深部巷道围岩破坏机理及支护研究.pdf

1 6 能 源 技 术 与 管 理 E n e r g y T e c h n o l o g y a n d Ma n a g e me n t 2 0 1 3年第 3 8 卷第 4期 Vo 1 ． 3 8 No ．4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．i s s n ． 1 6 7 2 - 9 9 4 3 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 6 深部巷道围岩破坏机理及支护研究 陈刚 ， 孙广义 - ， 王琼 1黑龙江科技学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 2 7 ； 2哈尔滨学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 6 [ 摘要] 巷道 围岩 变形量大、 支护困难是深井开采的主要 问题 ， 以东海煤矿五采区巷道为研 究对象， 在大量现场调研和 实验 室实验的基础上， 对深部巷道大变形的机理及影响 因素进行 了分析 ， 并提 出相应的控制措施 ， 对生产实践有一定的指导意义。 [ 关键词 ] 深部开采； 巷道大变形 ； 采动影响； 控制措施 [ 中图分类号 ]T D3 5 3 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号]1 6 7 2 _ 9 9 4 3 2 0 1 3 0 4 0 1 6 _ 0 2 1 概况 东海煤矿是鸡西矿业集团的主要矿井之一 ， 产量超过 1 ． 5 Mt ／ a ， 矿井 的开拓方式为斜井 开拓 ， 目前五采 区主要为开采下山阶段 ，其轨道下 山布 置在底板岩层中， 拱形断面 ， 巷道开拓初期采用锚 杆支护，但随着开采深度的增加，开采深度接近 7 4 0 m时 ， 巷道 围岩变形严重 ， 支护维修 困难 ， 严 重影响正常生产 。 2 巷道围岩变形破坏特点 2 ． 1 顶板岩层破坏形式 巷道顶板岩层节理裂隙发育 ，且在距离顶板 一 定高度范围内含有多层页岩。随着开采深度的 增加 ， 围岩压力增大 ， 顶板岩层中的结构面在高应 力的作用下不断扩展 ， 并且相互贯通 ， 形成层状结 构。该层状结构中顶板的薄层在两帮挤压下极易 破碎 ， 这使得锚杆 、 锚索支护变得极为困难 ， 在不 采取其它措施的情况下会产生顶底局部冒落的危 险， 冒顶高度最大可达 5 m。 2 - 2 巷帮破坏情况 巷道两帮在高应力集中条件下 ， 岩石产生劈裂 破坏 ， 形成大量裂隙。 裂隙一旦贯通 ， 破裂岩块从岩 体上脱落 ， 支护失效 ， 围岩产生大量变形 ， 松动范 围逐渐增大。 这时维修锚杆无稳定锚 固端 ， 需采用 复杂的注浆工艺进行锚喷支护，给安全生产带来 极大的不便。该矿多次维修，维修初期巷道断面 大， 半年 以后巷道断面逐步变小 ， 影响正常生产。 2 ． 3 巷道底鼓 在高应力作用下 ， 巷道底板岩层 向上鼓起 ， 这 一 现象在东海煤矿五采区准备巷道中普遍存在， 需要不断进行维修 ，破坏严重的区域 1 a 需进行 多次卧底 ， 造成辅助运输终断， 严重影响生产。 2 ． 4 锚杆 、 锚索失效 锚杆、 锚索为巷道主要支护材料， 一端锚固在 稳定的岩体内，一端施加预紧力后通过托盘 固定 在岩体外表面， 起到悬吊和挤压加固作用。 当顶板 及两帮岩层破碎后 ， 由巷道表面处开始脱落 ， 造成 托盘处悬空 ， 锚杆、 锚索外端无受力点 ， 从而造成 局部锚杆、 锚索被拉断、 失效 。 虽然该矿对这些巷道进行了多次维修 ，成本 很高 ， 但维护效果差。 在一些巷道围岩破坏严重地 段把锚索当作锚杆来使用进行维修， 锚索间排距 离缩小到 1 ． 0 m，但后来还是无法维修而最终报 废 ， 如 3 5号层轨道下山上部已经报废 ， 迫使重新 掘进巷道 ， 维持生产 ， 增加 了生产成本。 3 巷道 围岩大变形影响因素分析 3 ． 1 岩石性质的影响 为研究巷道 围岩变形机理 ，在该下山内取 3 组岩样进行力学参数测定 ， 每组制做 3个试件 ， 共 计 9 个试件进行单轴压缩实验 ，实验后对实验结 果进行整理 ， 每组取平均值后结果如表 1 所示。实 验中岩石脆性 ， 强度较高 ， 但由于围岩 中存在软硬 岩层交替赋存的现象， 大大降低了围岩强度， 使巷 道出现围岩变形时间长， 破坏范围大的现象⋯ 。 表 1 岩石力学参数 基金 项目 黑 龙江省教育厅科 研项目 N 0 ． 1 1 5 4 4 0 4 3 由于围岩体中含有的坚硬岩层中存在软弱夹 2 0 1 3年 8月 F e b ．， 2 0 1 3 陈刚， 等深部巷道围岩破坏机理及支护研究 1 7 层， 所以岩体强度是实验结果的 0 ． 5 倍 ， 取表 1 中 均值 ， 则可得巷道围岩的抗压强度 3 6． 7 6 MPa 结果表明，该巷道围岩已经接近工程软岩的 性质。 3 ． 2 覆岩层压力 随着巷道埋藏深度的增加， 巷道围岩所承受 的自重应力及 由其引起 的水平方 向上 的压力也不 断增加。深度越大， 压力就越大 。无其它外界因 素影响时 ， 巷道围岩压力可简化为静水压力 ， 按此 规律来进行研究。这时巷道围岩所 承受的压力就 会在岩体强度低、 支护力小的地方释放， 如巷道底 角， 在这个区域产生大变形， 直至破坏， 因此必须 采取有效措施防止这一现象的发生。 该围岩 自 重应力 P 计算 尸 1 式中 ， r 为容重 ； H为深度 。 经计算 ， P 2 5 MP a 该巷道 围岩 的软化临界深度 计算E ] He 5 0 0 H 2 t ＼ ／ 式 中， Ⅳ为各岩层厚度 。 经计算 ， H 6 3 0 m 从式 2 可以看 出 ， 当深度达到 6 3 0 m时 ， 该 巷道 围岩条件下 的工程已达到深部开采状态 ， 深 度达到 7 4 0 m时， 井巷工程已属软岩范畴。 岩体的平均泊松 比 为 0 ． 3 1 5 ， 按弹缩性理论 计算 ， 巷道侧压系数 A为 0 ．4 6 ， 根据s h e o r e y 假说 提出巷道侧 压力经验公式 ，巷道侧 压系数 A为 0 ． 4 ， 变形模量 E由实验确定 ， 平均值为 1 0 ． 9 1 。 巷道的侧压力 为 1 A P 1 0 ． 0 2 ～ 1 1 ． 4 MP a 3 在无支护的情况下 ，巷道两帮围岩塑性区范 围为 R 7 ． 8 8 m 3 ． 3采动影响 深部开采矿井采煤工作面支承压力影响范围 大， 造成在岩层 中的五采区轨道下山受回采工作面 动压影响也较大。 由于五采 区为双翼采区 ， 下山两 侧均有采煤工作面 ， 承受两侧工作面的动压影响 ， 支承压力影响范围达到1 2 0 m以上， 原设计1 0 0 m 的下山保护煤柱满足不了巷道保护的要求。 4 巷道变形破坏机理 该轨道下山的变形破坏主要体现在顶板岩 层在高围岩压力作用下裂隙面扩展 、 贯通 ， 岩体出 现层状破坏 ，达到一定程度后脱落 ，造成支护失 效 ， 围岩破坏范围进～步增大。 自重引起 的水平应 力使巷帮向巷道内移动 ， 顶板产生剪切破坏 ， 两帮 产生劈裂破坏。底板在两帮的挤压作用下向上鼓 起 ， 并产生破坏。 在上覆岩层的压力与回采工作面 支承压力 的共 同影响下 ， 巷道两帮相对移近 ， 对顶 板产生挤压， 造成顶板破坏。随着破坏的发展， 岩 体裂隙扩张， 体积增大 ， 引起岩层向临空面弯曲， 产生高的接应力。 巷道围岩首先 由巷道顶板压力与 回采工作面 超前压应力引起巷道两帮向巷道 内移动 ，造成巷 道围岩的挤压破坏。随着挤压破坏向围岩深处发 展， 岩石裂隙扩张和体积膨胀， 巷道周边岩层弯曲 产生弯曲拉应力 ， 最后导致顶板岩层离层、 破坏。 5 巷道围岩控制措施 下山位置选择时应远离应力集中区、采动影 响区， 有构造应力存在时， 巷道长轴避免与构造应 力垂直， 巷道尽可能布置于稳定的厚岩层。 深井巷 道支护中， 除要求合理选择巷道位置以外， 巷道支 护还要满足以下要求 一是增加围岩 自身承载能 力， 二是提供足够大的持续的支撑力H ]。 根据以上 要求，东海矿深井巷道围岩控制可以采取以下措 施 采用注浆工艺把破碎的巷道围岩粘结在一起 ， 充填围岩中的裂隙， 提高围岩内聚力； 采用高强度 预应力锚杆支护围岩 ，通过预紧力形成挤压加固 拱， 提高围岩体强度； 用高强度锚索把巷道围岩悬 吊在深部稳定岩体 中， 减小 围岩移近量 ； 采用u型 钢可缩性支架， 提供足够大的持续的支撑力； 用喷 浆 防止水及空气对 围岩的风化作用。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 赵国栋． 巨厚复合顶煤大断面煤巷围岩控制技术研究 [ D] ． 北京 中国矿业大学 北京 ， 2 0 1 1 [ 2 ] 李占金． 鹤煤五矿深部岩巷变形机理及控制对策研究 [ D] ． 北京 中国矿业大学 北京 ， 2 0 0 9 【 3 ] 李伟． 深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究 [ D] ． 青岛 山东科技大学， 2 0 1 0 f 4 ] 韦四江． 预紧力对巷道围岩锚固体稳定的作用机理及 工程应用[ D] ． 焦作 河南理工大学， 2 0 1 1 [ 作者简介 ] 陈刚 1 9 7 9 一 ， 男， 讲师， 硕士， 现在黑龙江科技学院主 要从事煤矿开采方法及矿山压力控制方向研究。 『 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 8 ]