浅析矿压理论在深部开采巷道支护中的应用.pdf

★ 煤炭科技 开拓与开采 ★ 浅析矿压理论在深部开采巷道支护中的应用 彭余 生 开 滦能 源化 工股份 吕 家坨矿 业分公 司，河 北省唐 山市 ，0 6 3 1 0 7 摘要依 据 应 力重新 分布 理论 ，简要 分析 了采 动应 力场调 整 的 空间和 时 间特 性 ，通过 经典案例分析和经验总结 ，阐述公司在解决深部矿井巷道支护的做法和效果。 关键词 矿压理论 空间三带 时空特性 总结应用 中图分类号T D3 1 文献标识码B Ana l y s i s o n a p pl i c a t i o n o f s t r a t a p r e s s u r e t he o r y t o r o a d wa y s u p po r t i ng d u r i ng d e e p mi ni n g Pe ng Yus h e n g L v j i a t u o Mi n i n g C o mp a n y ， Ka i l u a n E n e r g y C h e mi c a l C o ． ，L t d ． ， T a n g s h a n ，He b e i ， 0 6 3 1 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t The r o a d wa y s up po r t i ng wa y s we r e a na l yz e d by us i n g s p a t i a l t h r e e z o ne t he o r y a nd s t r e s s r e d i s t r i b ut i on t he or y，whi c h a r e ba s e d on s t r a t a pr e s s ur e t he o r y ． The r o a dwa y s u p p o r t i n g p r o b l e ms d u r i n g d e e p mi n i n g we r e s o l v e d b y u s i n g n e w p e r ma n e n t r o a d wa y c o n t r o l me a s u r e s o n t h e n e w p o s i t i o n i n t h e r o a d wa y ．Th e d e t a i l e d me a s u r e s a n d f i n a l e f f e c t s o f r o a d wa y s u p p o r t i n g d u r i n g d e e p mi n i n g we r e d e s c r i b e d v i a a n a l y s i s o f c l a s s i c a l c a s e s e x e c u t e d i n t h e c o mp a n y a n d c O r r e s p on d i n g e x pe r i e nc e ． Ke y wo r d s s t r a t a p r e s s u r e t h e o r y ，s p a t i a l t h r e e z o n e s ，s p a c e t i me c h a r a c t e r i s t i c s ，s u mma r y a nd a p pl i c a t i o n 随着 吕家坨矿业分公司井下煤炭开采强度和开 采深度的不断加大，原岩地应力也在不断增大 ，地 压问题越来越突 出，特别是全 面实现水 旱转型期 间 ，对巷道断面的要求越来越大 ，如何加强支护已 经成为安全生产环境 、设备运行环境和质量标准化 等方面亟待解决的主要问题之一。 1 应 力场 重新 调整 的 空 间特 性和 时间特 性 由于煤系地层是一个连续实体 ，进行采掘工程 导致应力场重新分布可以通过实体之间的接触相互 传导 。开始上覆煤层工作面开采后形成的应力场会 传导到该煤层底板一直传导到下覆的各个煤层。理 想状态下单一煤层的应力向底板传导情况见图 1 。 从 图 1中看到煤柱下方应力值 明显大于回采 工作面采空区的下方应力值 ，非常明显的看出了增 压区和减压区向底板进而 向下覆煤层的传递 。 浅 析矿压理论 在深部 开采巷道支护中的应 用 相应 的本煤 层工 作 面开采 后形 成 的应力 场 同样 也向上覆煤层传导，工作面开采后 ，应力场的空间 分布和调整是三维的、立体的。应力场调整后空间 分布情况见图 2 。 压力／ 1 0 MP a 0 毒 4 0 枉 罡 墨 8 0 枉 匣1 2 0 O 距煤壁的距离／ m 图 1 单一煤层的应力向底板传导情况 从图 2中可以明显的看 出应力场重新调整的空 59 间特性 工作面开采后 ，以回采工作面为中心形成 一 个断面近似 “ 钟”形的立体减压空间 ，对上覆区 域和下覆 区域起到一定的卸压作用；在立体减压空 间以外则为立体增压空间 ；对顶板的影响偏小而对 底板的影响范围偏大 ；应力场中应力最小的位置是 实体煤与采空区的交界处附近。 图 2 应 力场调整后空间分布情况图 应力场的重新分布不仅具有空间特性，而且存 在 明显的时间特性。通常从应力场开始重新调整到 发生围岩断裂变形、引起强烈的矿压显现是有一段 时间的，这是第一次应力场重新调整的过程 ；当围 岩发生断裂变形本身基本失去抵抗作用后 ，应力场 将会进行第二次重新调整 ，如此循环，最终达到应 力场的平衡状态 。即应力场的调整具有一定的时间 周期。如该公 司 6 1 7 1 下工作 面两巷 ，基本上 都是 在巷道掘进 3个月左右的时间后 ，巷道开始全面来 压的。其实是从两巷开始掘进的那一刻就已经开始 了应力场的重新调整 了，经过 3个月左右的时间围 岩开始进行断裂变形进而开始矿压显现的过程。 在 回采工作面的推进过程 中，这种应力场重新 调整的时间特性也是非 常明显的。比如 5 4 7 5工作 面开采后 3 O天左右的时间大巷才有初步压力显现。 应力场重新调整 的时空特性是客观存在的 ，认 真、细致地研究它的时空特性、合理应用时空特性 将会很好地指导我们的具体工作 ，往往达到事半功 倍的出奇效果。 2 主动让压支护理论在采掘巷道支护中的应用分析 合理理解和运用应力场重新调整时空特性，对 井下采掘工程将会有相 当大的影响 ，特别是公 司当 前开 采深 度 已经到 一 9 5 0 m 的情 况更 显 得 重要 。 6 O “ 加强支护、保证安全生产所需的工作 空间”是井 工开采矿井中的永恒主题，如何加强支护有许多方 法。从应力场重新调整时空特性的角度分析加强巷 道支护有如下几种方法 。 2 ． 1 抵 抗应 力 抗压 基本原理是提高支架本身的支撑能力或增加支 护密度 ，用强化支护 的手段 去抑制或减少 围岩移 动 ，增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用 。基本 措施是增大型钢重量 ，提高支架承载能力 ，增加支 护密度 。优点是巷道布置地点及掘巷时间可不受限 制 ，缺点是要消耗大量支护材料 ，支护劳动量大， 开采费用大幅度提高。 5 3 2 3运输巷采用 密集 木柱来加 强巷道 的支护 强度 ，支架型钢从 2 5 U变成 2 9 U就属于这种类型。 2 ． 2忍让应 力 让压 基本原理是在采用适当支护措施和保持支架本 身不遭受严重损坏的前提下，容忍围岩产生一定变 形 ，以释放掉一些能量 也称应力 释放 。基本措 施是采用有一定工作阻力的大可缩量支架为巷道受 压收缩预 留备用断面容 忍巷道底臌 ，然后进行 卧 底 。优缺点是可在一定程度上利用 围岩 自承力 ， 减 轻支架受载 ，对生产极为有利 ，但会增加支架结构 的复杂性或多支 出掘进和卧底费用 。 2 ． 3 躲避 应 力 躲 压 基本原理是将巷道布置在应力经重新分布后岩 体 已处于卸载状态的天然低应力区，从时间上或空 间上躲开高应力的作用。基本措施是在煤体边缘或 煤体下方的低压 区内布置巷道 ，错过高压作用的时 间，等压力充分稳定后再掘巷 。优缺点是可在不同 程度上减轻巷道受压 ，有利于支护工作 ，但有时要 多开一些辅助巷道 如联络眼等 ，或要求延迟掘 进时间。如 6 1 7 2 上工作面的成功回采 、5 3 7 7工作 面 8 煤层运输 中间眼采空区下掘进、5 4 8 4工作面 两巷布置在 7 煤层采空 区下方 ，都利用躲避应 力 的原 理 。 2 ． 4转 移应 力 移压 基 本原理是通过人为方法使巷道 围岩受到松 动，形成卸载槽孔或其他形式的卸载空间 ，迫使载 荷转移到离巷道较远的地点 ，达到减轻巷道受压的 目的。基本措施是在巷帮或底板中形成卸载槽孔掘 进或在巷旁故意留出卸载空间。优缺点是巷道布置 地点及掘进时间可不受限制 ，但要增加与采用卸压 措施有关的额外费用。如在 5 3 2 3运输巷掘进处理 中国煤炭第 3 7 卷第 8期 2 0 1 1年 8月 煤体瓦斯问题时，采用了人为调整应力 、转移应力 的大直径超前钻孔的方法 ，在控制瓦斯上取得了较 好的效果 。 2 ． 5甩掉应 力 甩 压 基本原理是利用应力场重新调整的时间特性原 理 ，在围岩还没有发生断裂变形之前 ，就离开这个 区域 。与放炮过程不能引起瓦斯爆炸的原理相同， 在尚未点燃瓦斯之前 ，放炮过程 已经结束一样 。基 本措施是提高速度和保证质量。优缺点是可 以很好 的控制应力 ，但是对队伍、管理要求非常高 。 公司 6 1 7 2 上工作 面的回采过程 非常 明显 地体 现 出 了甩 压 的原 理 。 3经典 案例 分 析 3 ． 1 6 1 7 2 上 工作 面的 开采 3 ． 1 ． 1 工作面情况筒述 6 1 7 2 上工作 面三面属 于孤 岛煤 柱 、高应力 区 域 ，与之相邻 的 5 3 7 0工作面于 2 0 0 0年 回采完毕 ， 6 1 7 2工作 面于 2 0 0 3年 回采完毕 ，6 1 7 1工作 面于 2 0 0 2 年 回采完毕。 设计走向 3 6 0 m，工作 面倾斜 长度 9 0 m，煤 层厚度 3 ． 5 m，实际回采厚度在 2 ． 5 m左右。煤层 倾角 1 3 1 4 。 。工作面内部 除存在部分断层外还有 6条 5 3 7 0工作面的废弃巷道 废弃巷道合计 全长 3 9 7 m纵横交错 占据 了该工作面 5 0 的区域 。废 弃巷道中大部分 的支架没有 回收 。 6 1 7 2 上工作 面于 2 0 0 5年 1 O月 份开始 回采 到 2 0 0 6年 2月份基本结束。在 回采 的过程 中运输 巷 压力很小 ，属于免维护巷道 ；轨道巷压力较大，但 仍然可以控制在允许的范围之 内。 3 ． 1 。 2 获得成功的因素分析 1 运输巷位置 。 选定在应力场中压力较小的位置，达到了躲压 的效果 ，基本 消除了在采掘工作过程 中的巷道维护 工作 。 根据应力场空间特性理论 应力场中应力最小 的位置是实体煤与采空区的交届处附近 ，同时考虑 到通风和掘进 的要求 ，将该工作面运输巷位置确定 在与 6 1 7 2工作 面采空区相距 2 m 的位置 ，通过实 际情况看 ，在 掘进和 回采 过程 中基 本没有压 力显 现 。为安全生产、设备运行提供 了必要的空间。 2 轨道巷位置。 布置在 了应力较大的位置 ，运用忍让应力的方 浅析矿压理论在深部开 采巷道 支护 中的应用 法使巷道的维护获得了成功。 由于 6 1 7 2 上工作面上部的 5 3 7 0工作面煤柱呈 现不规则状态 ，不可能将轨道巷布置在完全躲避应 力的位置 ，因此采用 了里半部躲避应力和外半部忍 让应力 的方法选择轨道巷的位置 ，使采掘过程 中巷 道维护工作达到最 小 的状态 ，在实 际回采的过程 中，通过对轨道巷外半部局部卧底的方式 ，较好地 解决了巷道维护问题 ，达到了安全生产必须的断面 条件。 3 效果 。 按照应力场调整的时间特性可知 如果推采速 度超过应力场调整后矿压的显现速度 ，也就是说当 围岩还没有发生断裂变形时，就完成推采过程是可 以将压力显现过程甩在后面的 ；从岩石应力应变全 程曲线上来讲 ，就是在峰前 区 区间 内完成推采工 作 ，就可以很理想地解决由于巷道压力显现、采面 压力显现造成难于维护或维护费用增大的问题 。 6 1 7 2 上工作面在推采的过程中，推采速度 比较 快 ，保证了在围岩发生断裂变形之前完成 回采 一移 架一放顶过程 ，也就是说将围岩的断裂变形过程放 到了采空区里面，达到了甩压的作用和效果。 3 ． 1 ． 3 影响 6 1 7 2 上工作面推采速度的因素 工 作 面设 计 时 ，利 用 了应 力 场 调 整 的 时 空 特 性 ，在运输巷位置选择和优化的过程时 ，采用了躲 压的方法将其布置在应力最小的空间位置 ，基本避 免了回采过程中巷道维修 ；轨道巷位置选择时，采 用了躲压和忍压相结合的方法 ，将其布置在应力相 对较小的位置 ，减小 了回采过程 中的巷 道维修量 ； 工作面倾斜长度 比较小 ，只有 9 0 m，每割一刀煤 所 占用 的 时间较 短 。 在生产组织过程 中，加强现场管理 ，保证了正 规循环和必要推进速度 。 3 ． 2 5 3 7 7工作 面 的开采 3 ． 2 ． 1 工作面情况筒述 5 3 7 7工作 面位 于 一8 0 0 m 三采 区域 ，上部是 5 3 7 3 水采工 作 面采 空 区和 5 3 7 5旱采 工作 面采空 区 ，煤柱呈现不规则 的状态分布 ；下部是 6 1 7 1工 作面采空区，煤柱呈现规则状态分布。 该工作面设计走 向长度 为 1 2 0 0 m，倾斜工作 面长度 6 0 m，煤层厚度为 3 ． 5 ～4 ． 5 m，煤层倾角 1 3 。 左右。实 际工作 面走 向长度 只掘 进 了 8 8 0 m， 倾斜长度 6 0 m。 3 ． 2 ． 2 开采效果不理想的因素分析 6 】 工作面两巷 的位置选择中，没有很好地考虑应 力场调整的时空特性 ，导致两巷在掘进的过程中压 力显现强烈、变形严重 ，无法正常掘进 ，被迫提前 开切眼 回采。 1 运输巷位置分析。 运输巷下部是 6 1 7 1工作面采空区，属 于规则 煤柱 ，按照应力场调整时空特性应力最小的部位应 该是煤柱的边缘部位 ，一般在 2 ～3 m 的煤柱范围 内是压力较小的空间。而运输巷的实际位置是 6 r i l 以里的位置 ，这个位置正好是应力较大的位置。 如果运 输巷 的位 置也 和 6 1 7 2 上工 作 面一样 ， 留设 2 m 小煤柱或 者更 小的小煤柱 ，运输 巷可能 就是另外的一种情景了。后来 掘进 的 8 煤层运煤 中间眼的实践佐证了这种推论和假设。 2 轨道巷位置分析 。 轨道巷上部是 5 3 7 3水采工作面采空区和 5 3 7 5 旱采工作面采空区 ，煤柱呈现不规则 的状态分布 ， 轨道巷设计位置与采空区最近的煤柱是 4 m，而其 余 8 0 煤柱都在 8 1 T I 以上。这个位置正好是在应 力场调整过程 中压力最大的区域 。后来在掘进和回 采的过程中， ． 尽管采取强度较大的忍压措施扩 帮和卧底，但是由于工作面走向长度较大 、推采速 度较慢 ，也很难改变被动局面 。 3 按照应力场调整时空特性理论推想。 该工作面顶板属中砂岩 ，构造简单 ，如果在选 择轨道巷、运输巷空间位置时考虑应力场调整时空 特性 ，和 6 1 7 2 工 作面一样尽量将两巷布置在 减 压带范围内的话 ，5 3 7 7工作面将会 给公 司的生产 和安全工作带来与之相反的好效果 。 4结论 通过对 吕家坨矿业分公司 5年多在巷道支护方 面的实践分析 ，深入研究应力场调整的时空特性并 将其和生产工艺过程紧密地结合起来 ，用理论指导 实践 。按照应力场调整的时空特性规律 ，在抗压 、 躲压 、忍压、移压和甩压这 5种方法 中，抗压属于 “ 硬”的范围，在井下有些地点就必须采用抗压的 方式来解决支护问题 ，它是 “ 巧”的基础 ；其余 4 种均属于 “ 巧”的范畴，“ 巧”只有在 “ 硬”的基 础上才能获得更好 的效果 。 宜硬则硬 ，宜巧则巧 ， 因地制宜 ，将 “ 硬”和 “ 巧”有机的结合起来 ，是 解决深部开采巷道维护的根本途径。 从 2 0 0 5年到现在，利用 矿压 的原理 和理论支 62 护方式 ，解决了深部开采巷道 的维护问题 ，取得了 非常理想 的实际效果 1 根据抗压的原理，逐步研究合理 的支护参 数 ，提高支护系统的抗压效果。对公司金属拱型支 架的型钢进行了升级 ，从过去的 2 5 U 提高到 2 9 U， 解决了架棚巷道的支护强度 ；锚注技术的引进解决 了永久巷道 的支护问题 ，5年来公司利用锚注技术 解决永久巷道 2 5 0 0 m；在煤巷局部 高应力地段引 进与尝试使用注浆锚索技术解决采准巷道 8 0 0 m。 2 根据躲压 的原理 ，在有条件的地点继续布 置小 煤 柱 沿 空 掘巷 。使 用 小煤 柱 沿 空 掘 巷技 术 1 3 4 3 0 m，节省巷道 维护费用 6 7 1 5万元 ，多 回收 煤炭资源 5 3 ． 4 3万 t ，节省资源费 8 0 1 ． 4 5万元 ，增 加销售收入 3 9 4 3 8 ． 8 2万元。 3 根据让压原理 ，在不能布置小煤柱沿空掘 巷的地点通过卧底等方式维持必要的安全和生产所 需断面及空间。 4 根据甩压的原理 ，结合 当前公司回采队伍 的素质和地质条件 ，分析、研究和总结合理的工作 面面长，确保工作面的推进速度的合理性 。经过几 年的水旱转型 、设备升级 ，提高了工作面的推采速 度 ，保证 了在峰前 区完成回采的工作 。 5 根据移压的原理 ，逐步研究和试验改变局 部应力场的临时应急措施 。如掘进减压巷或保 留巷 道达到减压作用等。同时公司也正在尝试在巷道压 力较大的地点采用深孔放炮技术，解决巷道压力问 题的新方法。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，刘听成 ． 矿山压力及控制 [ M]． 北京 煤 炭工业 出版社 ，1 9 9 4 [ 2 ] 闫立章 ． 用相似模拟物理模型研究矿山压力 [ J ]． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 9 4 [ 3 ] 编 委 会 ．煤 矿 矿 井 支 护 与 防 冒 顶 综 合 技 术 手 册 [ M]． 北京煤炭工业出版社 ，2 0 0 9 [ 4 ] 倪兴华 ． 地应力研究与应用 [ M]．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 7 作者简 介彭余 生 1 9 7 0一 ，男，高级 工程 师， 1 9 9 3 年 7 月毕业于河北煤矿学院地下采煤专业，现任开滦 能源化工股份吕家坨矿业分公司经理。 责任编辑张艳华 中国煤炭第 3 7卷第 8期 2 0 1 1年 8月