深部矿井开采巷道地压与位移检测研究.pdf

第 2 l 卷第 5 期 2 0 1 2年 5月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo1 ．21．NO． 5 M a y 2 01 2 深部矿 井开采巷 道地压与位移检 测研 究 李正胜 ，苗胜军 ，任奋华 ，杨文亮 1 ．北 京科技 大学 土木与 环境 工程 学 院 ，北 京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．阳煤 集 团和 顺新 大地 煤 业有 限公 司 ，山西 和顺 0 3 2 7 0 0 摘要 随着 吕家坨井 工矿开采规模 的扩大和开采深 度的逐年增加 ，面临着诸如巷道 和工 作面稳定 性等安全 问题 ，为 了监测采场周 围岩体 和煤体 应力的变化规律 ，分别在采面 机巷和上 山中布置 8 个 钻孔 应力计 5 个多点位移计 和 3 组断 面收敛计对 区域内采煤 工作面和巷道进行 现场应力 和变形监测 ，并 对结 果做 出分析 ，找 出矿压规律 ，对深部开采 围岩 矿压 规律进行预测 ，对矿山安全生产具有重要指导意义 。 关键词 检测 ；深部开采 ；围岩变形 ； 支撑 压力 中图分类 号TD 3 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 O 1 2 0 5 0 0 9 6 0 3 S t u d y o n mo n i t o r i ng o f r o a d wa y p r e s s u r e a n d d i s pl a c e me n t i n d e e p m i n i n g LI Z h e n g s h e n g ，MI AO S h e n g j u n ，REN Fe n h u a ，YANG We n l i a n g 1 ． S c h o o l o f Ci v i l a n d En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a 2 ． Ya n g q u a n C o a l Gr o u p H e s h u n Xi n d a d i Co a 1 Co ． ，L t d ．，H e s h u n 0 3 2 7 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e e x p a n s i o n o f t h e s c a l e o f mi n i n g a n d mi n i n g d e p t h i n c r e a s i n g y e a r b y y e a r o f L v j i a t U O mi n e ， t h e r e a r e ma n y s e c u r i t y p r o b l e m s ，s u c h a s s t a b i l i t y o f r o a d wa y a n d wo r k i n g f a c e ，a n d S O o n ． I n o r de r t O mo ni t or t h e c ha n gi ng b e ha v e l a w of mi ne pr e s s u r e a n d s ur r ou ndi ng r o c k s t r e s s，e i g ht bo r e h ol e s t r e s s me t e r s， f i ve m u l t i po i nt e xt e ns ome t e r s a nd t hr e e i ns t r u me nt of r o ad wa y a r e a r r a n ge d r e s pe c t i v e l y i n t he ha ul a ge wa y an d bo r d - up． To mo ni t or t he s t r e s s o f wor ki ng f a c e a n d d e f o r ma t i on o f t un e l i n t he a r e a，t o ma ke a n a l ys i s o f t he r e s u l t s，t o f i nd be ha ve l aw o f mi ne pr e s s ur e a n d f or e c a s t t h e be h a ve l a w o f s ur r ou ndi ng r oc k i n d e e p m i ni ng ha v e i m p or t a nt gu i di ng s i g ni f i c a nc e f o r t he m i ne s a f e t y p r o du c t i on． Ke y wo r d sde t e c t i o n；de e p m i n i n g；de f or ma t i on of s u r r ou nd i ng r oc k；a but me n t p r e s s ur e 在 煤 层 的深 部 开 采 中 ，在 工 作 面 的前 方 会 出 现较 大 的支 撑 压 力 ，造 成 巷 道 围岩 的 变 形 ，并 且 支 撑压 力 和 巷 道 围岩 的变 形 会 随 着 工 作 面 的 推 进 不断 的移 动和变 化 ，对安 全 开采危 害很 大口 ] 。所 以 我们需要掌握在深部开 采过程 中巷道 围岩压力 的 分 布 和变 化 规 律 ，从 而 确 定 开 采 动 态 过 程 中 围 岩 压力和巷道变形 的影响 区域 ，选择合理 的巷道位 置，确定煤柱尺 寸，对巷 道 围压实行 有效地 管理 和控制 ，确保巷道围岩的稳定性[ 2 ] 。 1工程概 况 吕家拓井工矿位 于河北省唐山市古 冶区境内， 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 一O 7 基金项 目国家 自然科学基 金项 目资助 编 号 1 1 0 0 2 0 2 1 ；中央 高校基本科研业务费专项资金资助 作者简 介李正 胜 1 9 8 6 一 ，男 ，山东青 岛人，硕士研 究生． 主 要从事地应力 测量 、矿压监测 、巷道 支护等 。E ma i l L i z h e n g s h e n g 0 5 1 2 1 6 3 ． c o m。 西距 唐 山 1 8 k m，北 距 古 冶 9 k m，地 理 坐 标 为 东 经 1 1 8 。 2 4 ，北纬 3 9 。 4 O 井 田含煤 地 层 属二 叠 系 下统 和 石炭系上统 ，含煤 2 O余层。矿井采用立井多水平集 中大巷上 山开拓 。煤 层群 联合 开 采 ，主要 井 巷一 般 布置在 煤 层 群 最 下 可 采 煤 层 1 2煤 层 底 板 以下 2 0 7 0 m 的灰 色 中粗砂 岩 深灰 粉 砂 岩层 内，原煤 生 产主要集 中在 一8 0 0水 平 ，为 一8 0 O三 采 、四 采里 、 八采 一6 0 0出 煤 ，而 一 9 5 0水 平 只 有 一 个 采 区 首 采且 一9 5 0水 平正 在延 深 中 ，井 田内断裂 构造 发育，主要煤层局部节理 和裂隙发育 ，矿山压力显 现 比较 明显 ，对 支 护带来 不 利影 响 ，矿 山压 力 大 和 断裂构造发 育是 本 矿井 地 质条 件 的显 著特 点 ，对 矿 山安全 生产 影 响 较 大 。对 于 矿 山 生产 来 说 ，及 时 、 准确、全面地获得矿 山压力信息，并从 中分析和掌 握采煤工作面的矿压规律是非常必要 的。以此指导 生产 ，是保证矿山安全生产的重要技术 。 第 5期 李正胜 ，等 深部矿井开采巷道地压 与位移 检测研究 9 7 2工作 面支 撑 压力 测量 2 ． 1检测方 法 地下采煤破坏 了采动空 间周边煤岩体 的应力 平衡 ，引起煤岩体 内部应力 的重新 分布。重新 分 布后的应力超过煤 岩体 的极 限强 度时 ，使地 下巷 道 或采 煤 工 作 面 周 围 的 煤 岩 体 破 坏 ，并 向 已 采 空 间移动 ，直 到 达 到新 的 应 力 平 衡 。对 于 矿 山 生 产 来说 ，及 时、准 确、全 面地获 得 矿 山压力 信息 ， 并从中分析和掌握采煤工作 面的矿压规律是 非常 必要的E 4 - C。为了监测采煤过程 中由于采煤扰动引 起采场 周 围 岩体 和 煤 体 应 力 的变 化 规 律 ，采 用 KS E - I I 一 1型钻 孔 应 力 计 对 区域 内 采 煤 工 作 面 进 行 现 场应 力监 测 ， 以便 从 中找 出 矿 压 规 律 ，指 导 实 际生产工作 。KS E I I 一 1型钻孔 应力采用充 液膨胀 的钻孔应力 枕特殊 结构形式 ，专用 于煤、岩体 内 相 对应 力 的测量 。 2 ． 2 测点 布置 如 图 1所示 ，在 6 1 7 7采 面 机 巷 煤 体 侧 进 行 煤 体 应力 监测 ，共 安设 钻孔 应力 计 8个 。于巷 帮 中部 并 排打 孔 ，孑 L 径 4 5 mm，测 站 间距 为 1 O ～1 5 m，钻 孑 L 深度 为 1 0 ～1 4 m。 图 1 6 1 7 7采 面 及 矿 压 监 测 位 置 示 意 图 2 ． 3 检 测结 果 根据测量 结果 ，计算 出各测点在各 时 间对 应 的钻孔压应力 ，绘 出应力值 随测点与工作 面的距 离 变化 关 系曲线 图 ，见 图 2 。 l l O l O O 9 0 8 O 7 O 6 o 5 0 4 0 3 O 2 0 l O o 测孔距 回采工作面距离， m 图 2钻孔压应力与工作面距离关 系图 4 5 4 0 3 5 3 O 2 5 里 2 0据 1 5 3岩巷 围岩 变 形监测 为了研究工作 面开采过程 中巷道 围岩变形 规 律 ，如 图 1所 示 ，在 靠 近 己 6 1 7 7采 面最 近 的运 输 巷 道设 置 3个 断面 ，断面 间距 为 6 0 m，分 别进行 巷 道 顶板 岩层 位移 监测 及巷 道断 面收敛 变形 _ 6 ] 。 3 ． 1 巷道 顶板 岩层位 移监 测 监 测方法及 测点 布置 。巷 道顶板 岩 层位 移采 用 B O F - E X 型钻 孔 多 点位 移 计 监测 ，获 取监 测孔 不 同 高程处顶板岩层位移量，从而确定顶板岩层变形规 律 。B O F _ E X型 多点位移计测孔 孔径 7 6 mm，可测 模 块 数 1 ～1 0个 ，测量精 度 0 ． 0 1 mm。如图 3所示 ，每 个 断面测孔 安装 3 个 多 点位 移计 ，各断 面 1 、2 、 3 位 移计 安装深度分 别为 1 6 m、1 2 m、8 m。 3 2 8 O 3 2 g 2 4 8 O 3 2 鲁 2 4 { 删1 6 V -8 0 O 2 O 4 0 6 0 8 0 l O O 1 2 o 1 4 o 1 6 o 1 8 o 时间， d a 断面 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 1 2 o 1 4 o 1 6 o l 8 0 时间， d b 断面2 0 2 0 4 0 6 O 8 0 1 o o 1 2 o 1 4 o 1 6 o 1 8 0 时间， d c 断面3 图 3顶板位移测子 L 及断面收敛基线位置示意图 巷道顶板 岩层位移测量结果 。通过对监测数 据 进行 分 析 ，各 断 面 多 点 位 移 计 监 测 点 下 沉 量 随 时 间变 化 的曲线 如 图 4所示 。 3 ． 2 巷 道 断面 收敛测 量 断 面收 敛 测 量 方 法 及 测 点 位 置 断 面 收 敛 测 量 采用 J S S 3 0 A一 3 0数显收敛计 ，该 收敛计量测基线 长度为 0 ． 5 ～1 5 m，读 数精度 为0 ． 0 1 ram，量 测 精度0 ． 0 5 mm。巷道量测断面位置及测量基线位 置分别如图 1和图 3所示 。 9 8 中 国 矿 业 第2 1 卷 根据测量结果做出 3个断面各测线的收敛变形 值 曲线 如 图 5 所 示 。 端部锚块 测量模块 对中器 延伸管 机械式锚块 昌 皇 暑 鲁 皿 唧 置 暑 图 4顶板 多点位移计监测结 果 监 钡9 时l司／ d c 断面3 图 5断面各 测线的收敛变形值 曲线 4 吕家拓 矿深 部矿 压显 现规 律 根 据 现 场 多 源 动 态 监 测 结 果 ，得 到 吕 家 拓 矿 深 部开 采矿 压显 现规 律 。 1 图 2 显示了随着回采工作面推进而接近压力 监测点时 ，监测点所测压力值开始是稳定的，然后 逐步增高 ，超过峰值后下降。在采煤工作面前方O ～ 2 0 m的范围内应力是上升 的；最大支承压力位于采 煤 工作 面前方 1 0 ～2 0 m 的范 围内 ；超 过最 大支 承压 应 力点后 ，应力值 逐步 减小 ；在 8 0 m 以外 ，应 力 趋 于稳 定l_ 9 ] 。测 得最 大支 承 压应 力 为 4 3 MP a ，现 场实 测 6 1 7 7机巷 的垂 直应 力 为 1 2 ． 1 4 MP a 。最大 支 承压 应力 为垂直应 力 的 3 ． 5 4 倍 。 2 由各断 面多点位移计 监测点下 沉量 随时 间变 化的折线 图很好 的反 映 了巷 道 顶 板 和 围 岩 内部 8 m 和 1 2 m 处 的下沉 值 。同时得 出 ①各 断面 孔 口的下 沉量最大 ，3 测点次之 ，2 测点 最小 ②各 断 面孔 口 的下沉 量 比较 的接 近 ，最 大 达 到 2 0 ram；各 测 点 的 位移和下沉 量 呈现 不断 增 加 的趋势 。因此 回风 上 山 顶板有 向不 稳 定发 展 的趋 势 ，为控 制 不利 趋 势 ，保 证巷道 的稳 定和正 常运行 ，必要 时需进行二 次支护 。 3 由 图 5所 示 ， 回采 过 程 中 ，邻 近 巷 道 围岩 变形 经历 了 3 个 阶段 ① 当测点 离 回采工 作 面较远 时 ，变 形 缓 慢 增 长 ；② 随 回采 工 作 面 推 进 ，变 形 急剧 增 长 ，最 高 收 敛 速 率 达 0 ． 7 mm／ d ，持 续 约 5 0 d ，期 间累计变 形量 达巷 道 围岩 总变 形 量 5 O 以 上 ；③ 随着工 作 面 继 续 推 进 ，变 形 缓 慢 并 逐 步 趋 于稳 定 ，当收敛 速 率 小 于 0 ． 1 mm／ d时 ，巷 道 围 岩 趋 于稳定 。 I 参 考 文献 姜 福兴．矿山压力 与岩层控制 [ M] ．北京 煤炭 工业 出版 社 ，2 0 0 4 ． 杜计平 ， 苏景春．煤矿 深井 开采 的矿 压显 现及控 制 [ M] ． 徐 州中国矿业大学出版社 ，2 0 0 0 ． Mi a o，S ． J ．，I a i ，X． P．，Zh a o，X． G．， Re n，F． H． 2 0 0 9 ．Sim u l a t i o n e x p e r i me n t o f AE b a s e d l o c a l i z a t i o n d a m a g e a n d d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c o n c o v i n g r o c k i n m i n e d o u t a r e a t J ] ．I n t e r n a t io n a l J o u r n a l o f Mi n e r a l s ，Me t a l l u r g y a nd M a t e r i a l s ，1 6 3 25 5 26 0 ． 谢广祥 ， 杨科 ，常聚才 ，等．综放采场 围岩支承压力分布及 动力灾害的层厚效应 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 6 ， 3 1 6 7 3 1 7 3 5 ． To d e r a s ，M i h a e l a ． Th e e v a l u a t i o n o f t h e p r e s s u r e’ S ma n i f e s t a t i o n s o f s t r e s s d ue t O t he s u r r o un d i n g m a i n h o r i z o nt a l mi n e wo r k i n g s a t Va l e a J i u l u i a r e a，a c c o r d i ng t o t he k n o wl ～ e d g e o f t h e r h e o l o g i c a l b e h a v i o ur o f t he s u r r o u n ding r o c k s E J ] ．J o u r n a l o f Mi n e s ，Me t a l s a n d F u e l s ，2 0 0 6 ，5 4 1 2 3 0 0 3 0 4 ． 滕永海 ，阎 振斌 ．采 动 过程 中覆 岩离 层 发 育规 律 的 研 究 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 9 ，2 4 1 2 5 2 8 ． Ma j c h e r c z y k Ta d e u s z ， Ma k o ws k i P i o t r ， N i e d b a l s k i Z b i g n i e w．Sp e e d o f r o o f r o c k s e p a r a t i o n a n d a t y p e o f wo r k i n g ’ S s u p p o r t [ A] ．Ne w Te c h n o l o g i c a l S o l u t i o n s i n Un d e r g r o u n d Mi n i n g I n t e r n a t i o n a l Mi n i n g F o r u m [ c ] ．Ta y l o r a n d F r a n c i s ／B a l k e ma ，2 0 0 6 ． 苏华友 ，杨有玉．隧洞施工 中围岩 收敛观测及分析[ J ] ．中 国矿业大学学报 ，2 0 0 2 ， 3 1 2 1 9 8 ～2 0 3 ． 蔡美峰．平顶山八矿基于矿压 观测 的安全 管理信 息系统 研 究 J R] ．北京 北京科技大学 ，2 0 0 8 ．