淺析深井開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)方案

1、淺析深井開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)方案摘要:隨著我國(guó)煤礦開采規(guī)模的擴(kuò)大,開采深度的逐漸增加,深部開采已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)的必然過程,對(duì)當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)和今后礦井建設(shè)的影響日趨嚴(yán)重。如何面對(duì)深部開采的復(fù)雜地質(zhì)條件,及時(shí)解決深部開采所涉及的技術(shù)性問題,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,它將對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理地開發(fā)深部煤炭資源有特別重要的戰(zhàn)略意義。文章主要介紹煤礦深井開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支護(hù)技術(shù)的研究。深井開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律方面詳細(xì)地闡述了深井巷道礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)、深井開采存在的問題以及煤礦深井回采工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn);深井開采支護(hù)技術(shù)的研究方面詳細(xì)闡述了深部開采巷道支護(hù)技術(shù)和煤礦深井開采問題處理。并對(duì)中國(guó)的深井開采技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做出了總結(jié)

2、和展望。關(guān)鍵詞:深井開采;巷道;礦壓顯現(xiàn);支護(hù)技術(shù)1.問題的提出煤炭是目前我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)賴以生存和發(fā)展的最主要能源。煤炭資源從淺部開始開采,隨著煤炭采出,開采煤層的埋藏深度必然要增加,開采規(guī)模擴(kuò)大和機(jī)械化水平提高加速了生產(chǎn)礦井向深部發(fā)展。我國(guó)東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),能源需求量大,礦井延深速度快,一些國(guó)有重點(diǎn)煤礦主要礦區(qū)已開始轉(zhuǎn)向或即將進(jìn)入深部開采。預(yù)計(jì)1020年后,開采深度大于700m的礦井將不斷增加。由此可見,深部礦井的開采技術(shù)既是當(dāng)前一些礦井面臨的問題,也是我國(guó)煤炭工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要十分重視和研究解決的問題。巷道圍巖變形規(guī)律和巷道支護(hù)理論是巷道支護(hù)選擇與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一,主要解答不同類型巷道支護(hù)

3、(加固的對(duì)象、圍巖穩(wěn)定條件、支護(hù)(加固與圍巖相互作用的機(jī)制、各種支護(hù)(加固技術(shù)優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)方法等根本性問題,其正確以否和完善以否直接關(guān)系到井巷工程的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。長(zhǎng)期以來,巷道圍巖變形規(guī)律和巷道支護(hù)理論一直是巷道支護(hù)研究的一個(gè)重點(diǎn)。但是,由于巷道巖石經(jīng)歷了漫長(zhǎng)地質(zhì)變化,結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,有關(guān)巷道圍巖變形規(guī)律和巷道支護(hù)理論研究也是一個(gè)難點(diǎn),一直發(fā)展比較緩慢,明顯落后于巷道支護(hù)技術(shù)手段的發(fā)展,以致于有人贊嘆上天易,入地難。隨著開采深度的進(jìn)一步增加,地壓越來越大,巷道支護(hù)的難度將進(jìn)一步增加。因此,面向21世紀(jì)的我國(guó)煤炭工業(yè)必須繼續(xù)重視研究和發(fā)展新的巷道支護(hù)理論和技術(shù)。2深部開采礦壓及其控制的研

4、究現(xiàn)狀我國(guó)相關(guān)部門對(duì)煤礦深部開采相當(dāng)重視,2001年末在北京香山召開了以“深部高應(yīng)力下的資源開采與地下工程”為主題的香山科學(xué)會(huì)議第175次學(xué)術(shù)討論會(huì)。許多知名學(xué)者提出了對(duì)深部開采的觀點(diǎn):謝和平教授指出,首先表現(xiàn)在深部開采必然誘發(fā)出一系列工程災(zāi)害:巷道變形速度快、巷道圍巖變形范圍大;巷道持續(xù)變形、流變成為深部巷道變形的主要特征;采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈,采場(chǎng)失穩(wěn),易發(fā)生破壞性的沖擊地壓;金屬礦和煤礦相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料表明,隨著開采深度的增加,巖爆的發(fā)生次數(shù)及強(qiáng)度會(huì)隨之上升,巷道中巖爆危險(xiǎn)性增加;瓦斯高度聚積、誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故;深部開采條件下,巖層溫度將達(dá)到攝氏幾十度的高溫,作業(yè)環(huán)境惡化;礦山深部開采誘發(fā)突

5、水的幾率增大,突水事故趨于嚴(yán)重;井筒破裂加劇;煤自燃發(fā)火、礦井火災(zāi)及瓦斯爆炸加劇。此外,深部開采對(duì)地表環(huán)境也往往造成嚴(yán)重?fù)p害。3煤礦深部開采礦壓顯現(xiàn)及其規(guī)律深井巷道礦壓顯現(xiàn)的顯著特點(diǎn)之一是巷道開挖就產(chǎn)生大的收斂變形量。這一特點(diǎn)是由深井巷道圍巖處于破裂狀態(tài)和深井巷道圍巖有較大的破裂范圍決定的。前蘇聯(lián)的研究表明,隨開采深度加大,巷道變形量呈近似線性關(guān)系增大,從600m開始,開采深度每增加100m,巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均增加10%11%。理論分析表明,深部開采的巷道變形量隨開采深度增大呈近似直線關(guān)系增大,開采深度每增加100m的巷道變形增量與巖體強(qiáng)度有關(guān)。4深部開采巷道支護(hù)技術(shù)隨著礦井開采深度的增

6、加,礦山壓力不斷增大,巷道圍巖所受的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力超過圍巖的強(qiáng)度極限,使圍巖普遍處于破裂狀態(tài),巷道圍巖的大量變形常常使支護(hù)難以承受。因此,提高圍巖強(qiáng)度和自承力、降低巖體應(yīng)力集中是深井巷道支護(hù)技術(shù)的中心任務(wù)。巷道破壞變形的基本因素:(1隨著礦井開采深度的加大,地壓顯現(xiàn)越加明顯,對(duì)巷道的作用力也就越大;(2巷道處在軟巖、破碎斷層帶等不穩(wěn)定的巖層和煤層中,維護(hù)難度大;(3上部開采的預(yù)留煤柱和殘采煤柱,在巖(煤層中形成了應(yīng)力集中。上述情況的存在,都不同程度的影響著巷道的支護(hù)狀況。5煤礦深井開采問題處理根據(jù)對(duì)深井開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其特點(diǎn)的研究,初步得出了相應(yīng)有效的處理方法和支護(hù)技術(shù)。5.1深部地層高應(yīng)力

7、作用機(jī)理圍巖狀態(tài)是巷道礦壓控制的基礎(chǔ),巷道圍巖的破壞范圍是深井巷道圍巖穩(wěn)定性、變形量大小和支護(hù)難易程度的決定因素。巷道圍巖的穩(wěn)定性除了受圍巖自身力學(xué)性質(zhì)影響外,更主要的是受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)所控制,當(dāng)作用在圍巖上的應(yīng)力超過其所能承受的應(yīng)力強(qiáng)度極限時(shí),圍巖就產(chǎn)生失穩(wěn)性破壞。巷道圍巖以煤層強(qiáng)度為最低,當(dāng)外部應(yīng)力作用超過煤層的屈服極限時(shí),煤層進(jìn)入塑流狀態(tài),導(dǎo)致兩幫內(nèi)移和底板臌起。隨著變形量加大,使上覆巖層在兩幫煤體內(nèi)的支點(diǎn)外移,頂板相對(duì)出露面積增大,改變了頂板的應(yīng)力狀態(tài),使頂板下沉、離層。當(dāng)頂板下沉量超過該巖層的變形極限時(shí),頂板就開始斷裂破壞,直至冒落。5.2優(yōu)化巷道布置采準(zhǔn)巷道的布置應(yīng)避開煤柱集中應(yīng)力、構(gòu)

8、造集中應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力的影響,選擇在巖性較為穩(wěn)定的巖石中。深部采區(qū)主要準(zhǔn)備巷道應(yīng)以巖巷為主或至少布置一條巖巷。隨著深度的增加,回采工作面推進(jìn)后煤體塑性區(qū)增加,致使區(qū)段煤柱留設(shè)寬度隨之增加,為保證采區(qū)回收率,減少巷道維護(hù),工作面回風(fēng)(運(yùn)輸平巷宜采用無煤柱護(hù)巷的形式。巷道施工在遇到以壓應(yīng)力為主的褶曲、逆斷層時(shí),巷道方向盡量與褶曲軸或斷層走向垂直或斜交;在遇到以拉應(yīng)力為主的正斷層時(shí),巷道方向則與斷層走向一致或斜交,從而達(dá)到減小礦壓顯現(xiàn)的目的?；夭上锏啦贾玫姆轿粦?yīng)使工作面離開斷層推進(jìn),使采區(qū)一翼內(nèi)工作面同向推進(jìn)。避免巷道相向掘進(jìn)和巷道近距離平行布置,減少相交巷道(或避開銳角,從而減小應(yīng)力集中,減少發(fā)生沖

9、擊地壓的危險(xiǎn)性。5.3改革巷道支護(hù)形式對(duì)國(guó)內(nèi)外大量深井開采礦井的研究表明,布置在中硬以下巖層中的巷道變形破壞嚴(yán)重(特別是受采動(dòng)影響后,當(dāng)采深在8001000m以上時(shí),在中硬及中硬以上巖層內(nèi)布置的巷道,若采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式,巷道維護(hù)仍很困難。因此,深井中,除要求合理布置巷道位置外,還應(yīng)根據(jù)深井礦壓特點(diǎn),巷道支護(hù)必須滿足既能加固圍巖又能提供較大的支護(hù)力、具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求,根據(jù)圍巖狀況和巷道條件,采用不同的支護(hù)形式。目前,深井巷道應(yīng)采用的主要支護(hù)及控制措施有以下幾方面。(1在采準(zhǔn)巷道中發(fā)展多種形式的U鋼可縮性支架,是解決圍巖高應(yīng)力、大變形的有效支護(hù)形式。提高支架架設(shè)質(zhì)量,加強(qiáng)壁后充填,改善支架受力狀況。(2發(fā)展以錨桿為主體的新型支護(hù),即錨噴支護(hù)、錨梁網(wǎng)組合支護(hù)、 錨桿與 可縮性支架聯(lián)合支護(hù)以及可縮性錨桿等。 合理選擇支護(hù)形式和參數(shù)， 加強(qiáng)質(zhì)量管 理，完善檢測(cè)手段等是錨桿支護(hù)應(yīng)用的重要問題。 (3 針對(duì)采準(zhǔn)巷道不同時(shí)期， 采動(dòng)影響引起的不同圍巖移動(dòng)特征， 采用改變 巷道支護(hù)方式、 調(diào)節(jié)巷道支護(hù)強(qiáng)度的非等強(qiáng)多次支護(hù)工藝， 對(duì)改善深井巷道的技 術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。 (4 錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在服務(wù)年限長(zhǎng)， 圍巖較穩(wěn)定的深井巷道中廣泛應(yīng)用， 這 一支護(hù)形式能充分發(fā)揮圍巖自承能力， 防止水及空氣對(duì)圍巖的風(fēng) 化作用。 6 深部礦井開采技術(shù)