煤矿深部开采中的巷道支护探讨.pdf

煤矿技术 煤矿深部开采中的巷道支护探讨 李传刚 华润天能徐州煤电有限公司大刘煤矿。江苏 徐州 2 2 1 0 0 0 【 摘要 】 煤矿进入深部开采以后，将面临诸多问题，巷道支 护就是其中之一。文章对深部巷道的围岩特点、巷道的破坏形式进 行 了分析 ，然后对深部巷道的 支护原 则和 支护技术进行 了探讨 。 【 关键词 】 煤矿；深部；巷道支护；锚杆；锚索 引言 随着对 能源需求量 的增加和开采 强度的不 断加大， 浅 部资源 日 益减少， 国内外矿山都相继进入深部资源开采阶段 。 我 国已探 明的煤 炭储量中， 埋深在l O 0 0 m 以下的为2 ． 9 5 万亿t ， 占煤炭资源总量 的5 3 ％ 。 根据 目前资源开采状 况， 我 国煤矿 开采深度 以每 年8 ～ 1 2 m 的速度增 加 。近些年来， 随着我 国国民经济和 科学技术的发展， 对复杂地质条 件下一些长深铁路 、 公路隧道 的修建及深部开采事故的预防， 应用和 发展 了许多先进 的科学技术和理 论。在 软岩 支护、岩爆防治、超前 控测 、信息化施工等方面， 中国矿业 大学、东北大学 、重庆大学、 同济大学 、西南交通大学 、辽 宁工程技 术大学等进行 了大量的研究 和实践，积 累了丰 富的实 践经验 ，且具有开展相关研究的基础与条 件 。本文在此将对深部开采中巷道的支护进行探讨 。 1深 部开采的界定 与深部 开采面 临的支 护问题 1 ． 1深部开采 的界定 虽然 目前 国内外对 深部工程 中所 引发的岩石力学 问题的研究非 常重视， 但是在 “深部 ” 、“深 部工程”等 一系列概念上差异很大， 至今 也没有 明确 的概念 或划分标准 ， 在一定程度 上影响 了该 领域理 论与技术研究的发展及交流。 根据我 国的地质条件和开采技术水平， 一 般 认为开采深度在8 0 0 Ill以下为深部开采 ， 对于软岩开 采深度在 6 0 0 m 以下为深部开采 。 1 ． 2 煤矿深部开采面临的支护 问题 煤矿进入一定 的开采深度 ， 由于埋深增加，仅就煤岩周边垂直 应力说来 ，部分接近或超过其 峰值 强度 ，进 而使局部煤岩体介质达 到塑性屈服 限，进入塑性变形 。该变形 并随时间增加或遇外界扰动 因素作用而加强 ，将可能 出现两种类 型的变 形破坏趋势 1 缓慢变 形破坏趋态 ，即若干个 小失稳 的综合或迭加 ； 2 突然失稳变形破坏 趋态 ，即大失稳 的综合 。其二者不 同的力学 响应，主导因素是 由于 应力水平与介质条件不 同而不 同，二者 变形 破坏趋态的力学本质是 相 同的。 2深部巷道 破坏特 点分析 2 ． 1深 部巷道 的围岩特点 1 岩石变软 。深 部岩层在上部 岩石 的长期 自重 1 ， H 压力下， 岩石性质发生 了变化 。主要表现在岩石 密度 增加、容重加大，岩性 变软 。深部矿井 的岩石在井下 与地表 实验表 现出不同的状态性质， 主要表现在锚杆眼难钻 。 2 巷道松动范 围大 ， 顶底 板和两 帮移近 量大 。由于深部开采围 岩存在软化现象 ，岩层 比较破碎 ，破碎 松动 范围大，持续时间快、 长 。巷道经常需要进行维修 ，维修量大 ，支 护成本高 。目前我国深 部开采 巷道 的支护 强度 增加近一倍 ，但是仍然有4 0 ％的巷道 需要维 修 。据统计 ，我 国深部开采的巷道维修率达 ,J 2 o o ％ 。 2 ． 2巷道破坏主要形式 1 顶板下沉 。由于上覆岩层压力、巷道上方破碎岩体 自重压 力，或其它地应力引起的垂直应力。 2 底膨 。底板岩石较软，或遇水后岩石单轴抗压强度降低， 在垂直压力作用下产生底鼓 ，或者 由于底板岩石含有 膨胀 性粘土矿 物 ，遇水膨胀，也可能引起底鼓。 3 顶底板移近 。 4 上帮或下帮变形。当巷道两帮一帮岩石软 或破碎 ，一帮 岩石硬时 ， 在垂直压力或侧压力的作用下均可产生上帮或下帮变 形。 5 顶板下沉 ，两帮挤进 。这种情况，往往是在垂直压力作用 下 、两帮岩石较软 或破碎 ，而底板岩石又较坚硬时发生 。 6 拱顶起尖 ，两帮挤进 。在侧压力的作用下，支护拱项起尖， 锚喷巷道则 出现拱顶岩石被挤碎成尖 ，两 帮挤进 ，侧压力 主要 来 自 构造应力 。 上述几种变形状态 是比较 典型的支护 变形状态 ，还 有一些由于 围岩岩性不 同、受水 的影响不 一、受力不均 等因素，将会 出现 其它 一 些变形状态。 3深井 高应 力巷道 的支护原则 与支护技术 3 ． 1支护原则 1 深部巷道应采用高预应力、强力锚杆组合支护，同时要求 支护系统有足够 的延伸量与冲击韧性 。应尽量一 次支护就 能有 效控 制 围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道 维修。 2 高预应力和预应力扩散原则 。预应力是锚杆支护中的关键 因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护 的参数 ，只有 高预 应力的锚杆支护才是真正 的主动支护 ，才 能充分发挥锚杆 支护 的作 用 。 3 “ 三高一低 ”原则 。即高强度 、高刚度 、高可 靠性与低支 护密度原则。 4 临界支护 强度与 刚度原则 。锚杆支护系统存在 临界支护 强 度与刚度 ，如果支护强度与刚度低于 临界值 ，巷道将长期 处于不稳 定状态 ，围岩变形与破坏得不 到有效控制 。因此 ，设计锚杆支护系 统的强度 与刚度 应大于临界值 。 5 相互匹配原则 。锚杆 各构件 ，包括托板、螺母 、钢 带等 的 参数与力学性能应相互匹配 ，锚杆与锚索 的参数与力学性 能应相互 匹配，以最大限度地发挥锚杆 支护 的整体支 护作用 。 6 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应 具有 可操作性 ，有 利于井下施工管理和掘 进速度 的提 高。同时降低支护成本 。 7 组合支护原则。按照 目前的技术水平，采用 简单 的单一种 类的支护方式不能满 足生产要 求，需要锚杆 锚索 网 刚带U 型刚 锚杆等组合支 护方式。 3 ． 2通过注浆改善围岩 力学性 能 由于埋深大 ，水平应力和垂直应力均 比较高 ，围岩 的承载 能力 难 以抗 拒高应力 的影响 ，因此 ，通过注浆加 固，提高 围岩 的整体性 和 自身承载能力 ，使整个加固 的岩体能有效地 同锚杆有机地结合为 一 个整 体，从而提高破碎 围岩 中的锚杆锚 固力 ，能够适应 围岩 的较 大变形。 3 ． 3采用锚杆、锚索支 护 1 锚杆支护 。锚杆支护的主要作用在 于控制锚 固区围岩 的离 层、滑 动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏 ，使 围岩处于 受压状 态，抑制 围岩弯 曲变形 、拉伸与剪切破坏 的出现 ，最大 限度 地保持锚固区围岩的完整性 ，减小锚 固区围岩强度 的降低 ，使 围岩 成为承 载的主体 。在锚固区 内形成刚度较大 的预应力承载结构 ，阻 止锚固区外岩层 产生离 层，同时改善 围岩深部 的应力分布状态 。 2 锚索支护 。锚索 的作用主要有两方面 其一是将锚杆支护 形成的预应力承载结构与深部 围岩相连 ，提高预应力承载结构 的稳 定性，同时充分调动深部围岩 的承载能力，使更大范 围内的岩体共 同承载 ；其二是锚索施加较大 的预紧力 ，给 围岩提供压应力，与锚 杆形成 的压应力区组合成骨架 网状结构，主动支护 围岩，保持其完 整性。 3 锚杆支护与锚索支护相结合 。 长锚索与短锚杆相结合 的支护方 式，实质上是把短锚杆范围内的围岩自承拱通过长锚索将其固定在 较大的压缩 圈内，并通过锚索把力传递到 围岩深部 的稳定岩体内． 下转第 3 3 3页 2 0 1 3 ． 0 2 l 3 3 5 煤矿技术 煤样热解实验与自燃预报标志气体优选 张效春 同煤集团燕子山矿 。山西 大同 0 3 7 0 3 7 【 摘要 】 阐述分析了煤炭 自 然发火的规律，对自燃预报标志 性 气体进行 了优 选。 【 关键词 】 煤样热解实验；自燃预报 ；标志气体 煤 自燃的发 生和发展 是一个 极其复杂 的动态变 化 的物 理化学 过程 。其实质就 是一个 缓慢地 自动 放热升温最后 引起燃烧 的过程 。 该过程 的关键有两点 一是热量的 自发产生，二是热量 的逐渐积聚 。 1样 品试验 某矿 8层煤煤样进行氧化热解实验记录煤氧化 中产生各种气体 的参数 ，分析其规律 ，优选 8层煤 自燃预报 的指标性气体 。 1 ． 1实验系统 煤样 的氧化热解实验装置 由煤样罐 、加热炉和保温 外壳等部分 组成 。该实验系 统有 如下氧 化热解试验装置，煤温检测和温度控 制装置 ，气体分析系统和供风系统 的 4个主要部分 。 1 ． 2试验煤样 煤样采 自新暴露 的煤体 内部 ，采样后立 即放入塑料瓶 中密封 。 煤样粒度为 2 ～5 O【 Il【 Il ，装入氧化炉 内，进行加热试验 。本次试验 中 采用的煤样重量为 1 6 0 0 g ，除个别大块煤 由人工粉碎外 ，基本上是 原采取 的煤样 ，与采 空区的遗 煤在 物化性质方面 比较接近 。因此 ， 试验结果与实际情况符合 。 2 实验 结果与分析 实验结果见表 i 略 。 对该实验结果进行分析 ， 得 出的 8层煤煤样热解实验过程 中 C O 和温度的关系如 图 1 ，C O 和温度的关系如图 2 ，c 和温度 的关系如 图 3 ，C H 4 和温度的关系如图 4 ，C H 和温度 的关系如 图 5 ，C 。 和温 度 的关系如 图 6与温度超过 7 O ℃时， c H ／ c 2 H 和温度 的关系如图 7 略 。 0 {0 辨 豁i ∞0 辨 0 I 罄棼 t { 图 1 8层煤煤样 热解过 程中 C O和 温度对 应关 系图 0 0 40＆ 0 i 瓣 20 { 0 i 镕0 镛榔莲黉 ， 图 2 8层煤煤样热解过程中 C O 。 和温度对应关系 图 眷 ∞徽誉 尊誊 { 玺 蓥 嚣 嚣 潞 ≥ 图 3 8层煤煤样 热解过程 中 c 和温度对应关系 图 已 糯溢蕊 图 4 8层煤煤样热解过程 中 C 和温度对应关系图 显 0 嚣 勰 l 杂 l 量 鞋 莲 心 巷 瓣每 孽 嚣霉 奢 i 静 { 辱 拳 ； 帮誊 嚣拳蠢 睿 母 童 0 嘻 2 霉 蛰 滞遗囊 ℃≥ 图 5 8层煤煤样热解过程 中 C 。 H 。 和温度对应关系图 3 实验结论 1 通过热解分析 ，8层煤煤样 出现 c O的温度 约为 4 3 ℃，出 现 C 。 的温度在 3 3 ℃左右，出现 c H 的温度为 7 8 ℃左右 ，出现 c H 8 的温度为 9 2 ℃左右， C O z 和 C 在试验一开始就 出现 ， 无明显规律 性。 但是 出现 C O的量较 大，规 律性强，易分 析，灵 敏性好 ；c 。 出现也 有一定的规律性 ，但量较小，但 c H 。 ／c 。 H 比规律性较强。 因此 ，应选 c O和 c zH e ／c H 为 8层煤预 报煤炭 自燃 的标志性气 体 ，c 为辅助标志气体。 2 煤氧化温度超过 4 O ℃时出现 c O ，在 4 0 7 0 ℃之间 c O随 温度变化 曲线平缓 ，超过 7 0 “ C时 c 0随温度变化曲线上升明显。因 此 ，在 4 0 7 0 ℃之间可用 C 0作为预报标 志气体 ；当煤温超过 7 O ℃ 时 出现 c H ，此时 C O随温度变化 瞌线上升明显，并且 c 。 H 。 ／ H 和温 度对应关系 曲线呈线性递减。因此，当煤温超过 7 0 ℃时，采 用 c 0 、 c z } I 6 ／c 和 c H 4 对 8层煤煤炭发火进行早期综合预报。 作者简介 张效春 1 9 6 5 ． 2 一 ，男，山西大 同人 ，阜新矿业学院 8 5级采矿工 程毕业，大学本科学历，现任职于同煤集团生产部部长。 上接第 3 3 5页 因此 能最大 限度发挥 围岩 自承作 用，提高围岩的力学性能 、改 善围岩的受力状态。 4 结语 深部煤 炭开采是未来矿 上发展 的主 流， 进行深 部开采所 带来的 采矿技术研究势在必行 。在 “ 三高一扰动”的环境下， 深部开采所带 来的矿 山压力、高温 、高水压等一 系列问题 是采 矿工程所面临 的挑 战和高难 度课题 。在 防范深部开采所 带来的工程力 学 问题 的同时， 应合理利 用深部开采 中的矿 山压力大等 特点， 使 这些特 点能合 理的 为我们所 利用。 如在深部开采 中， 既要有效地预防和抑制 由高应力诱 发的灾害事故， 又充分利用高应力与应力波应力场叠加组合高效率 的破裂矿 岩。 在这样的发展情况下， 现在矿 山企业应做好 准备， 原有的矿 山由 原来的硬岩矿井 向软岩矿井转化， 由低瓦斯矿井 向高瓦斯矿井转化， 由非 突出矿 井 向突 出矿井 转化， 有 非冲 击矿压 向冲击矿 压矿井转化 等 。 虽然 目前对于深部开采工程研究 已经取得了一部分成果， 但对于 深层次的基础研究不够重视。 因此， 大力发展深部开采工程岩石力学 基础理论研究对于矿山企业的可持续发展和安全战略的实施提供了 保证 。 只有在理论上取得重大突破和创新， 才能保证深部开采 的技术 发展和安全生产。 参考文献 [ 1 ] 李通林等．矿山岩石力学f M1 ． 重庆重庆大学出 版社， 1 9 9 1 ． [ 2 ] 钱呜高， 石平五． 矿山压力与岩层控制[ M】 ． 徐州中国矿业大学出 版 社 ． 2 0 03 ． 【 3 】3康红普， 姜铁明， 高富强． 预应力在锚杆支护中的作用卟煤炭学 报， 2 0 0 7 7 ． 2 0 1 3 ．0 2 l 3 3 3 l