中国矿大cumt-采矿测试和模拟技术

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浅析深井开采矿压显现规律及支护方案 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

1.问题的提出

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。

2深部开采矿压及其控制的研究现状

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。

3煤矿深部开采矿压显现及其规律

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。

  4深部开采巷道支护技术

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。

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研究表明,布置在中硬以下岩层中的巷道变形破坏严重(特别是受采动影响后),当采深在 800~1000m 以上时,在中硬及中硬以上岩层内

布置的巷道,若采用传统的支护方式,巷道维护仍很困难。因此,深井中,除要求合理布置巷道位置外,还应根据深井矿压特点,巷道支护必须满足既能加固围岩又能提供较大的支护力、具有较大的可缩性和一定的初撑力等要求,根据围岩状况和巷道条件,采用不同的支护形式。目前,深井巷道应采用的主要支护及控制措施有以下几方面。 (1) 在采准巷道中发展多种形式的 U 钢可缩性支架,是解决围岩高应力、大变形的有效支护形式。提高支架架设质量,加强壁后充填,改善支架受力状况。

(2) 发展以锚杆为主体的新型支护,即锚喷支护、锚梁网组合支护、锚杆与可缩性支架联合支护以及可缩性锚杆等。合理选择支护形式和参数,加强质量管理,完善检测手段等是锚杆支护应用的重要问题。

(3) 针对采准巷道不同时期,采动影响引起的不同围岩移动特征,采用改变巷道支护方式、调节巷道支护强度的非等强多次支护工艺,对改善深井巷道的技术经济效益有重要意义。

(4) 锚喷网联合支护在服务年限长,围岩较稳定的深井巷道中广泛应用,这一支护形式能充分发挥围岩自承能力,防止水及空气对围岩的风化作用。 6深部矿井开采技术展望

(1)找到适于监测深部支护设备的仪器和方法,可以准确报告围岩及支护设备的参数,及时调整来压时候的支护参数。

(2)根据支架与围岩特性曲线,找出(文秘站:)适合深部围岩特性的支护设备,充分利用围岩的主动性进行支护。

(3)对于采深过大的开采区域,根据不同的具体围岩、地质条件,找到经济可行的支护方法和设备。