专题-浅析锚网支护沿空巷道矿压显现规律.doc

1、专题部分浅析锚网支护沿空巷道矿压显现规律摘要：沿空掘巷有利于最大限度减少“两巷”煤柱损失量，锚网支护是这类巷道的主要支护手段。阐述了沿空巷道上覆岩层结构、围岩应力分布、围岩变形的一般规律。并通过现场实测数据的整理分析，总结了类似条件下巷道的矿压显现规律，以指导沿空巷道的支护设计。关键词：沿空巷道；锚网支护；应力分布；矿压显现1绪论1.1 问题的提出及背景目前我国己经成为世界上最大的能源生产国和能源消费国之一。我国经济正处在快速增长时期，一次能源生产量和消费量均超过世界总量的10%，其中，煤炭生产量和消费量约占世界总量的30%，且我国在一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占比重约为2/3，经预测到

2、2010年煤炭占60%左右，2050年将占50%以上，因此，能源结构长期以煤为主。煤炭资源从浅部开始开采，随着浅部资源的日益枯竭，国内外都陆续进入深部资源的开采，煤矿深井开采是世界上大多数国家主要采煤国家目前和将来要面临的问题。因此，合理利用浅部资源，避免过早进入深部开采成为我们要解决的问题。而在许多矿井采用传统宽煤柱护巷方式，煤炭采出率低，这主要是由于护巷煤柱宽度过大而造成的。而有的矿井区段煤柱的留设及采场周围巷道的布置不合理也在很大程度上直接影响到采区采出率。因此实现回采工作面无煤柱开采或最大限度减少“两巷”煤损量，对提高采区采出率具有重要意义。我国煤炭产量的95%以上来自地下开采，回采巷

3、道的掘进与支护是矿山建设和矿井生产过程中量大、面广的工程。巷道支护是煤炭开采中一项关键技术，可靠的支护技术是实现矿井安全、高效的必备条件。随着矿井产量和效率不断提高，要求巷道断面越来越大、成巷速度越来越快，传统的巷道设计方式越来越不能满足采掘接替的需要。巷道之间保留煤柱，以及巷道与回采工作面之间保留煤拄护巷一直是煤矿中传统的护巷方法，对提高煤炭资源的采出率极为不利。近三十年来，无煤柱护巷技术得到迅速发展，沿空掘巷是我国无煤柱护巷的主要形式，在国内外己获得广泛应用。沿空掘巷技术对合理开发地下资源，提高煤炭采出率，延长矿井开采期限具有重要意义，采用沿空掘巷的方法维护回采巷道的必然趋势，也是支护技术

4、改革的关键技术之一。20世纪70年代以来，沿空掘巷技术得到一定程度的推广，但其沿空掘巷支护方式大多为架棚支护，架棚支护属被动式支护，在复杂困难条件下（大断面、高应力、高瓦斯、易自燃、采空区涌水量大）沿空掘巷，其巷道还存在难支护、采空区难以隔离等技术难题。在沿空掘巷中采用锚杆支护，比在实体煤巷道中采用锚杆支护存在更大困难，主要是：（1）由于沿空侧煤体在矿山压力作用下变得更加破碎，给巷道的掘进与支护带来更大困难，采用锚杆支护首先应保证巷道在掘进期间的稳定；（2）由于沿空掘巷在工作面回采期间的矿压显现较实体煤巷道在回采巷道更加剧烈，必须控制巷道在工作面回采动压影响期间的剧烈变形，保证工作面的正常推进

5、。在我国煤炭产量逐年增加，每年需要掘进大量的回采巷道，随着开采规模不断扩大，沿空掘巷是必然趋势。以淮南矿业集团谢桥煤矿13318E工作面沿空轨道平巷为工程背景，开展锚网支护沿空巷道矿压显现规律，通过研究将有利于指导相似条件下沿空巷道支护设计的科学化、提高煤炭采出率、减少回采巷道支护费用，对谢桥煤矿乃至淮南矿区实现安全、高效具有重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1沿空巷道煤柱的留设研究现状我国的薄及中厚煤层沿空送巷最早可追溯到建国初期，大体上经历了以下几个发展时期:早在20世纪50年代我国已有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术;60年代的初期试验阶段;70年代沿空掘巷技术有所发展，并开始矿压研

6、究，取得了可喜的成果;80年代初期提出了沿空掘巷巷道围岩变形特征;90年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展。但对煤柱的宽度没有统一的认识，在许多矿井中，煤柱宽度从1-5 m直至20-30 m不等。国外，如澳、英等国不搞沿空掘巷，他们认为由于相邻工作面开采的影响，在本工作面顶板中距相邻工作面采空区一定范围内产生采动倾斜裂缝，煤巷布置在裂缝中围岩是非常不稳定的，布置煤巷时应该躲开这些裂缝。因此，区段平巷的护巷煤柱尺寸是巷道埋藏深度的1/10，至少应当在15 m以上。美、德等国的区段煤层平巷均布置在实体煤中，俄罗斯、乌克兰的沿空掘巷只采用金属支架支护。窄煤柱沿空掘巷在我国应

7、用较早，窄煤柱护巷最早应用于20世纪50年代，国内学者对此作过大量的研究，一般认为留窄煤柱沿空掘巷不仅在掘巷期间围岩变形剧烈，而且在巷道掘出后仍保持较大速度的持续变形，但这一结论是建立在薄及中厚煤层巷道棚式支护基础上的。特别自90年代以来，随着支护理论和支护的发展，我国回采巷道用小煤柱护巷有了前所未有的发展，在沿空掘巷的机理、矿压显现规律及“支架-围岩”关系、合理滞后时间，以及在支承压力作用下的沿空掘巷等方面进行了一些基础研究工作，取得的主要进展有:1）进行了与采空区相邻煤体内应力分布理论研究，研究了与采空区相邻煤体内的应力分布规律，分析了支承压力及其它影响因素，建立不同的力学模型得出了求解煤

8、体内弹性区应力、塑性区应力、塑性区宽度及支承压力影响范围等的数学表达式。2）研究了沿倾斜方向巷旁煤体内不同应力带的特征及分布规律。一些研究单位通过数值分析、实验研究和不同矿区的三、四十个矿井进行井下实测，查明了不同矿井中沿倾斜方向巷旁煤体边缘卸载带的宽度，侧向支承压力峰值的应力集中系数和峰值区离巷道的距离，以及侧向支承压力影响的总范围。3）开展了沿空掘巷矿压显现规律研究。通过大量井下观测和实验，研究了沿空巷道所经历的不同矿压显现阶段中的巷道围岩移动和支架受载特点，通过研究还提出了预计沿空掘巷时的顶底板移近量公式等。4）进行了沿空巷道“支架-围岩”相互作用关系研究。通过理论分析及实验研究认为支架

9、的作用不可能改变开采后岩层运动的基本规律，而在于抑制巷道周边附近岩石尤其是散离、松动岩块的过量位移。因此，合理的“支架-围岩”关系是使支架在工作过程中所形成的阻力与围岩发生的位移能始终处于受控条件下的动平衡状态。5）对架棚支护的沿空掘巷进行了研究，认为留窄煤柱沿空掘巷，扰动了侧向支承压力分布，不仅在掘进期间巷道强烈变形，而且在掘进后的稳定期间仍保持较大的变形速度;还认为窄煤柱裂隙发育、甚至破碎，自身难以保持稳定，而且，其支承作用小，增加了巷道跨度和悬顶距，沿空掘巷维护困难。6）采用流变模型进行合理滞后时间的研究，为确定合理掘进时间提供了参考。7）在个别矿井进行了在支承压力作用下迎采动工作面留窄

10、煤柱掘进进行了实践，但变形量较大，为窄煤柱沿空掘巷提出了新的思考。上述这些研究成果都在不同程度上为改善沿空巷道的维护及设计和选用合理的支护方式提供了理论方向和实践依据。但目前对煤柱的合理宽度一直没有统一的认识，其结论差别较大，导致某些应用窄煤柱维护的巷道支护困难、甚至严重制约回采工作面推进。另外随着锚杆支护技术的迅速发展，沿空掘巷支护方式由架棚被动式支护发展为高预紧力、高强度的锚杆支护，沿空巷道的围岩变形规律及矿压控制方式有了新的改变，但如何保持回采期间的煤柱稳定性以及如何进行超前煤柱加固还有待进行研究。1.2.2沿空巷道的支护现状由于沿空巷道的矿压显现与一般的实体煤中掘进的回采巷道不一样，在

11、本区段工作面回采后，由于顶板冒落及上覆岩层的移动，围岩应力将发生重新分布，相邻区段所形成的固定支承压力和本区段工作面超前支承压力叠加，其巷道围岩变形破坏严重、变形量大。尽管采用了加大支护刚度等一系列措施，但巷道维护仍然十分困难，严重影响着矿井的安全生产。90年代以前中厚煤层沿空掘巷多采用金属支架维护，包括矿用工字钢梯形棚支架和U型钢拱形可缩支架维护，90年代以后随着高强锚杆支护技术的发展，中等稳定程度以上的综采煤层巷道普遍采用锚杆支护，沿空掘巷锚杆支护也取得了成功。下面就不同的支护方式优缺点进行比较:1）矿用工字钢梯形棚支护矿用工字钢梯形棚支护有着支护形式简单、操作方便、取材简单、支护适应性强

12、等特点。矿用工字钢梯形棚支护有其自身的优点，但也有其自身的不足。采用工字钢梯形棚支护时，由于支架与围岩接触不好，初期处于空松状态，支架被动等劲，随着煤体变形逐渐与支架接触，支架才与围岩相互作用。初期围岩受约束力很小，软弱煤体松动范围变大，煤体承载较低，造成支架载荷较大，由于沿空巷道围岩变形特征的特殊性，在掘进期间基本能满足巷道支护的要求，但巷道施工时工人劳动强度大，巷道推进缓慢，管理较为复杂。在回采期间采用工字钢梯形支架支护时，由于老顶回转变形较大，破坏后的煤体挤向巷道空间，棚腿变形急剧加大，弯曲、折断较多，巷道有效断面迅速减小，支架变形严重，稳定性差，极易发生垮棚、冒顶、堵人等事故。当巷道位

13、移量较大时、需要维修，同时过大的变形使支护系统的整体安全性得不到根本保障。同时在回采期间替棚工作量较大，安全隐患增多，并且由于沿空巷道变形量大，支架产生严重变形，工字钢的复用率极低，造成支护成本加大。2）U型棚支护U型棚解决了梯形工钢稳定性差、不能适应围岩的大变形的特点，其适用范围较矿用工字钢梯形棚的大。但U型棚有也其自己的缺点:当采用U型棚支护时，由于围岩的应力大、蠕变速度不均而使得支架构件局部承载，常常出现支架顶梁弯曲、棚腿扭折等现象，使支架失去承载能力，折损比较严重，巷道维修工程量较大。随着矿井机械化程度的提高，采用U型棚支护的回采巷道不能满足机械化开采快速推进的要求，特别是沿空掘巷的支

14、护问题更加突出，成为制约工作面高产、高效的瓶颈。3）锚网支护煤巷锚网支护是我国煤矿自综采之后的第二次支护技术革命。自1996年以来，质量上有了显著提高，数量上有了迅猛发展。通常使用的锚杆支护属于“主动”支护，在锚杆安装后及时对围岩提供支护阻力，而且随着围岩的变形，支护阻力不断增加，因而能够及时、有效地强化围岩强度，防止围岩早期离层和控制围岩变形，从而保持围岩的稳定。由于沿空巷道在回采期间变形量大，从支护与围岩运动统一的角度及支护与围岩的相互作用关系出发，寻求防止支架因局部承载而遭受破坏、减少巷道维修工程量的沿空巷道支护方法是亟待解决的研究课题。随着锚杆支护理论和技术的发展，锚杆支护在沿空掘巷中

15、的成功运用，为推动窄煤柱沿空掘巷的应用起到了重要作用。锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术、经济优越性。其主要表现在：锚杆支护充分利用巷道围岩的自承能力将载荷体变为承载体，为主动支护，而一般棚式支护属被动支护;与棚式支护相比，锚杆支护更有利于改善巷道的维护状况，保持巷道围岩的长期稳定，在相同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上;锚杆支护还可以节约大量钢材，减少材料辅助运输和减轻工人劳动强度，还有利于快速掘进;锚杆支护的巷道能适应大变形要求，在巷道服务期间，基本不需要维修就能保证巷道的正常使用;在使用机械化程度较高的回采工作面，锚杆支护巷道减少了棚式支护巷

16、道的替棚工作量，有利于回采工作面的安全、快速推进。1.3研究内容及研究方法通过收集分析大量资料，采用现场实测的方法对沿空巷道在锚网索支护条件下的围岩表面收敛、深部岩层位移及巷道围岩平面应力场规律进行分析研究。进而检验现有对锚网支护沿空巷道矿压显现规律的认识，以指导相似条件下沿空巷道的锚网支护设计。2沿空巷道上覆岩层结构窄煤柱沿空掘巷是在采空区的边缘留小煤柱掘进的回采巷道，其上覆岩层的结构与一般在实体煤中掘进巷道不同，沿空巷道上覆岩层结构是随着周边动压状况及时间的变化而变化的。煤体在上区段采场工作面回采过程中，由弹性状态进入到塑性破坏状态，煤体产生了很大的变形量，随着动压的影响及时间的延长，上覆岩层断裂，并逐渐旋转下沉，当上覆岩层与邻近采空区研石接触并压实后，煤体变形基本稳定，上覆岩层大结构也已基本形成，如图2.1.1所示。该结构煤壁侧按应力值的相对大小可以分为三个区，即应力增高区、应力降低区和原岩应力区。应力降低区的出现以煤体出现塑性破坏为前提，即应力