深部矿井压力显现规律与锚索网联合支护技术.pdf

第 2 8 卷第 5期 2 0 0 9年 5 月 煤炭技术 Co a l Te c h n o l o a v V o J ． 2 8 ． No ． 0 5 Ma y ， 2 O O 9 “ ” “ ” ” ” ” “ 警 安全技 术 毒 ．．． 一 ．． - 一 -．I 深部矿井压力显现规律与锚索网联合支护技术 曲 征 ，张国华，毕业武 黑龙江科技学院 安全工程学院，哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘要 通过对深部巷道矿压显现特点、 巷道变形规律、 巷道破坏机理及巷道支护原理进行分析， 根据现场实际地 质条件提出了深井巷道矿压的控制应该充分发挥以锚杆为主体， 以锚索、 铁网为辅的新型支护以及锚喷、 锚索、 锚 网等联合支护形式； 并根据实际情况确定具体支护参数。 关键词 深部开采；深井矿压；联合支护 中图分类号 T D 3 2 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 5 2 o o 9 o 5 0 0 8 9 0 3 De e p M i n e Pr e s s u r e Be h a v i o r a n d Co mb i n e d S u p p o r t Te c h n o l o g y wi t h Bo l t Ca b l e W i r e O u Z h e n g ， Z H A N G G u o h u a ，B I Y e w u { I n s t i t u t e o f S e c u r i t ～y E n g i n e e r i n g 一 , H e il o n g J i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n s t i tu t e ， H a r b i n 1 5 0 0 2 7 -C h i n a Ab s t r a c t T h r o u d e 印 r o a d w a y c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e r o c k b u r s t ，d e e p mi n e p r e s s u r e b e h a v i o r ，roa d w a y f a i l - u r e me c h a n i s m a n d r o a d w a y s u p p o r t p ri n c i p l e a re a n a l y z e d ．A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l o ns i t e g e o l o g i c a l c o n d i - fi o n s ，s o me me a s t l re S a l e p o i n t ed o u t ， the p re s s u r e c o n t r o l i n d e e p min e t u n n e l s h o u l d gi v e f u l l p l a y t o t h e m a i n a n c h o r f o r a n e w t y p e o f s u p p o r t a s we l l a s c o mbi n e d s u p po rt f o r m wi th s p r a y an c h o r ，c a b l e ，wi re me s h． Th e s p e c i fic s u p po r t p a r a me t e rs a r e d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o t h e a c t ua l c o n d i ti o n s． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g；d e e p mi n e p r e s s u r e ；c o mb i n ed s u p po rt O 前 言 随着全 国各行业对煤炭资源的大量需求 ， 开采 煤层的埋藏深度必然要因为保证煤炭产量而增加， 与此同时也有效地促进了煤炭开采技术和采煤机械 的长足发展 ，加速了矿井向深部发展的速率 。由于 当工作面推至距废巷 1 5 m时开始调采 ， 把工作 面调成和废巷成 1 0 o 夹角向前推进。 2 ． 3 加快工作面推进速度 由于调采势必影响工作 面的推进速度 ， 因此加 强管理 ， 加快采煤机截速度 ， 搞好机 电设备 的日常保 养和检修 ， 减少事故影响 ， 使 回采速度加快 ， 就可 以 缩短采动压力对废巷 的作用时间， 减少废巷的破坏 程度。 2 ． 4 坚持工作面上矿压观测， 掌握顶板活动规律 ， 科学指导过废巷工作 该工作 面 刚开 始 回采 就在 工作 面 l 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 6 0 “ ， 8 0 ， 9 1 支架各设 1台Z C B一6 0 型耐 震式综采测压专用表 ， 同时在 5 0 和 7 5 支架上 各 安设 1台 K B J 一 2 0 0 4 B型矿用多功能监测系统 ， 进行 一 系列矿压监测。通过矿压观测基本摸清该块煤顶 板的活动规律 。同时采面过废巷期间 ， 矿压组每天 都派专人到工作面检测支架的立柱载荷情况， 要求 泵站压力必须达到 3 0 MP a ， 工作面支架立柱工作阻 力必须达到 3 8 MP a ≥F≥2 4 M P a 。达不到以上要 求的现场立即整改 ， 否则 不准生产。以上措施保证 了工作面支架有足够支撑强度支撑顶板， 保证 了工 作面安全跨巷。 3 结束语 综三采煤队历时 4个原班顺利通过废巷 。从采 面过废巷情况看 工作面没有 出现片帮 、 漏顶 、 倒架 现象 ， 没有其它矿压显现 。实践证明 废巷内铺设圆 木密集棚子和加厚板梁、 废巷内打设 的木垛 或充填 的炉灰渣充填物及两帮注射玛丽散等支护方式维护 废巷 ， 完全能够满足采面过废巷 的支护强度要求 ， 说 明在深部高压区复合顶板下综采过废巷技术上是可 行 的。 同时， 综三跨废巷 回采 月产达 8 ． 8 万 t ， 没有影 响工作面的正常生产 。综三采煤队跨废巷回采保证 工作面的生产接续， 工作面少停产 1 M， 多为企业生 产原煤 9万 t ； 并且保证 了采面的安全生产 ， 为新安 煤矿全年完成 2 2 0万 t 的奋斗 目标 ， 为双 矿集 团公 司全年完成 1 3 0 0万 t 奋斗 目标 ， 打下 了坚实 的基 础。该综采工作面在深部高压区复合顶板下顺利跨 过废巷的实践 ， 可为类似条件的矿井提供可借鉴 的 技术经验。 责任编辑王风英 收稿日期 2 0 0 8 1 1 2 6 ； 修订 日期 2 0 0 90 30 2 作者简介 曲征 1 9 8 8 一 ， 男， 黑龙江齐齐哈尔人 ， 黑龙江科技学院安全工程学院安全工程 0 6 4班 ， 专业方向为煤矿安全工 程 ， Em a i l q u z h e n g o y a h o o ． c o rn． a n 。 9 O 煤炭技术 第 2 7卷 不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、 技术装备 水平和开采技术上存在差异、 以及在深部开采中出 现问题的程度不同 ， 因此 国际上 尚无统一 和公认 的 根据采深划分深井 的定量标准。中国煤矿开拓系统 按开采深度对矿井分类 浅矿井 埋深 H4 0 0 m 、 中深矿井 4 0 0 m≤中深矿井 8 0 0 m 、 深矿井 8 0 0 m≤深矿井 1 2 0 0 m 、 特深矿井 ≥1 2 0 0 m 。 鸡西矿业集团东海煤矿距地表垂深 9 8 0 m左 右 ， 属于深部开采矿井， 开采过程中诱发出一系列工 程灾害主要有 巷道 变形速度快 、 巷道围岩变形量、 变形范围大； 巷道持续变形、 巷道趋于稳定时问长 ； 采场矿压显现剧烈 ， 采场失稳， 易发生破坏性的冲击 地压； 高地应力通过巷道两帮传递到底板 ， 造成深部 巷道底鼓严重； 岩层温度将达到摄氏几十度的高温， 工作面温度达 3 O ℃以上， 作业环境恶化。由此可 见 ， 东海煤矿深部矿井安全开采与围岩控制是 当前 该矿井面临的的主要 问题。 1 深部开采围岩变形特征与矿压显现 规律 1 ． 1 深井巷道矿压显现特征 1 ． 1 ． 1 巷 道 变形 量 大 矿井深部巷道矿压显现的显著特点之一是从巷 道开挖伊始就产生大的收敛变形量。该特点是由深 井巷道 围岩因承受巨大的围岩应力处于破裂状态和 深井巷道围岩因采动影响而有较大的破裂范围决定 的。研究表明 ， 随开采深度增加， 巷道变形量呈近似 线性关系增大， 从 6 0 0 r f l 开始， 开采深度每增加 1 0 0 m， 巷道顶底板相对移近量平均增加 1 0 ％左右。由 于深井巷道变形量大 ， 若支护形式选择不合理 ， 则巷 道变形、 破坏更加严重 ； 因此 ， 深井巷道的维修工作 量大、 周期长 ， 维护费用高。实践表明， 深部开采的 巷道翻修率可达 4 0 ％～8 0 ％， 有些地质条件复杂的 煤矿 ， 巷道返修率甚至高达 1 0 0 ％。 1 ． 1 ． 2 掘巷初 期 变形速度 大 矿井深部巷道另一个矿压显现特点是 ， 在巷道 掘出后巷道变形速度大。现场观测表明， 深井巷道 刚开挖时的变形速度可达 5 0 m m ／ d以上。巷道掘出 后 ， 变形速度随时间的延续呈负指数曲线急剧衰减 ， 经过一定时间后趋于稳定。 1 ． 1 ． 3 地 压 大 深部矿井开采中矿压显现的主要表现有冲击地 压发生频率高、 冲击能量大、 波及范围广及无法预 测。随着我国煤矿开采深度的增加， 以及开采条件 越来越复杂， 我国的冲击矿压现象越来越多， 危害也 越来越大。冲击地压是积聚在矿井巷道和采场周围 岩体中的能量突然释放， 在井巷发生爆炸性事故， 产 生的动力将煤岩抛 向巷道 ， 同时发出强烈响声 ， 造成 煤岩体振动和煤岩体破坏， 支架与设备损坏 ， 人员伤 亡， 部分巷道垮落破坏 、 片帮。在深矿井开采中岩体 受力大， 在脆性大的岩层中， 就可能发生冲击地压。 1 ． 1 ． 4 巷道底臌量大 矿井深部巷道矿压显现的又一个显著特点是底 臌量大。从国内外的有关报道看， 深部开采的巷道 底臌现象具有普遍性 。据前苏联对部分深井资料的 统计分析 随开采深度增大， 易于产生底臌的巷道比 重越来越大 ； 随开采深度增加底臌量及其在顶底板 相对移近量中所占的比重增大。 1 ． I ． 5 地温升高 地温是指井下岩层的温度。一般情况下 ， 地温 随深度增加而增加 ， 地温决定着井下采掘工作面的 环境温度 ， 即矿井温度。在深矿井开采 中， 矿井温度 一 般都 比较高 ， 会影响人体健康 ， 降低工作效率 ， 有 时甚至会远高于人体所能承受的最高温度， 导致呼 吸困难、 死亡 。在东海矿的部分工作面 ， 其矿井温度 已接近 3 6 ℃， 严重影响工作效率和矿井产量。 1 ． 2 煤矿深井回采工作面矿压显现 1 ． 2 ． 1 老顶的初次来压 当老顶悬露达到极限跨距时， 老顶断裂形成三 铰拱式平衡 ， 同时发生已破断的岩块回转失稳 变形 失稳 ， 有时会伴随滑落失稳 顶板 的台阶下沉 ， 从 而导致工作面顶板的急剧下沉。此时， 工作面支架 呈现受力普遍加大 的现象， 称 为老顶 的初次来 压。 回采工作面煤壁上所承受的支承压力将随着老顶跨 度的加大而增加。即刚从开切 眼推进时为最小 ， 在 初次来压前则达到最大。老顶来压前 ， 回采工作面 的顶板压力并不大， 但煤壁内的支承压力却达到了 这种情况下的最大值。所以， 煤帮的变形与塌落 片 帮 ， 常常是预示工作 面顶板来压 的一个重要标志。 煤壁前方强大的支承压力 ， 可能导致直接顶在煤壁 前方形成剪切破坏 ， 从而形成顶生隙。这对 回采工 作空间的顶板管理显然也是不利的。老顶初次来压 比较突然。来压前回采工作空间上方的顶板压力比 较小。初次来压时， 老顶跨距 比较大， 影响的范围也 比较广 ， 回采工作面易出现片帮严重、 支柱钻底、 炸 顶、 台阶下沉等现象。如不及时采取得力措施 ， 就会 发生抽冒顶事故， 严重影响工人及设备的安全。 1 ． 2 ． 2 老顶的周期来压 老顶初次来压后， 工作面继续向前推进过程中， 软帮冒顶区上方形成的铰接岩梁跨度达到一定距离 后 ， 由于自身重力等因素 ， 铰接岩梁就会发生一次重 新平衡， 每次重新平衡都会出现顶板应力重新分布， 出现矿山压力异常增大的现象。这种周期性地出现 矿山压力异常增大的现象， 则被称为老顶周期来压。 周期来压的主要表现形式是 顶板下沉速度急剧增 加， 顶板的下沉量变大； 支柱所受的载荷普遍增加； 有时还可能引起煤壁片帮、 支柱折损 、 顶板发生台阶 下沉等现象。 2 深井巷道围岩控制原理 根据巷道围岩应力、 围岩强度及它们之问的相 互关系， 选择合适的巷道布置、 保护及支护方式 ， 降 第 5 期 曲征 ， 等 深部矿井压力显现规律与锚索网联合支护技术 9 1 ． 低围岩应力 ， 增加围岩强度 ， 改善围岩受力条件和赋 存环境 ， 是深井巷道 围岩控制 的基本原理。主要控 制方法归结为优化巷道布置和提高巷道保护及支护 形式 。文中主要提及 的是提高巷道保护及支护。 在巷道锚杆支护设计 中主要依据的理论有悬吊 理论、 组合梁理论和组合拱理论。悬吊理论的实质 是将巷道顶板较软弱的岩层悬吊在上部稳定的岩层 上 ， 增强较软岩层 的稳定性。组合梁理论则是关于 增加各个岩层 间的摩擦力 ， 阻止岩层沿层面继续滑 动， 避免出现离层现象 ； 同时增加岩层 间的抗剪刚 度 ， 使几个薄岩层锁成一个较厚 的岩层 。组合拱理 论的实质是关于通过锚杆形成 围岩压缩带来控制可 能出现 的两帮楔形剪切滑移的理论 。 在煤矿巷道 ， 锚杆、 锚索大都是配合使用。锚索 支护的作用机理 单体锚索通过固定在岩体内的内 锚头和锁定 的外锚头对锚 索施加预应力 ， 锚索产生 拉张弹性变形。当围岩有变形时， 锚索的预拉力通 过内、 外锚头以压力方式作用在围岩上， 平衡围岩的 变形力， 来维护巷道的稳定。当锚杆、 锚索及时支护 之后， 形成锚杆、 预应力锚索的加固群体。这样， 相 邻的锚杆、 锚索的作用力相互叠加， 组合成一个承载 拱。 这个新的承载层厚度比单用锚杆成倍增加， 能使 围岩发挥出吏大的承载作用。 3 东海深部矿井锚网索联合支护设计 3 ． 1 工程地质条件 该工作面为 3 2层 左九副巷 、 左十路 回采 工作 面， 位于五采 3 2 层绞车道东侧 ， 其范围北起 3 2层左 九路副巷， 南至 3 2 层左十路 ， 东起切割上山， 西止 3 2 层保护煤柱， 面积 1 1 0 9 4 0 r n 2 。该工作面上部为 3 2 层左九路采空 区， 下部为本层未开采区， 西部为本层 未开采 区， 东部为采区边界。该区煤厚在 1 ． 6 1 ． 9 m之间 ， 煤层结构复杂 ； 该 区煤层伪顶为页岩 ， 厚度 为 0 ． 3 4 m左右， 直接顶为粉砂岩 ， 厚度为 1 ． 2 8 m左 右， 老顶为粉细砂岩 ， 厚度为 7 ． 9 2 m左右 ； 底板为页 岩， 厚度为 3 ． 4 2 m左右 ， 粉细砂岩厚度 2 ． 5 1 T I 左右， 中砂岩厚度为 8 ． 4 0 m左右 。 3 ． 2 锚网索支护参数确定 单从锚杆作用的角度来看不能提高巷道支护强 度 ， 原因是锚杆长度小 ， 药卷锚固长度小且在巷道的 破碎 区内， 这无法阻止巷道顶板的破坏。因此锚杆 支护的设计就不应单纯从提高支护体强度的角度来 考虑 ， 而应从对破坏围岩的加 固、 阻止围岩继续松动 和提高松动体自稳性的角度来考虑。既要突出锚杆 支护的优越性， 又能使复合顶板的支护效果得以保 证。锚索有很好的延展性和抗拉强度， 使锚索形成 的锚固岩体在巷道围岩中形成一条强度大、 塑性强、 结构稳定的承载体。根据现场实际煤层覆存条件和 地质条件 ， 采用工程类 比的方法进行设计。断面特 征以及锚杆锚索护设计参数见表 1 ， 断面设计 图见 图 1 。 表 1 断面特征与锚杆锚索参数表 4 结论 缱枉 金属网 壁塞 图 1 锚杆锚索断面相间隔布置图 1 随着煤层开采深度的逐渐增加 ， 围岩的物理 性质的变化 ， 矿压 显现形式增加 ， 矿压显现加剧 ， 巷 道维护困难， 维护周期长， 维修费用大， 对人员设备 的威胁增加。 2 巷道发生明显流变特征 。在巷道掘进后 随 着时间延续 ， 深部巷道持续变形 ， 巷道断面积明显减 小， 巷道变形趋于稳定的时间长 ， 巷道围岩变形速度 快 ， 变形量大 ， 深井巷道失效率高 ， 易造成采掘失调。 3 煤矿深井巷道的矿压控制应该着重考虑优 化巷道的布置， 增加巷道的自 稳能力， 加强巷道两帮 及底板控制 ， 提高破坏 区围岩强度 ， 改善 、 发展巷道 的支护形式， 充分利用以锚杆为支护主体， 锚索、 金 属网为辅助支护体的锚喷、 锚网、 锚索、 锚喷网等联 合支护形式 。 参考文献 [ 1 ] 郭守泉． 矿井深部开采矿压与支护技术研究[ D ] ． 辽宁工程技 术大学硕士学位论文， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 马念杰 ． 煤巷锚杆支护地应力设计方法[ J ] ． 矿山压力与顶板管 理 ， 1 9 9 7 ， 3 ／ 4 ． [ 3 ] 何满潮， 李春华． 锚索关键部位二次支护技术研究及其应用 [ J ] ． 建井技术， 2 0 0 2 ， 1 ． [ 4 ] 袁和生． 煤矿巷道锚杆支护技术[ M ] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 7． [ 5 ] 陈炎光， 钱鸣高． 中国煤矿采场围岩控制[ M ] ． 徐州 中国矿业 大学出版杜 。 1 9 9 4 ． 责任编辑王凤 英