制巷道围 岩变形， 需采取其它支护方式。 经研究分析后， 决定在出现离层的原 锚网支护的巷道中， 增设1 2 号矿用工字钢梯形棚， 新掘进的巷道采用 工字钢梯形棚支护， 直到远离向斜轴部2 0 m以外再采取原锚网索 钢筋粱的支护方式。 施工后的巷道， 满足了掘进期间和回采期 间的 安全、 生产的要求。 通过矿压观测， 得到掘进、 回采期间的巷道矿压显现规律。 掘 进期间9 3 0 2 3 巷的两帮移近量和顶底移近量较小， 一般仅为5 0 - 6 0 mm。 回采期间， 巷道两帮移近速度略大干顶底移近速度， 累计两 帮移近量最大为8 9 0 mm， 顶底移近量最大达7 8 0 ra m。 9 3 0 2 上巷矿压观测表明， 直墙半圆拱形断面和锚网素联合支护方 式对于深部综放沿空巷道是合适的， 并且能够控制埋深较大的9 3 0 2 综放沿空巷道围岩的变形， 保证了工作面回采的高产高效。 5 ． 结语 根据深部综放沿空巷道的特点， 从巷道支护方式及参数、 巷道断 面优化两方面讨论了 综放沿空巷道的控制技术， 主要结论如下 1 矩形断面巷道容易在顶底拐角处产生应力集中， 而且集中程 度大， 不利于巷道的稳定， 矩形断面巷道这一缺点随着埋深增大表 现的愈加突出。 与矩形巷道相比， 尽管半圆拱形巷道施工较复杂， 成 型较难等缺点， 但直墙半圆拱形巷道集中程度远小于矩形巷道， 能 够有效降低深部综放沿空巷道顶部煤岩体的变形， 利于巷道围岩的 稳定。 为此， 对于维护深部综放沿空巷道顶板的稳定来说， 直墙半圆 拱形断面应为首选。 2 深部综放沿空巷道围岩结构特殊， 采动影响剧烈， 巷道围岩 变形量大， 稳定性维护较困难， 应采用锚梁网索联合支护方式， 一些 地质构造地段， 可采用锚网索 金属支架复合支护方式。 参考文献 [ 1 ] 何满潮． 深部开采工程岩石力 学的现状及其 展望[ A ] ．第／ ＼ - 次全国岩 石力学与 工 程学 术大会论文集． 北京科学出 版社， 2 0 0 4 , 8 8 - 9 4 ． 【 2 】 何满潮，谢和平， 彭苏萍 等． 深部开采岩体力学研究[ J 】 ． 岩石力学与工程学 报，2 0 0 5 ， 2 4 1 6 ；I 2 8 0 5 -2 8 1 1 ． [ 3 ] 徐志纶弹性力学[ MI ． 北京 高 等教育出 版社， 1 9 9 0 , 8 5 - 9 0 ． [ 4 ] 蔡美峰主编．岩石力学 与工程 v I 】 ．北京 科学出 版社， ， 2 0 0 2 3 0 7 - 3 3 5 ． [5 】 沈荣喜， 刘 长友锚网 索联合支护在深井综放沿空 巷道中的 应用田．煤炭科学 技术,2 0 0 4 ，3 2 1 0 4 -6 ． [句 候朝 炯I 鄣 励生 ， 勾 攀峰等著煤巷锚忏 支护 中 国 矿业 大学出 版池1 9 9 9 9 6 - 9 作者简介 ’ 苗润田 1 9 6 1 一 ， 男， 山 西潞城入， 高级工程师， 2 O o 3 年太原理工大学硕士研究 生毕业， 现任山 西潞安集团 五里堠煤业 有限公司总 经理， 长期从事煤矿安 全管 理工作， 曾 发表多 篇论文。 o O o上接2 7 6 页 2 重新测量已测过的控制点在R T K 初始化完成后，首先重测已 有的控制点，确认无误后再进行碎部点测量。这样可防止各种校 正参数、投影参数等指标的设置失误，提高测量速度和质量。 2 ．3 R T K I] 量技术的优点 1 作业效率高。在一般情况下 ，设站 1 次即可完成约5 k m 径 范围内的矿业权开拓工程平面图测量，大大减少了控制测量的作 业量和常规测量的移动测站次数 ，提高 了劳动效率。 2 定位精度高，数据安全可靠 ，没有误差积累。只要满足 R T K 的基本工作条件 ，在一定的作业半径范围内，R T K的测量精 度均能满足矿业权核查技术要求。 3 降低作业条件要求。R T K技术受通视条件、能见度、气 候、季节等因素的影响和限制小 ，能快速进行高精度定位作业。 4 操作简便，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设 置，就可以同步获得测量成果，数据输入存储、处理、转换和输 出能力强，能方便快捷地与计算机通信。 3 ．结语 通过以上对GP S I] 量技术应用的分析，可以看出G P S 技术在 矿业权实地核查 中具有传统测量无可比拟的优势，但也存在一定 的不足之处。 1 受卫星状况限制 。需进行矿业权实地核查的矿山，部分所 在地段植被发育，卫星信号被遮挡时间往往较长 ，使得作业时 间 受到限制，且易产生假值 。 2 空中环境影响。中午卫星信号受 电 离层干扰大，共用卫星数少，因而初始化时间长甚至有时不能初 始化，也就无法测量 。 3 数据链传输受干扰和限制 ，作业半径比 标称距离小。R T K数据链传输易受到障碍物和各种高频信号源的 干扰，传输过程中衰减严重，影响作业精度和作业半径。因此， 在实际测量过程中，应根据实际情况合理运用G P S J 量技术。 参考文献 【 1 】 徐绍铨张 华海， 杨志强，王泽民．G P s 测量原理与 应用． [2 】 周忠漠， 易 杰军 _G P S 卫星测量原理与 应用． [ 3 ] 张凤录胨品 祥．G P S R T K 在城市导线测量中 的应 用研究． 【4 】 吕 和平 ， 关向阳 ．南京市基础控制网的 建立以及 映 速定位的实 现． C h i n a S c i e n c e T e c h n o l o g y O v e r v i e w 2 7 9