深井开采矿压显现规律和支护技术的研究.docx

深井开采矿压显现规律和支护技术的研究.docx

《深井开采矿压显现规律和支护技术的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深井开采矿压显现规律和支护技术的研究.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

深井开采矿压显现规律和支护技术的研究

深井开采矿压显现规律和支护技术的研究

摘　要:

随着我国煤矿开采规模的扩大，开采深度的逐渐增加，深部开采已经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、合理地开发深部煤炭资源有特别重要的战略意义。

文章主要介绍煤矿深井开采矿压显现规律和支护技术的研究。

深井开采矿压显现规律方面详细地阐述了深井巷道矿压显现的特点、深井开采存在的问题以及煤矿深井回采工作面矿压显现特点；深井开采支护技术的研究方面详细阐述了深部开采巷道支护技术和煤矿深井开采问题处理。

并对中国的深井开采技术的发展趋势做出了总结和展望。

关键词:

深井开采;巷道;矿压显现;支护技术

ResearchofRockPressureandSupportTechnologyofDeepMineExploiting

JiangDejun

Abstract:

Withtheexpansionofcoalmininginourcountry,theincreaseofminingdepthanddeepmininghasbecomeaninevitablecourseofcoalmineproduction,thecurrentcoalmineproductionandtheimpactoffuturemineconstructionhasbecomeincreasinglyserious.Howtofacethecomplexgeologicalconditionsofdeepmining,timelysolvetechnicalissuesondeepmining,inthelongrun,itwillbeonthesafe,economicandreasonabledevelopmentofdeepcoalresourcesareparticularlyimportantstrategicsignificance.Thispapermainlyintroducesthecoalminepressuredeepwellopenmininglawsandsupportingtechnologyresearch.Deepwellminingpressurefirstlyopenaspectsindetailelaboratedthedeeproadwayrockpressuremanifestation,problemsindeepmining,aswellasthecharacteristicsofdeepwellminingofcoalmineworkingfaceminingpressuremanifestationcharacteristic;Deepwellminingofsupportingtechnologyresearchillustratesthedeepminingroadwaysupportingtechnologyandcoalminedeepminingprocessing.AndthedevelopmenttrendofdeepwelldrillingtechnologyinChinahasmadethesummaryandoutlook.

Keywords:

DeepMineExploiting;roadway;Minepressureappear;SupportTechnology

1概述

1.1问题的提出及研究的意义

煤炭是目前我国国民经济赖以生存和发展的最主要能源。

煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采规模扩大和机械化水平提高加速了生产矿井向深部发展。

我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快，一些国有重点煤矿主要矿区已开始转向或即将进入深部开采。

预计10～20年后，开采深度大于700m的矿井将不断增加。

由此可见，深部矿井的开采技术既是当前一些矿井面临的问题，也是我国煤炭工业长远发展需要十分重视和研究解决的问题。

巷道围岩变形规律和巷道支护理论是巷道支护选择与设计的基础和关键之一，主要解答不同类型巷道支护（加固）的对象、围岩稳定条件、支护（加固）与围岩相互作用的机制、各种支护（加固）技术优化选择设计方法等根本性问题，其正确以否和完善以否直接关系到井巷工程的经济性、可靠性和安全性。

长期以来，巷道围岩变形规律和巷道支护理论一直是巷道支护研究的一个重点。

但是，由于巷道岩石经历了漫长地质变化，结构极为复杂，有关巷道围岩变形规律和巷道支护理论研究也是一个难点，一直发展比较缓慢，明显落后于巷道支护技术手段的发展，以致于有人赞叹上天易，入地难。

随着开采深度的进一步增加，地压越来越大，巷道支护的难度将进一步增加。

因此，面向21世纪的我国煤炭工业必须继续重视研究和发展新的巷道支护理论和技术。

巷道开挖之后，破坏了岩体原始的力学平衡，围岩应力重新分布，使巷道围岩处于一种不稳定状态。

已有研究表明，围岩应力重新分布是一个渐进的过程，并且围岩的收敛由浅入深，收敛速度逐渐衰减。

如何有效地支护与加固巷道围岩、保护巷道围岩的稳定性一直是国内外岩土工程和采矿工程关注的重要课题。

井下巷道围岩的稳定性是一个复杂问题，从理论上讲，井下巷道围岩稳定性的基本决定因素是围岩应力与围岩强度，围岩应力超过围岩强度时，井巷将处于一种不稳定状态，反之亦然。

但影响井巷稳定性的因素很多，例如，巷道围岩的性质、围岩结构和破坏情况、井巷位置、深度、巷道轴线方向、地下水的作用、巷道的断面尺寸、掘进破岩方法、暴露时间、采动影响、构造应力影响、以及支护类型等等。

近年来，随着我国矿井开采深度逐年增加，采深已由浅部向深部发展，巷道的围岩应力亦随矿井开采深度增加而增大，出现了地压显现（巷道围岩应力）十分强烈、巷道变形急剧增大、巷道底鼓及巷道两帮片帮严重、并且在一些岩巷时有岩石突出（岩暴）发生、地温普遍增大等现象，这些都严重地危害了巷道围岩的稳定性和巷道维护，并成为制约深部开采矿井安全生产的主要因素。

因此，深部巷道围岩的稳定性控制是目前深部开采矿井正面临需要解决的问题。

开展深部巷道围岩稳定性控制的研究，主要是深部巷道围岩稳定性分析及巷道围岩变形规律的研究和巷道支护及加固技术的研究。

正是由于深部矿井开采存在着上述的这些制约因素，深部巷道围岩稳定性分析和巷道支护技术不能简单地照搬现存的巷道围岩稳定性的分析方法和巷道支护技术，必须根据不同的情况和条件，以及影响因素的主要矛盾和次要矛盾进行重点的综合的分析。

因此，开展对这一工作的研究是非常必要的，它将达到对深部开采矿井巷道围岩变形机理及其规律的认识，并为深部开采矿井巷道支护技术的改革和支护方式的选择提供科学的依据。

1.2深井开采的界定

由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、技术装备水平和开采技术上的差异、以及在深部开采中出现问题的程度不同。

因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量标准。

根据本国国情，一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述。

前苏联的一部分学者将采深超过600m的矿井归于深井，而另一部分学者把采深800m作为统计深井的标准。

原西德学者把采深800～1200m定为深部开采，把1200m以下称为超深开采。

英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为750m，日本定为600m。

我国对深井的界定无明确规定，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿井划分为4类，各类的深度范围如表1-1。

表1-1中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井分类

矿井类别

浅矿井

中深矿井

深矿井

特深矿井

采深/m

＜400

400~800

800~1200

≥1200

2国内外对深部开采矿井矿压及其控制的研究现状

2.1国内研究现状

我国相关部门对煤矿深部开采相当重视，2001年末在北京香山召开了以“深部高应力下的资源开采与地下工程”为主题的香山科学会议第175次学术讨论会。

许多知名学者提出了对深部开采的观点:

谢和平教授指出，首先表现在深部开采必然诱发出一系列工程灾害：

①巷道变形速度快、巷道围岩变形范围大；巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征；②采场矿压显现剧烈，采场失稳，易发生破坏性的冲击地压；③金属矿和煤矿相关的统计资料表明，随着开采深度的增加，岩爆的发生次数及强度会随之上升，巷道中岩爆危险性增加；④瓦斯高度聚积、诱发严重的安全事故；⑤深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，作业环境恶化；⑥矿山深部开采诱发突水的几率增大，突水事故趋于严重；⑦井筒破裂加剧；⑧煤自燃发火、矿井火灾及瓦斯爆炸加剧。

此外，深部开采对地表环境也往往造成严重损害。

2.2国外研究现状

原西德和前苏联在深井巷道矿压显现及其控制研究方面居国际领先地位。

前苏联在深井巷道矿压理论方面研究较多，原西德采用现场实测、模型实验和数值模拟等方法，侧重于深井巷道矿压控制实用技术的研究。

在深井开采的巷道矿压显现及其控制技术方面，前苏联采用

或

为指标的两种方法对巷道的稳定性和变形进行评价和预测，γ为岩层的平均体积力；H为埋深；σ为岩石的单向抗压强度；f为地质构造持性系数，m为强度系数（1～0.7），评价方法一和评价方法二分别将巷道分为3类和5类。

原西德学者认为：

当岩石压力超过一定极限值，巷道掘进时就会产生掘进移近量，开始产生掘进移近量的压力值表达式为：

P＝3.46σ，即γH＝3.46σ，式中：

σ为底板岩层强度。

从而推出在不受开采影响的岩体中巷道失稳的极限深度表达式：

H＝138σ，通过变换不同底板岩石强度，可以得出底板岩性不同的巷道失稳的极限深度。

影响巷道掘进过程中移近率K（移近量与巷道原高度之比）的主要因素有岩石压力、巷道底板岩层强度σ，其经验公式如下:

另外，原西德注重巷道合理布置，回采巷道实行石膏巷旁支护沿空留巷，一部分工作面采用前进式开采。

前苏联、原西德、日本、比利时、英国和荷兰等国对巷道卸压技术和注浆加固技术进行了大量的理论和实验研究，也取得了一定效果。

在深井开采的采场矿压显现及其控制方面，原西德学者认为：

工作面中冒落高度与采深和支架的支撑力有关，工作面岩层的高压增加了冒落频度，减少顶板难管理的途径是加大支架支撑力和缩小端面距。

原西德发展了掩护式支架，为缩短顶梁到煤壁的控顶距离，采取了在支架顶梁前增加滑动梁或可折合前探梁和护帮装置，减少了冒落、冒高及煤壁片帮问题。

由德国发展起来的钻屑法、钻孔卸压法在国际上享有盛誉，并且不断完善了一整套防治措施和预测预报方法，在采深不断增加和开采范围不断扩大的情况下，冲击地压次数和危害程度仍大幅度减少。

2.3深井巷道支护理论研究现状

巷道支护理论的核心是关于巷道支护与围岩相互作用本质与规律的系统化理性认识，它一直是岩石工程研究的一个重要的难点。

巷道工程与人们常见的地铁等浅层工程比较有如下特点：

（1）巷道埋藏深，地应力大，一般的地铁等浅层地下工程埋深十余米，大的通常不超过30m。

而我国煤矿目前开采深度平均在450m左右，大多数巷道在地表下数百米以下，地应力是浅层地下工程地应力的几十倍。

（2）巷道支护级别低，支护投入少。

巷道工程大多是临时性工程，受经济条件的限制，相对地不可能像地铁等永久性民用地下工程那样高强度投入巷道支护，而巷道围岩不可避免的要出现一定程度的破坏，巷道维护级别低。

（3）巷道支护载荷不确定。

浅层地下工程通常是把上覆岩土层全都看成是载荷，支护也有条件担负起上覆岩土的全部重量。

巷道工程则不同，按450m埋深，上覆岩土重量为11MPa以上。

在理想压力分布条件下常用的U型钢金属支架一般都小于0.2MPa，巷道支架能够提供的支护强度经常不到原岩应力的1～2％。

（4）巷道允许的变形量大。

浅层地下工程通常围岩变形量只有数毫米到数十毫米，而巷道工程，由于地应力大，支护投入小，又多是临时性工程，允许的围岩变形量大，特别是软岩巷道变形量大的围岩移近量达到数百毫米，甚至上千毫米，巷道支护经常是不可避免地要经历和控制围岩坡坏过程。

通常认为一般巷道围岩明显位移范围在巷道宽度的5倍范围以内，如果以该范围内岩石平均扩容量衡量围岩的破坏程度，完整岩石达到峰值强度时扩容量一般只有千分之几，煤矿巷道宽度多在3m左右，按照直径为3m的圆形断面简化，可以粗约计算出巷道围岩移近量变化与影响范围内岩石平均扩容量间的关系，即使考虑5倍巷道宽度围岩的影响范围，当围岩移近量达到300mm左右时，也就是通常所说的中等稳定巷道移近量的下限，平均扩容量就超过0.5％，巷道围岩一定范围的破坏是不可避免的。

2.4国内外深井巷道支护技术发展现状

国内外煤矿巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向钢性金属支架、可缩性金属支架，到锚杆支护的发展过程，其中，U型钢可缩性支架和锚杆被公认为是井下支护技术上的两次重大突破，今天已经形成了包括各种料石碹、混凝土碹、喷射混梁网、桁架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等众多支护形式，不过，不管是受采动影响的采准巷道，还是不受或少受采动影响的开拓巷道，最主要的支护技术还是U型钢可缩性支架与锚杆支护（包括与塑料网、金属网、喷射混凝土、W钢带、钢筋梯子梁或桁架的联合形式），特别值得一提的是近年国内锚杆支护在采准巷道中的应用正以比较快的速度不断发展。

为了更有效地发挥支护的效果，在选择井巷各项参数时就应科学地分析和预测各种因素，这些因素的选择应服从于井巷围岩稳定和功能的原则。

影响巷道围岩稳定性的因素很多，但井巷一旦开挖就固化了许多因素，如围岩强度以及井巷的走向、断面尺寸等，但要控制围岩的稳定性就必须在支护上认真研究，包括支护材料、支护方法、支护类型等。

2.5深矿井开采存在的问题

1）矿压显现加剧，巷道维护困难。

随着矿井开采向深部发展，矿井逐渐出现矿压显现强烈，巷道维护困难，地温升高和勘探困难，开采条件恶化，生产技术效果和经济效益下降等问题。

一方面，巷道断面必需加大，据统计，近10年间采深平均增加100ｍ，岩石巷道断面平均增加8.1%，煤、半煤岩巷平均增加32%；另一方面，地压增大，在深部高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产生变形破坏更为严重。

在超过700ｍ的深井中，巷道矿压问题普遍严重，底臌成为常见的地压现象，特别在采准巷道中尤其严重。

失修和严重失修巷道比例增加，井深1000ｍ时巷道失修率约是同条件下500～600ｍ埋深巷道失修率的3～15倍，部分矿井巷道失修和严重失修率达20%以上。

且常常出现前掘后修、重复反修的现象。

2）煤岩破坏过程强化，冲击地压危险性增加。

我国发生冲击地压的深度在200～1000ｍ，由于开采深度的增加，煤岩体应力升高，有冲击地压危险的煤层数量增加，有冲击地压的矿井逐渐增多。

发生冲击地压矿井20世纪50年代为７个，60年代为22个，目前已增加到33个。

冲击地压发生的次数、强度和危害程度随深度的增加日趋严重。

3）瓦斯压力增高，煤与瓦斯突出危险严重。

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，截止1986年，已发生突出的矿井200多个，突出次数约为12000次，约占世界发生总突出次数的1/3。

从国内外开采实践上看，矿井深部开采时瓦斯涌出量一般比较大，煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。

我国煤矿煤与瓦斯突出均有随采深增加而瓦斯压力增高，瓦斯涌出量增大的趋势。

3煤矿深部开采矿压显现及其规律

3.1深井巷道矿压显现特点

3.1.1巷道变形量大

深井巷道矿压显现的显着特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。

这一特点是由深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。

前苏联的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大，从600m开始，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量平均增加10%～11%。

理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，开采深度每增加100m的巷道变形增量与岩体强度有关。

3.1.2掘巷初期变形速度大

深井巷道矿压显现的另一个显着特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。

现场观测表明，深井巷道刚开挖时的变形速度可达50mm/d以上。

3.1.3巷道变形趋于稳定的时间长和长期蠕变

3.1.4巷道底臌量大

底臌量大是深井巷道矿压显现的又一个显着特点。

而且，从国内外的有关报道看，深部开采的巷道底臌现象具有普遍性。

据前苏联对部分深井资料的统计分析：

（1）随开采深度增大，易于产生底臌的巷道比重越来越大。

（2）底臌量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。

3.1.5冲击地压发生的频率和强度增大

3.1.6冲击地压发生的频率和强度增大

理论研究和生产实践都表明，矿山冲击地压的发生、发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。

随开采深度增加，煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。

因此，在深部开采条件下，煤、岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。

实践表明，深部开采发生冲击地压的频率大大增加，冲击的强度显着增大。

深部开采的冲击地压问题在岩体强度较大的矿山更为突出。

3.2煤矿深井回采工作面矿压显现特点

3.2.1老顶的初次来压

当老顶达到极限跨距而且断裂时形成三铰拱式的平衡。

以后，随着工作面继续推进，将导致新岩块A的断裂，如图2-1所示。

此时由于岩块A的力矩和∑M0≠0，迫使岩块A发生回转。

老顶的失稳将对工作面带来严重的矿山压力显现，甚至危及生产和人身安全。

因此，把由于老顶第一次失稳而产生的工作面顶板来压称为老顶的初次来压。

当老顶岩块失稳时，形成了岩块滑落，对工作面安全造成严重威胁。

由于老顶破断岩块回转的影响，工作面顶板必然发生下沉。

回采工作面煤壁上所承受的支承压力将随着老顶跨度的加大而增加。

即刚从开切眼推进时为最小，在初次来压前则达到最大。

老顶来压前，回采工作面的顶板压力并不大。

但煤壁内的支承压力却达到了这种情况下的最大值。

所以，煤帮的变形与塌落（片帮），常常是预示工作面顶板来压的一个重要标志。

图2-1老顶断裂成岩块后的转动

老顶初次来压比较突然。

来压前回采工作空间上方的顶板压力比较小。

初次来压时，老顶跨距比较大，影响的范围也比较广，工作面易出现事故。

3.2.2老顶的周期来压

老顶初次来压后，回采工作面继续推进，裂隙体梁所形成的结构将发生以下变化。

如图2-5表示了这个变化过程。

由图2-2中a进入b，A岩块将由稳定状态进入断裂状态。

此时，按结构的自由度计算，结构将进入不稳定状态。

随着回采工作面的推进，在老顶初次来压以后，裂隙带岩层形成的结构，将始终经历“稳定—失稳—再稳定”的变化。

这种变化将呈现周而复始的过程。

由于结构的失稳导致了工作面顶板的来压。

这种来压也将随着工作面的推进而呈周期性出现。

因此，由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。

周期来压的主要表现形式是：

顶板下沉速度急剧增加，顶板的下沉量变大；支柱所受的载荷普遍增加；有时还可能引起煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等现象。

如果支柱参数选择不合适或者单体支柱稳定性较差，则可能导致局部冒顶、甚至顶板沿工作面切落等事故。

图2-2回采工作面推进过程中岩体结构的变化工程

4深部开采巷道支护技术研究

4.1深部开采巷道支护技术

4.1.1巷道破坏变形的基本因素

随着矿井开采深度的增加，矿山压力不断增大，巷道围岩所受的压应力、剪应力超过围岩的强度极限，使围岩普遍处于破裂状态，巷道围岩的大量变形常常使支护难以承受。

因此，提高围岩强度和自承力、降低岩体应力集中是深井巷道支护技术的中心任务。

巷道破坏变形的基本因素：

（1）随着矿井开采深度的加大，地压显现越加明显，对巷道的作用力也就越大；

（2）巷道处在软岩、破碎断层带等不稳定的岩层和煤层中，维护难度大；

（3）上部开采的预留煤柱和残采煤柱，在岩（煤）层中形成了应力集中。

上述情况的存在，都不同程度的影响着巷道的支护状况。

4.1.2巷道支护设计原则

从巷道的受力角度考虑，其轴向方向与最大水平主应力的夹角越小越好，但各种巷道的走向往往受煤层赋存状态所限制。

在这种受地质条件约束，主要大巷方向又不能改变的情况下，支护设计就要从巷道布置的位置、巷道断面形状及支护方式上进行综合考虑。

比如将巷道布置在较稳定的底板岩层中，若将巷道布置在煤层中，应尽量使巷道圆拱部分处在顶板岩层内且选择联合支护形式对巷道进行支护。

对于一些地质条件复杂和围岩不稳定地段的巷道，如顶板锚杆不能锚固在稳定岩层内，锚杆起不到吊挂作用，而巷道顶板岩层又较软和破碎，组合梁作用较弱，故而可造成巷道顶板破坏或下沉量过大。

当巷道穿层掘进时，巷道处于煤岩交界处或完全处于煤层内时，锚杆同样不能锚固在稳定岩层上，也会造成巷道围岩位移量加大。

在这种情况下，要考虑对巷道进行加强支护，如采用锚杆+锚索加强支护方式。

综上所述，深部开采的开拓和准备巷道锚杆支护初步设计依以下原则进行：

（1）为保证锚杆及其它支护材料生产和购买的连续性，设计所选用的锚杆和相关支护材料，以本矿区现用为主。

（2）从巷道的服务年限和重要程度上考虑，开拓巷道以支护可靠程度为准则进行设计。

（3）以目前矿井内最深的且状态较好的开拓巷道为类比条件进行加强设计。

依以上原则，开拓巷道主要采用以下方式进行支护：

对于围岩较好处的巷道，采用锚杆+金属网+喷射砼联合支护方式支护；对于地质条件复杂和围岩不稳定巷道，采用锚杆+金属网＋钢筋网+喷射砼加强支护。

5煤矿深井开采问题处理

根据对深井开采矿压显现规律及其特点的研究，初步得出了相应有效的处理方法和支护技术。

5.1深部地层高应力作用机理

围岩状态是巷道矿压控制的基础，巷道围岩的破坏范围是深井巷道围岩稳定性、变形量大小和支护难易程度的决定因素。

巷道围岩的稳定性除了受围岩自身力学性质影响外，更主要的是受区域应力场所控制，当作用在围岩上的应力超过其所能承受的应力强度极限时，围岩就产生失稳性破坏。

巷道围岩以煤层强度为最低，当外部应力作用超过煤层的屈服极限时，煤层进入塑流状态，导致两帮内移和底板臌起。

随着变形量加大，使上覆岩层在两帮煤体内的支点外移，顶板相对出露面积增大，改变了顶板的应力状态，使顶板下沉、离层。

当顶板下沉量超过该岩层的变形极限时，顶板就开始断裂破坏，直至冒落。

5.2优化巷道布置

采准巷道的布置应避开煤柱集中应力、构造集中应力、采动应力的影响，选择在岩性较为稳定的岩石中。

深部采区主要准备巷道应以岩巷为主或至少布置一条岩巷。

随着深度的增加，回采工作面推进后煤体塑性区增加，致使区段煤柱留设宽度随之增加，为保证采区回收率，减少巷道维护，工作面回风（运输）平巷宜采用无煤柱护巷的形式。

巷道施工在遇到以压应力为主的褶曲、逆断层时，巷道方向尽量与褶曲轴或断层走向垂直或斜交；在遇到以拉应力为主的正断层时，巷道方向则与断层走向一致或斜交，从而达到减小矿压显现的目的。

回采巷道布置的方位应使工作面离开断层推进，使采区一翼内工作面同向推进。

避免巷道相向掘进和巷道近距离平行布置，减少相交巷道（或避开锐角），从而减小应力集中，减少发生冲击地压的危险性。

5.3改革巷道支护形式

对国内外大量深井开采矿井的