专题-深井开采的矿压显现特征分析.doc

1、深井开采的矿压显现特征分析摘要：通过选择几个有代表性的深度接近和超过千米的矿井, 在对其进行调研和理论分析的基础上, 对其中与矿压有关的参数进行了进一步分析, 总结出了深部开采巷道围岩稳定性影响因素, 围岩的变形破坏特征, 冲击地压显现特征, 以及深部采场矿压特点。可作为矿井深部开采、支护及相关工程的参考。关键词：深部开采； 冲击地压； 移动变形规律； 特殊性我国大部分重点矿井目前开采深度700800 m, 一些矿井已达到或超过1000 m, 而且以每年平均20 m 的速度延深, 可以预计在未来20 a 我国很多煤矿将进入到1 0001 500 m 的深度。比如山东新汶矿务局孙村煤矿是我国目前

2、采深最大的矿井之一, 该矿地面标高+210 m, 目前该矿正在进行- 1100m 水平的开拓延深, 矿井开采深度达1310 m。平顶山煤业集团有限公司所属18对矿井中, 开采深度较深的有一矿、四矿、五矿、十矿、十一矿和十二矿。国内外和孙村等煤矿的经验都表明, 随着采深的增加,地质环境更加复杂, 地应力增大, 涌水量增大, 地温升高, 煤层瓦斯含量增大, 可能导致突发性工程灾害和重大灾害性事故的发生, 作业环境恶化以及生产成本增加等一系列问题, 对深部资源的开采提出了新的挑战。深部煤炭资源开采的技术难题之一是巷道围岩控制问题, 主要表现在两个方面: 冲击地压和巷道围岩的大变形和强流变性。根据新汶

3、局华丰、孙村煤矿, 平顶山煤业集团一矿、四矿、五矿、十矿、十一矿、十二矿, 开滦矿务局赵各庄、林西煤矿等深部开采矿井的调查, 各矿进入深部以后冲击地压灾害严重, 且随着开采深度的增加, 冲击地压的频度和强度都在增大。再有就是巷道变形和流变严重, 常用的锚杆和锚网联合支护需要翻修的次数和工作量加大。本文在对华丰煤矿、平煤五矿、开滦赵各庄煤矿几个千米深矿井的巷道围岩矿压显现规律和其他共同特点调研的基础上, 对深部矿压和一些地质特征进行了总结, 同时也对深部地应力状态、地温、瓦斯等情况进行了综合分析。1 深部开采巷道围岩稳定性分析原岩应力是引起采矿工程围岩、支护变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用

4、力。平煤五矿采用SYY- 56型水压致裂地应力测量装置进行地应力测试, 应力测试结果如表1 所列。分析地应力测量结果可知, 五矿的地应力场:VHh , V/H 为1. 58、1. 37 和1. 34, 这表明五矿的地应力总体上以垂直应力为主。最大水平主应力方向主要集中在N 53. 7WN 70. 6W之间。从现有巷道来看, 实测资料符合实际情况。由于地应力是造成巷道两帮和顶、底板破坏的主要原因, 地应力方向和巷道轴线布置方向的夹角对巷道破坏影响较大。五矿最大水平主应力平均为13.01 MPa, 最小水平主应力平均为7.34 MPa, 垂直应力平均为18. 63 MPa。五矿围岩强度测试结果表明

5、, 煤的单轴抗压强度基本上处于713 MPa 之间, 个别点偏小, 煤层节理较发育。煤体完整性尚可, 但煤体较软。泥质砂岩的强度为34.759.6 MPa; 泥岩、泥页岩为39.643.7 MPa；砂岩为78.6 MPa。围岩强度对锚杆支护的效果有较大影响。垂直应力向两帮转移, 水平应力向顶底板转移。所以，垂直应力的影响主要显现于两帮, 而水平应力的影响则主要显现于顶底板岩层。水平应力具有明显的方向性: 当巷道轴向与最大水平主应力平行时，受水平应力影响最小，对顶底板的稳定最有利；当巷道轴向与最大水平主应力垂直时，受水平应力影响最大，对顶底板的稳定最为不利；同最大水平主应力以一定角度斜交的巷道，

6、巷道一侧出现应力集中而另一侧应力释放，因而顶底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。在最大水平主应力分量hmax明显大于最小水平主应力分量hmin并且足以造成顶、底板岩层破坏的情况下，布置采准巷道时考虑水平应力的方向是非常必要的。华丰煤矿地应力测量及反演计算表明该矿深部存在强的构造应力场, 最大应力为水平力, - 750 m水平一般为3244 MPa, 为垂直力的1. 7 2. 0倍, 是4煤单轴抗压强度的1. 52. 0 倍。而且4煤顶板整体性较强, 抗压强度较大, 其传递应力的作用较好。4煤开采后砾岩内部及红砂岩与砾岩间易产生离层空间, 积累了大量能量。当离层范围大于砾岩的折断步距时, 砾岩底部

7、突然断裂, 从而产生冲击地压, 同时地表出现裂纹。华丰煤矿- 920 m 水平岩石集中巷是五水平前组一采区第二阶段准备巷道,全长800余米,巷道布置在7煤（1）至8煤（3）之间的砂岩中，巷道标高- 920 m, 地面标高+130 m, 埋深1050 m。该巷道东部处于一较为宽缓的向斜之中,构造应力较大, 经地应力测量, 构造应力为3340 MPa,明显呈现高应力状态, 巷道的侧压相对较大,两帮出现严重变形,进而影响巷道的顶部。2 巷道围岩的变形破坏特征2. 1 平煤五矿变形观测在五矿井下见到的胶带下山布置在煤层中，位于六矿开采的煤柱下，采用钢带锚网支护。该下山刚掘出近1 a，已翻修一次，但变形

8、仍然非常严重，巷道维护困难，而且还要进行翻修。该巷道主要表现在巷道底鼓严重、两帮移近量大。翻修后的巷道主要采用钢带锚网支护，局部采用U型钢联合支护，但效果不明显。该巷道在整个服务年限内存在返修次数多、成本高的问题。五矿钻孔窥视的结果表明, 顶板岩层节理和裂隙较发育，在岩性发生变化时易产生离层。顶板完整的巷道离层较多, 而顶板较破碎的巷道顶板裂隙较多。部分巷道顶板在6 m 深处也有显著的离层现象,说明顶板离层范围较大, 不利于顶板锚杆支护。该矿采用锚索进行补强支护, 且锚固段位置在6 m 以上。2. 2 协庄煤矿变形观测山东新汶矿务局协庄煤矿分为- 50 m、- 300 m、- 550 m 和-

9、 850 m 共4 个开采水平, 其中- 50 m、- 300 m 水平已基本开采完毕，- 550 m 为生产水平， - 850 m 为开拓延深水平，主要的开拓工程已基本构成，其下山采区各工作面的开采深度已达1 km 以上，属典型的深井开采。随着矿井开采深度的增加，地温逐渐升高，矿压显现加剧，垂向地应力和水平应力明显加大，巷道开挖后变形加快，变形量加大，底鼓现象十分普遍。巷道变形与采深的关系如图1 所示。图2.1 巷道变形与采深的关系3 冲击地压显现特征冲击地压、煤与瓦斯突出统称矿井动力现象, 是煤矿的重大突发灾害之一。随着矿井采深的加大, 冲击地压的灾害程度逐渐严重。以下是各矿一些深部动力现

10、象的主要特征:1.震级加大, 破坏性增强, 而且动力现象的发生具有区域性。随着目前煤层开采深度的加大, 地压越来越大, 冲击地压的危害也越来越明显。华丰煤矿自1970 年代初开采4 煤时实际上就存在着冲击地压, 特别自第三水平( - 450 m 水平) 4 煤开采以来，冲击地压屡屡发生。据不完全统计已超过70 次, 造成大量井巷工程的严重破坏乃至报废, 并造成工作人员的伤亡, 严重影响安全生产, 给国家带来了巨大的经济损失和资源浪费。严重的冲击地压发生时, 地面办公楼都有震感, 据泰安地震台测试, 最大震级已达到里氏2. 9 级。2. 一般各个矿发生煤炮等动力现象有一个临界深度, 比如华丰煤矿

11、为- 450 m, 开滦赵各庄煤矿为- 530 m。3.以前的低瓦斯矿井随着开采进入深部开始出现高瓦斯区域。冲击地压伴有瓦斯异常涌出现象,说明煤体在一定范围内破坏, 导致瓦斯涌出。深部巷道围岩矿压控制对策1)采准巷道合理布局。采准巷道应布置在岩性较为稳定的岩石中，远离煤柱集中应力、构造应力、采掘动压影响范围。2)充分考虑深井地应力因素。地应力具有明显的方向性，当最大水平主应力与巷道轴向平行时，巷道受水平主应力的影响最小 。3)优化巷道断面形状。充分考虑断面形状对巷道稳定性的影响，断面设计要减小围岩应力集中程度，根据深部岩体的力学性能，使承载最大主应力方向上的岩体的受压能力更大。4)采用预应力支

12、护技术体系。锚杆预拉力对顶板稳定性具有关键作用。当预拉力足够大时，顶板离层得以消除。高预紧力锚索能将锚杆支护形成的组合拱悬吊于深部较稳定岩层中，充分调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载，提高支护系统的整体稳定性。5)二次或多次支护。深部巷道围岩开挖后，前方岩体存在应力集中，围岩的强度逐步降低，巷道由局部转化为结构性破坏；随着围岩应力的释放，巷道围岩变形随时间的延长持续发展 。深部支护必须与深部巷道围岩的力学特征相适应。掘巷时允许巷道围岩发生一定量的变形，释放部分变形能，初步采取初喷等措施及时封闭围岩，在初次支护基础上加强关键部位强度，进行二次或多次支护。 6)采用联合支护技术。由

13、于深部巷道围岩松散破碎范围和离层区增大，围岩具有流变性等特征,单一的支护形式不能适应巷道围岩变形特征。可缩性支架具有可缩高阻的性能，在围岩破碎、变形量和压力较大的情况下更有优越性。锚喷网支护可及时支护围岩，提高岩体的残余强度，防治围岩风化。锚网支护可及时对巷道围岩提供较高的预应力，增加围岩的强度，提高围岩的自承能力。锚喷、锚网索、锚喷索、锚梁网等联合支护形式可以发挥各自的优点，在深部巷道支护中具有更好的适应性。深井巷道围岩变形具有变形量大，趋于稳定时间长，破碎区增大，流变性等特点。深井巷道破坏形式复杂，受地应力、岩体强度、岩体应变软化系数等影响显著。单一支护形式难以适应深井巷道围岩的力学特征，

14、深井巷道支护应侧重以高预应力支护体系为基础的联合支护技术。4 深部采场矿压特点从已调查的新汶孙村煤矿、开滦林西、赵各庄煤矿、平煤五矿和徐州旗山煤矿等深矿井主采煤层的顶板岩性变化情况来看, 矿压及一些明显的不同于浅部的特征有:1.随着采深的增加，顶板岩层有逐渐变碎和强度降低的趋势。随着采深的增加,孙村煤矿煤系地层中的断层、裂隙、层理和节理逐渐发育,同一层位的岩层分层厚度逐渐变薄,弱面增多，采场顶板悬顶长度逐渐减小，由不容易垮落变得容易垮落。- 400 m水平(埋深600 m)以上的工作面直接顶比较稳定，悬顶较大，初次放顶比较困难，有时需要人工强制放顶，采空区垮落的岩块块度也较大。- 600 m水

15、平以下的工作面顶板悬顶长度逐渐变小，埋深约900 m的1418和1219工作面基本没有悬顶, 回柱后直接顶立即垮落，顶板十分破碎，部分采段不得不铺金属网护顶。2.林西煤矿煤系地层中同一层位岩层在深部的粒度逐渐变细，强度有所降低，粗砂岩的厚度有变薄的趋势。中粒细砂岩渐变为细砂岩和黑色粉砂岩互层, 含砾粗砂岩和灰黑色细砂岩渐变为黑色黏土。岩或灰黑色粉砂质黏土岩。这种岩性变化已使浅部为老顶的岩层在深部渐变为直接顶。因而，周期来压逐渐变得不明显,强度减弱。3.已开采至- 800 m 的徐州旗山煤矿深部岩层逐渐变碎，与浅部相比，变碎的明显标志是目前地面排放的矸石块度明显变小。所调研的孙村、华丰煤矿等矿井

16、也有类似的特点。巷道围岩破坏有其客观原因及主观原因。客观原因主要是：1）采深。采深增加，造成高地应力，巷道围岩破裂区范围增大。2）岩体强度。深井围岩有软岩特征，流变性明显，强度降低。3）地质构造。地质条件更复杂，地质异常带围岩松散破碎。4）围岩应变软化系数。同等应变水平，深井围岩强度衰减幅度更大。5）深井开采地温、湿度、瓦斯等综合耦合作用对支护体的腐朽作用。主观原因主要是： 1）支护方式。支护方式要能适应巷道围岩变形特征。2）支护设计参数。锚杆锚固长度，锚索钢绞线规格等参数不合理将导致围岩变形大。3）施工质量、组织管理制约支护体性能的充分发挥。4) 动压。深井采掘动压影响显著。5 结论随着开采进入深部, 矿压和其他一些方面的变化特点非常明显, 主要有:1.以开滦矿区、平煤五矿和孙村煤矿等千米深