深井沿空掘巷底臌机理研究.pdf

工业技术 Q Sci e nce and Tec hn OI O gy I nn ovat i on Her al d 深井沿空掘巷底臌机理研究 周 业 亭 淄博矿业集团许厂煤矿 山东济宁 2 7 2 0 0 0 摘要 分析 了国内外 回采巷道底 臌 力学原理 及控 制技术方 面的研 究成粟 。 传统 的底臌控 制研 究均固绕巷 道底板进 行 ， 难 以从根 本上解 决回采巷 道底臌控 制 问题 。 通过 现 场试 验及 理论分 析认 为， 回采巷 道底臌 的主要 影响 因素是 工作 面超前支承 压 力， 回采巷道 底臌主要 来 自底板破 碎 岩层 的峰 后变形 ， 而顶板 ， 两帮的变 形对 底臌亦 产生重要 影响 ， 因此 ， 回采巷道 的底臌控 制 与巷 道 围岩整体稳 定性 有关 ， 在提 高巷道 围岩整体 稳 定性 的 同时 ， 加 固帮 ． 角可较 好 地控 制回 采巷 道 的底 臌 。 关键 词 回采巷道 底臌 力学原理 深部开采 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 l 6 7 4 一 o 9 8 X O 1 2 0 2 c - o O 6 5 - o 2 1国内外发展现状 1 ． 1发展现状 从 国内外研 究现 状可知 ， 在巷 道底 臌 机 理及 控 制技 术方 面 已取 得 了大量 的 成 果 。 但 是 由于 煤矿巷道 应力状况和 围岩性 质的复杂性 ， 到 目前为止 ， 在巷道底臌机理 方面 尚没有统 一的认识 。 每 一种底 臌机理 只能 解释一 定条件下 的巷道底 臌现象 ， 对 于大部 分 回采 巷道 ， 底臌主 要是在 工作面 回采过程 中发生的 ， 因此 ， 回采巷道的底臌 与 工 作 面 超 前 支 承 压 力 及 侧 向支 承 压 力有 关 ， 而 超 前 支 承 压 力和 侧 向 支 承 压 力 是 通 过 顶 板 、 两 帮 传 递 到 底 板 的 ， 因此 ， 回 采 巷 道的底臌还与巷道较大范围内 围岩的力学 性 质 有 关 。 在这些底 臌机 理的研 究 中 ， 基本 未考 虑工作 面超前支 承压力对 底臌的影 响 ， 也 未考虑巷道较 大范围内围岩性质对底臌的 影响 ， 对 在支承压 力作用下 底板岩 层的运 动规律 尚没有深入 的研究 。 实际上 ， 底臌不 只是 与巷道底板岩 层有关 ， 还与煤层 、 直接 顶 、 老 顶 的赋 存状况 及 力学特 性有 关 。 因 此 ， 底 臌控 制技术 如只 围绕 底板进行 就难 以达 到 理 想 的 控 制 效 果 ； 沿 空 掘 巷 技 术正 在得到越 来越广泛 的应用 ， 底臌 已成 为这 类巷道迫 切需要解决 的问题之 一 ， 不但影 响巷道 的正常使用 ， 对巷道整体 的稳定性 也造 成 了严重的影 响 ， 而这类 巷道的应 力 环境 与一 般的 回采 巷道不 同 ， 底臌机理 也 不一 样 ， 而 目前关于这 类巷道 的底臌 力学 原理 及其控 制技术 尚未进行深 入研究 。 由 于对 回采巷道 底臌机理认识 上存在 的模糊 性 ， 导致底 臌控制措 施的盲 目性 和对 经验 的 依 赖 性 。 因 此 而 造 成 的 损 失 也 不 可 低估 ， 在 我 国 因底 臌 控 制 失 败 而 造 成 重 大 损 失的 事 例 屡 见 不 鲜 。 因 此 ， 为 我 国 矿 井 更好 地 控 制 回采 巷道的 底臌 ， 对底 臌力学原理 及控 制技 术的进一步研 究是非常必要 的。 1 ． 2最新研究进展 1 ． 2 ． 1回采巷道 围岩变形特性 支 承 压 力 作用 下 回 采 巷 道 围 岩 变 形 特 沿 空掘巷 煤柱采 空区 图1 沿空巷道整体力学模型 性在 支承压 力的作用下 ， 回采巷道 围岩 整 体 下沉 ， 顶板 的下沉与煤 岩力学性 质及支 护 强 度 有 关 ， 煤 岩 强 度 越 大 ， 支 护 强 度 越 高 ， 顶板下沉量 越小； 两帮 的下沉主要包括 两部分 ， 一是两帮 煤体在支 承压力作用 下 发生 塑性变形而 产生的下沉 ， 二是 当底 板 较松软 ， 在煤体传递 的支承压 力作用下产 生 滑 移 ， 而 造 成 两帮 嵌 入 底板 ； 巷 道 两 帮 及 顶 板 的 下沉 均 对 两 帮 移近 底 臌 产生 重要 影 响 ， 二者呈正 增长 关系 。 1 ． 2． 2关 于 底 臌 力学 原 理 1 回采巷道 底臌的主要影响因素是工 作面超前 支承压 力。 底臌过程是 底板岩层 的压曲、 扩容 、 破碎岩体在二次水平应力作 用 下 的 峰 后 变 形 。 2 回采巷道底臌以挤压流动性底臌和 挠 曲褶皱性 底臌为 主 ， 其 中挤压 流动性底 臌 主 要 发 生 在 底 板 较 松 软 破 碎 的 回 采 巷 道 ， 挠 曲褶皱 性底 臌发 生在底板 呈层状赋 存 的 回 采 巷 道 。 3 两帮下沉及移近对底臌有重要影响。 在 支承压力作用下两帮下沉并 向巷道内移 动， 同时产生二次水平应力 ， 底板破碎岩体 在 二 次 水 平 应 力 的 作 用 下 沿 原 生 的 或 次 生 的裂隙面滑移 ， 从而产生强烈底臌。 因此底 臌 与两 帮 移 近 往 往 同时 发生 ， 相 互 影 响 。 4 沿空巷道底板岩层的运动规律与实 体 煤巷道不 同， 在实体 煤帮高应 力的 作用 下 ， 底板岩层整体 向采空 区方向移动。 2底鼓发生的一般原理 1 底板承载 力不足 。 巷道底板岩 体软 弱 ， 强度低 ， 承载力不足是造成底鼓的直接 原因， 具有底鼓现象的矿井 中， 其底板岩体 往往多为粘土 质或泥质页岩、 砂岩等 ， 岩体 的 强度普 遍偏低 ， 在围岩应 力作用下表现 出显著 的塑性和流变性 。 2 地压 。 井巷 围岩 中的高支承压 力是 造成底 鼓的决定 性因素 ， 深 部巷道遇 到底 鼓的情 况比浅部 巷道 多， 孤 岛采区或孤 岛 工作面中巷道的底鼓情况比其他采区或工 作面的巷道严重， 这 完全是 由于地压升高 ， 存在着一个 高支承 压力带所至 。 3 膨胀变形 。 井巷 开挖后 由于岩体应 力的释放或 岩体吸水 膨胀 ， 致 使围岩沿 四 周向巷道 内挤压 ， 支护 体在一定 程度上抑 制了岩体的挤压膨胀 ， 但如底部没有约束 ， 围岩裸 露 ， 必然形成 鼓胀 和应力释放 的集 中部位 ， 造成底板上鼓 ， 在实际工程 中底鼓 的产生 ， 往往是 多种 因素同时综合作用 的 结 果 。 3底鼓的力学原理分析 底 鼓 是动 压 巷 道矿 压显 现 的重 要 特 征 ， 综放沿掘巷道是一类特殊 的动压巷道， 巷道一帮 为已进入 塑性状 态的窄煤柱 ， 另 一 帮为实 煤体 ， 巷道处 于采空侧应力降低 区 ， 但是煤 体帮的应 力集 中系数比一般 回 采 巷道 高 ， 实 践 证 明 ， 这 类巷 道 比 一 般 的 动 压巷道更容 易产生底鼓 ， 已成为影响综放 工作面正常生产的主要因素之一。 因此 ， 对 综放沿空掘巷底鼓力学原理的研究是十分 必 要 的 。 根据关键层理论和综放工作面采空侧 上 覆 岩 层 活 动 。 规律可知 ， 上区段工作面推过后 ， 关键 顶 板 在 下 区 段 煤 体 内 断 裂形 成 侧 向 砌 体 梁 结构 ， 即所谓 “ 大结构” ， 与此 同时 ， 侧向集 中应 力向下 区段深部 煤体转移 ， 大结构下 部煤 岩处于应 力降低区 ， 沿空巷 道即布置 在此应 力降低区 内， 如 图l 所示 。 由于大结 构 以给 定变形 方式作用于采空侧 煤体 ， 在 煤体边缘形成一定宽度 2 ～4 m 的塑性区和 破 碎 区 ， 沿 空 掘 巷 一 般 留 3～5 m护 巷 煤 柱 ， 因此 ， 巷道掘出后煤柱基本进入塑性状态 。 回采 期 间 ， 在 巷 道 实煤 体 侧 ， 工 作面 超 前 支 承压 力与原有集 中应力叠加 ， 形成高 支承 压 力 ； 窄煤柱 则由于大结构发生二次 回转 而进入破碎状态 ， 承载能力进一步 降低 。 综放沿空 掘巷底 鼓的 力学过程 巷道 底板3 m以上的岩 层受到拉应变的作用被破 坏 ， 相当于降低 了实煤体侧底板岩层 的围 压 ， 当主应 力超过岩石的单轴抗压强度 ， 而 围压降 低时 ， 岩石将在 自身储存的 变形 能 的 作 用 下破 碎 。 因此 ， 实 煤 体侧 底 板 在 巷 道 底板岩 层破 坏后 ， 将在 高支承压力作 用下 破碎； 同时 ， 这部分岩层还受到拉应变和高 剪应力的作 用， 进一步加大了破坏程度。 实 煤体侧 底板岩 层破坏 后 ， 在高支承压 力的 作用下 ， 产生向巷道 内的塑性 流动 ， 从而导 致巷道 的强烈底鼓 。 无论 巷道底 板的 拉应变 、 实煤体 侧底 板的拉应 变或剪应 力， 综放沿空掘巷都大 于 普通 回采 巷道 。 主要是 因为综放沿空掘 科技创新 导报 Sci e n c e a n d Te c h n o l og y I n n ov a t i o n He r a i d 6 5 Q Sci en ce end Tec hnol ogy I nn ov at i o n Her al d 巷实煤体侧的集 中应 力是由本工作面 的超 前 支承 压 力和 相 邻 工 作 面 的 侧 向 支 承压 力 叠加 而成 ， 而普 通 回采巷道的 实煤体帮 只 承受本工 作面的超前 支承 压力 ， 并且巷 道 两 帮 的压 力基 本 对 称 ， 因此 ， 实煤 体 侧 底 板 不产生拉应变 。 因此 ， 综放沿空掘巷比普 通 回采巷道 更容易产生底 鼓 ， 这一点 已被 现 场实践所证实 。 潞安矿务局王 庄煤矿6 1 O 8 综放沿空掘巷 ， 底板为细砂岩 ， 回采时产生 了明显底 鼓。 而 同样 的底板 岩层在普通 巷 道中底鼓却不 明显 。 通过 上述分 析得知 ， 回采巷 道的底 鼓 主要与巷道底板一定深度 2 ． 5 ～3 ． 0 m 岩层 和支承压 力的大小有关 ， 这一点 已被现场 实测所证 明。 因此 ， 回采巷道的底鼓控制原 理与一般软岩 巷道的底鼓控制原理有所不 同。 加固巷道帮 、 角 ， 尤其是实煤体侧帮 、 角 可有效地 控制 回采巷 道底鼓。 因为加 固实 煤体侧帮、 角后 ， 一是提 高了底板的抗拉强 度 ， 二是增加 了实煤体侧底板的围压 ， 使实 煤体 层底板不 易被破 坏 ， 同时阻止 了向巷 道内的塑性流 动。 4关于底臌控制技术的研究 4． 1控制底鼓机理的方法 与巷 道底臌机理研究十分缓慢的进展 相 比， 国内外各种控 制底臌措施 的探索工 作 显 得 十 分 活 跃 ， 试 验 成 功 了 很 多控 制 底 臌的方法 ， 归纳起来有 加 固法、 卸压法 、 巷 旁 充 填 法 。 4． 1 ． 1加 固法 这 是控制 底臌最 常用的 一种方法 ， 主 要有底板 注浆 、 底板锚杆 、 封 闭式支 架、 砌 碹及混凝土反拱等。 1 底板注浆 底板注浆 主要用 来加固底板 破碎岩层 ， 浆液 主要有 水泥浆 、 聚 胺脂 、 高水材料等 。 浆液渗 透到 岩 层裂隙 间， 增加 了破碎岩石之 间的粘聚 力， 在 底板 中形成 一个强度比破碎 岩层大 的 反拱 ， 从而在 一定程度上阻止 了下 部岩 层 向上 臌 起 ， 同 时 ， 由于 加 固 区 岩 层抗 变 形 能力增加 ， 故该区岩石的扩容、 弯曲位移等 会减少。 2 底板锚杆。 底板锚杆主要有两个 作用 ， 一是把浅 部不稳定的岩 层与下面稳 定岩 层联结在 一起 ， 二是 通过底板锚杆 在 巷底 板形成组 合岩梁 ， 抑制下部 岩层因扩 容 引起 的 裂 隙 张 开 及新 裂 隙 的 产 生 ， 同时 ， 也可 限制下部岩 层向上臌起 ， 可起 到一定 的阻止底板 向巷道 内移动的作用 。 3 封闭 式支架 。 通过封 闭式 支架的底梁给 底板岩 层施加 的反 力提 高 了支架 的整体 支 护阻 力， 也增加了支架控制底臌的支护阻力， 改 变底板 岩层附近 的应力状况 ， 从而在一定 程 度 上 抑 制 底 板 岩 层 扩 容 、 弯 曲及 膨 胀 变 形的产生 。 4 混凝土反拱。 这种方法适宜永 久性 巷道 ， 反拱具 有较高而均 匀一 致作用 于底板上的支 护阻力 。 加 固法虽然可以起 到一 定的抑制 底臌的作用 ， 但 在有强烈底 臌趋 势的巷道 中不仅材料消耗 大 、 支护费 用高 ， 而且 并不能真正起 到控制底 臌的作 用 ， 原因在于加固法只能被动维护底板 ， 在 高应力、 松软底板的条件下 ， 封闭式支架底 梁往往 无法充分发挥其 承载能 力 ， 致使 向 巷道内臌起 ， 失去控制底臌的能 力； 很 多情 况下 ， 底板锚 杆 由于在松 软底板岩 层中锚 固基础差而锚 固力不足或延伸量与底臌量 不 匹配而 失效 ， 底板注浆 可提高底板 较浅 部岩 层的 强度 ， 如注浆达 不到底板 岩层的 破坏深度 ， 则上部 已加 固岩层会被 下部岩 层顶起 ， 因此 ， 注浆控制底臌的作用也是有 限 的 。 4． 1 ． 2卸 压 法 卸 压法与加 固法控 制底 臌原理 不同 ， 主要通过切缝 等一些方法使原来连续的岩 体处于 不连续状态 ， 使底板 岩体处 于应 力 降低区 ， 从而保持底板的稳定。 国内外使用 的卸压法 包括底板切缝 、 两帮切缝 、 钻孔 、 松动爆破及卸压煤柱等方法。 1 切缝。 切缝 包括 底板切缝和两帮 切缝 ， 使应 力向 围岩 深部转移 ， 使底板处于应力降低区 ， 切缝的 卸压 能力主要取决于 切缝深度 、 宽度及形 状 、 切缝与开巷时间间隙等。 2 打孔 。 打孔 法也 包括底板打孔 和两帮打孔 ， 其卸压机 理与切缝相似。 3 松动爆破。 在巷道底板或 两帮进行松动爆破后 ， 出现众多人为裂隙， 使底 板附近的 围岩 与深部岩体 脱离 ， 使原 处 于高应力区 的底板岩层卸载 ， 将应 力转 移到深部 围岩。 4 卸压煤柱。 在 回采巷道中 运 用 卸压煤 柱可 取得 一定 的控 制底 臌效 果 ， 当工作面一侧 的巷道没有卸压煤柱时 ， 由于 煤体受集 中应 力的作用 ， 不仅使煤体 严重 向巷道内移进 ， 而且 使底板承 受过大 的压 力 而 产 生 底 臌 。 此 时 卸 压 煤 柱 的 作 用 是传递而不是承受压力 ， 卸压煤柱破碎后 ， 可将作用在起上面的应力转移到较远 的煤 体上 ， 使卸压煤柱的底板卸载 ， 从而减 少巷 道 的 底 臌 量 。 4． 1 ． 3巷旁 充 填 法 巷旁充填法控制底臌的原理 与卸压煤 柱相 似 ， 首先把 巷道两帮一定 范围内 的煤 采出， 再填入充填材料 ， 但充填材料的抗压 强度不能超过 顶底板岩层 ， 要求充填材料 既有一 定的 支护 阻 力又有 一 定的让 压性 能， 使巷帮应力向深部 转移 ， 达到控制底臌 的 目的 。 4． 2底臌控制新技术 1 回采 巷道 底臌控 制要 有 系统的思 想， 控制措施不能 只注重干底板岩层。 研 究 表明， 加固巷道任何一个部位 ， 均能在一定 程 度 上 减 少 底 臌 量 ， 因此 ， 应 利 用 两 帮 、 顶 板、 顶角、 底角的控制即巷道整体 围岩控制 来 控 制 底 臌 。 2 从巷道的加 固部 位分析 ， 加 固巷道 底角比加 固两帮、 顶角、 顶板的底臌控制效 果更 明显 ， 角锚杆的最 佳角度为4 5 。 ， 但底 角锚 杆控 制底 臌的 效果 与巷 道的 宽度 有 关 ， 巷道较窄时控制效果较好 ， 随 着巷道宽 6 6 科技创新导报 S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y In n o v a t i o n He r a l d 工 业技术 度 加 大 ， 控 制 效 果 减 弱 ， 此 时 应 结 合 底板 注 浆等技 术控制底臌 。 3 高水材料注浆可在一定程度上控制 底臌 ， 但对回采巷道来说 ， 由于注浆 工艺较 复杂 ， 只是在 围岩特别松软 ， 锚固性较差时 才使用。 而高水材料注浆除加固围岩外， 另 一 个重要作用是使底板岩层的变形 向塑性 变形转化 ， 减少底板 浅部破碎 岩体的峰后 变 形 。 对 极 软 煤 层和 具 有 膨 胀 性 的 底 板 岩 层的回采巷道 ， 应结采取锚杆 与注浆联合 支护 方式控制 底臌 ， 注浆不仅 可封 堵岩体 裂隙 ， 防止水分进入岩体 内部 ， 还可增强岩 体的可锚性 ， 提高锚杆锚 固力， 达到提高岩 体 强度的 目的 。 ． 4 在支承压 力较 小时 ， 底板切缝 的底 臌控 制效果较好 ， 当支承压 力超 过一定值 时 ， 切缝的 底臌控制效果 就不如全断 面加 固， 并且支承压力越大效果越差 。 切缝控制 底 臌 的 不 利 影 响 是 ， 底 板 切 缝 减 少 底 臌 的 同时 ， 引起顶 板和两帮 的大量下沉和移近 。 而全断面加 固则是在减少底臌的同时又控 制了巷道其它部位的变形 ， 因此 ， 全断面加 固比切缝的底臌控制效 果好。 5 沿空巷道的底臌控制主要是实体煤 帮底角的加 固和两帮尤其是窄煤柱帮的加 固。 对 窄煤柱的加强支护 ， 不但有效控制底 臌 ， 还 能维护巷道的稳定 。 参考文献 【 1 】 柏建彪 ， 王卫军 ， 侯朝 炯 ， 等 ． 综放沿空 巷 道 围岩控 制机理及 锚杆支 护技 术研 究【 J 】 ． 煤炭学报 ， 2 0 0 0 ． ’ 【 2 】侯 朝 炯 ， 李 学 华 ． 综放 沿 空 掘 巷 围 岩 大 、 小 结 构 的稳 定性 原 理【 J 】 ． 煤 炭 学报 ， 20 01 ． 【 3 】王卫军 ， 侯朝炯 ， 柏建 彪 ， 等 ． 综放沿空 掘 巷 顶 板 受 力 变 形 分析 【 J ] ． 岩 土 工程 学 报 ， 2 0 01 ． 【 4 】 陈庆敏 ， 陈学伟 ， 金泰 ． 综放沿空巷道矿 压 显现 特征 及其控 制技 术【 J 】 ． 煤炭学 报 ， l 9 9 8 ． [ 5 】马念杰 ， 侯朝炯 ． 采准巷道矿 压理论及 应用[ M】 ． 北京 煤炭工业 出版社， l 9 9 5 ． [ 6 ] 姜 耀东 ， 陆士 良． 巷道底臌机理 的研究 【 J ] ． 煤炭学报， l 9 9 4 ． [ 7 ] 切 尔尼亚克 ． 巷道底臌 的预 防【 J 】 ． 煤炭 科研参考资料 ， 1 9 8 0 ． 【 8 】姜耀东 ． 巷道底臌机理及控制方法 的研 究[ D 】 ． 徐卅 1 ． 中国矿业 大学 ， 1 9 9 3 ． 【 9 】康 红 普 ， 陆 士 良 ． 巷 道 底 臌 机 理 的 分 析 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， l 9 9 1 ． 【 1 O ] 王卫军 ， 等 ． 回采巷道底臌 力学原理及 控 制 研 究 新 进 展 ．