专题-深部矿井巷道稳定与支护技术研究.doc

1、专题部分深部矿井巷道稳定与支护技术研究摘要随着我国煤矿开采规模的扩大，开采深度的逐渐增加，深部开采已成为煤矿生产的必然过程，对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。如何面对深部开采的复杂地质条件，及时解决深部开采所涉及的技术性问题，从长远看，它将对安全、经济、合理的开发深部煤炭资源有特别重要的意义。我国煤矿开采深度以每年812 m的速度增加，未来10a我国煤矿深部开采的问题将越来越突出。安徽、山东、河南等煤田将建设一大批新矿井，这些矿井穿越的不稳定表土层厚达400700 m，巷道位于地下6501000 m。深部岩体由于受到高地应力、特别是侧向高应力的作用，使其具有不同于浅部岩石的特征。深

2、部高应力岩巷的岩石强度明显增加，岩体处于高压缩变形或破坏极限状态，爆破对围岩产生的破坏和扰动范围加大，甚至会引起岩爆灾害。本文讨论了埋深大于800m的深部矿井巷道及其支护技术存在的主要问题，并对影响巷道稳定的主要因素进行了分析，提出了深部矿井巷道的支护技术，并结合一些矿井的现场实践结果，对巷道支护技术进行了总结，对于类似地质条件下巷道支护具有一定的借鉴价值。关键词：深井巷道支护；稳定因素；锚杆支护技术；监测1问题的提出我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋藏大于600m和1000m的储量分别占到73.19%和53.17%。煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏深部必然要增加，由于近年来

3、煤炭需求的不断增加，各个矿业集团都在一定程度上加大了矿井的生产能力，加之中东部主要产煤大省，例如山东、安徽、河北、江苏徐州等的煤炭储量正急剧减少，在这样的形势下，中东部矿井逐步加深了开采深度，埋深大于800m的矿井也已越来越多。在此背景下，随着采深的不断加大，岩体应力急剧增加，地温升高，巷道围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，严重影响矿井安全生产。深井所带来的巷道支护问题的特殊性也越来越受到重视。目前深井巷道存在的主要问题是支护稳定性差、高应力、支护困难，这与矿井深部的岩性和埋深息息相关。有的矿井埋藏虽然不大，但由于岩性松软破碎或者膨胀性较为突出，巷道的稳定性同样较差，破坏严重。在

4、同样岩层条件下，巷道埋深越大巷道越难以稳定，支护也就越来越困难，破坏也就越严重。如何解决深井巷道支护的难题，提出一些实际可行的支护方式对于矿井的建设和安全生产具有重要又迫切的意义。2 深井巷道的矿压规律与特点2.1深井巷道概念目前国内井工开采的煤炭70的产量来自埋深400m以下的地层中，而巷道的稳定性由矿井埋深和岩性两个主要因素决定。一般认为开采深度大于800m的矿井为深井。随着开采深度的增加，巷道矿山压力也在增加，基本趋势如图2-1所示深井巷道存在的主要问题包括以下几点： 原岩应力大原岩应力与开采深度呈线性关系，深度越深，原岩应力越大。同时，围岩移近率随采深的加大也和应增大。图2-1 埋深与

5、矿山压力关系趋势图图2-2 巷道损坏率与深度的关系 构造应力显现加剧构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力.对于深部巷道，构造水平应力一般均大于自重应力。在构造应力集中带，由于构造应力的作用，薄层页岩顶板一般沿层面滑移，厚层砂岩顶板则以小角度或小断层产生剪切，从而失稳冒落；在高水平应力作用下，巷道首先从支护弱面即直接底板破坏，导致底鼓；而两帮产生很大的拉应力，导致两帮破裂、鼓出和塌落，两帮比顶板破坏深度更大，从而引起顶板岩层破坏进一步发展。水平应力大小及方向变化很大，较难预侧和理论计算，所以实测地应力对深部巷道支护设计有着重要价值。 岩体强度降低随着矿井开采深度的加大，岩体强度明显降低。

6、由于采深增加，巷道周边的集中应力超过了围岩的自身强度，致使围岩移近率相对增加，巷道周边塑性区范围扩大。在塑性区范围内，岩石内聚力与内摩擦角迅速下降，致使岩体状态恶化。 变形呈软岩特性由于深部巷道围岩应力大，围岩强度降低，围岩孔隙率增大，加上地质构造发育的影响，导致巷道变形呈软岩特性。 顶板离层严重层理、节理或裂隙发育的顶板，在强自重应力作用下，特别是下软上硬顶板，深部比浅部离层更为严重，且遇水呈片状破碎。 冲击地压发生频率及强度增大矿井采深越大，自重应力越大。在坚硬顶板条件下。巷道围岩或煤体积聚的弹性能也增大，特别在构造应力集中区，当支架-围岩作用平衡体受到诸如放炮等因素诱发而失稳时，更易发生

7、冲击地压。例如徐州矿区自1991年7月10日在权台煤矿发生首例冲击地压以来，已先后在三河尖、张集、旗山、张双楼等矿(井)发生20多次冲击地压。2.2 深井矿压规律2.2.1地应力概念竖向垂直压力主要来自于上覆岩层自重压力P。即： 式中： P上覆岩层压力，； 岩层容重，； H深度，m； k与岩层性质有关系数。从上式可以看出，在同类围岩条件下，巷道埋深越大，地应力相对越大。2.2.2 主应力方向对巷道稳定的影响原岩地层中的任一点的盈利处于平衡状态，巷道开挖后，由于褶曲、断层、火成岩侵入等地质作用，围岩盈利重新分布，巷道周围应力不均等，造成巷道不同形式的破坏。应力方向分为垂直应力和水平应力，因此主应

8、力方向与巷道方向的关系影响其稳定性。见图2-3。(1)当巷道轴向与最大水平主应力方向平行时，受水平应力影响最小，对巷道的稳定最为有利。(2)当巷道轴向与最大水平主应力方向垂直时，受水平应力影响最犬，对巷道的稳定最为不利。(3)最大水平主应力方向与斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧出现应力释放，因而巷道的变形破坏会偏向某一侧。水平应力大于垂直应力，容易产生底鼓，巷道不稳定。 图2-3 主应力方向与巷道方向关系3开采深度与巷道围岩的变形关系3.1中国的研究 开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的

9、研究成果，可得开采深度与巷道维护之间的一般关系如下:(1)岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。(2)巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系增长。(3)巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。(4)巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷

10、道影响最大。3.2前苏联的研究前苏联对矿井开采深度与巷道稳定性的关系进行过大量研究，认为深部巷道矿压显现的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形，且在掘进后围岩长期流变，使巷道支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的掘巷引起的围岩变形，在深部开采时显现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测，提出了深部巷道掘进初期围岩移近量的计算公式为：式中: 、顶板、两帮在掘进后t时间内的位移量，cm；t时间，d;、顶板,两帮作用在支架上的压力，kN/ ；岩石容重，kN/m；H巷道所处的深度，m；R岩石单轴抗压强度，kPa；Ro寻求常数时引人的单轴抗压强度，3000kPa； b巷道所处的深度，

11、cm； h巷道高度，cm； 由此可以看出随着开采深度的增加，维护时间的增长，巷道变形将逐渐增加，维护也越困难。3.3德国的研究(1) 德国提出掘巷引起的围岩移近量与开采深度和巷道底板岩层强度之间的关系为： 式中： 掘巷引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率，%； 岩层压力，p =g H，Mpa； 地板岩层的单轴抗压强度，Mpa。利用该式计算结果如图3-1所示，由此可见，掘巷引起的围岩变形随开采深度的增加而增长，其增长率与巷道围岩性质有关。开采深度每增加100 m，在煤层 (=14 Mpa)中掘进，围岩移近量增加8.9%；在软岩(=28 Mpa)中增加6.3%；在页岩(=45 Mpa)中增加5%

12、；在砂岩(=97 Mpa)增加3.4%。同时取K=0，可以知道在掘巷过程中引起围岩明显变形的临界深度，在煤层中为512 m，软岩中为732 m，页岩中为930 m，砂岩中为1360 m。(2) 德国埃森采矿中心还对100 条前进式开采的采准巷道进行了系统观测，得出巷道围岩移近量占巷道原始的高度的百分率与开采深度关系式为： 既开采深度每增加100 m，回采巷道围岩移近量占原始高度的百分率增加6.6%，与上述统计值相似。矿井开采深度由300 m 增加到800 m 时，移近量要增加1000 余mm，巷道从较易维护变为难以维护，可见开采深度对巷道矿压显现的影响之大。图3-1 移近量与岩石压力p(深度H

13、)和底板岩层强度的关系1-砂岩(=97Mpa)；2-页岩(=45Mpa)；3-软岩(=28Mpa)；4-煤(=14Mpa)4 影响巷道稳定的因素4.1 稳定性系数影响巷道稳定的因素有很多，研究认为，埋深6001200m的巷道围岩稳定性指数表示，围岩自稳指数小于1，指数越小巷道越稳定。S=h/RS围岩稳定性系数；R岩石单项抗压强度；4.2 影响因素分析4.2.1 岩石力学性质包括强度、孔隙度、吸水率、膨胀性、崩解性等，但主要的是坚固性系数f，即R值。坚固性系数越大，围岩越稳定。4.2.2 围岩结构巷道周围岩体称为围岩，围岩结构是非均质性的，围岩的层理、节理、裂隙密度、胶结程度等均影响巷道稳定。围

14、岩的层理、节理、裂隙越发达巷道稳定性越差。4.2.3 围岩物相指岩体中的矿物组成，如含蒙脱石、伊利石、高岭石等，粘土矿物成分，含量过高，遇到水会发生膨胀、蠕变、流变，从而影响围岩的稳定性。4.2.4 地质构造应力重点是位于向斜、背斜轴部、与断层走向一致或过断层的巷道。此类巷道受地质构造应力影响较大。4.2.5 地下水与地温地下水使层理、节理、裂隙发育的岩体滑动、松散，动压水增加了压力；膨胀性岩石遇水加固巷道变形。地温过高使岩石软化，工作环境差，对巷道稳定不利。随着开采深度增加，地温升高，巷道开挖后，由于通风造成围岩内部产生较大的温度梯度，进而产生温度应力，从而对围岩稳定造成某种程度上的不利影响

15、。4.2.6 巷道布置与开挖顺序两条巷道平行，其间隔岩柱太小，巷道难稳定；特别当岩柱小于巷道开挖宽度的3倍时，产生应力叠加严重，先开挖巷道受后开挖巷道再次应力分配达到峰值时，更易使巷道变形破坏。4.2.7巷道断面尺寸和形状巷道开挖表面积与巷道稳定程度成反比，其形状越接近圆形越有利于稳定。4.2.8支护材料与结构形式主要是支护材料的强度、刚度和弹塑性。结构形式主要指改变围岩应力状态的方式，如锚杆、锚索起悬吊、挤压、加固作用，网喷起表面封闭和调节应力集中作用；注浆则将松散破碎岩体粘结成整体，起固结强化并改善围岩应力状态等主动支护作用。4.2.9支护参数支护参数主要指材料的强度、规格、型号，结构原理、方式，支护结构在围岩中的布置密度、形式等。如锚杆材料、锚固形式，直径、长度、锚固力、预紧力。锚杆布置方式、间排距等。重点是支护强度大于外力临界值。4.2.10施工工艺与质量