深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术 韩孝广
深井高应力复合顶板巷道围岩控制技术
丁集煤矿 1262 ( 1 ) 工作面位于西一采区南部, 边界东为 采 区 大 巷 保 护 煤 柱 线, 西 到 经 线 62 000 线, 北起纬线 38 500 线, 南至纬线 38 260 线, 煤层平 均厚度 3. 0 m, 煤层倾角为 3° ~ 6° , 工作面长度 240 m, 推进长度 2 500 m, 面积 60 万 m , 地面标高 + 22 ~ 23. 5 m。1262 ( 1 ) 工作面煤巷最大埋深达 1 000 m, 属深井煤巷, 其围岩为非均质层状赋存, 在高应 力作用下变现为强烈的两帮移近和底臌; 巷道顶板 为典型的复合顶板结构, 软硬岩层互层, 层间结构充 填介质疏松, 孔隙度大, 内应力超过自身的抗压强度 时, 易发生塑性变形, 节理、 裂隙发育、 弱面多, 抗剪 强度低, 自稳能力差; 层间岩体未固结, 内摩擦角小, 粘结力差, 各层间物理力学性质相差悬殊, 各岩层在 赋存区域内的赋存状态变化较大 , 层间联系不紧密, 摩擦力小, 极易发生离层; 矿井为高瓦斯矿井, 需要 在轨道平巷一侧掘进尾抽巷, 两巷的同时掘进引起 支承压力叠加, 产生应力集中, 应力集中系数增大, 导致两帮和底板变形量加剧, 加大支护难度
技术·创新
( 2012 - 08 )
· 89·
深井高应力复合顶板巷道围岩控制技术
冯朝朝, 丁凌霄, 毛彦鑫
( 中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏应力复合顶板条件下的煤巷施工 , 给支护工作带来很多困难, 如不采用先进合理 的支护技术方案, 将可能产生很大的安全隐患。对支护方式选择、 巷道围岩控制原理、 巷道围岩 摘 控制技术、 支护参数设计及实际应用等方面进行分析和研究 , 并对如何确保深井高应力复合顶板 条件下巷道支护质量及安全问题进行了阐述 。现场实践证明, 锚网索联合支护方式具有良好的 技术经济效果。 关键词: 高应力; 复合顶板; 围岩控制; 锚网索联合支护 中图分类号: TD353 文献标志码: B 文章编号: 1003 - 496X( 2012 ) 08 - 0089 - 03
深井巷道围岩地应力分布规律测试及控制技术
深井巷道围岩地应力分布规律测试及控制技术近年来,深井巷道围岩塌陷事故频发,给煤矿生产带来了极大的危害和损失。
为了保证井下工作人员的安全和煤矿的正常生产,对于深井巷道围岩的应力分布规律的测试和控制技术的研究变得十分重要。
本文将从测试方法和控制技术两方面探讨深井巷道围岩地应力分布规律测试及控制技术。
一、测试方法1、钻孔法钻孔法是最常用的测试深井巷道围岩地应力分布规律的方法。
通过在围岩中钻一定深度的孔洞,测定围岩中不同深度的应力值,从而得出围岩的应力分布规律。
钻孔法不仅测试精度高,而且速度快,对立即掌握围岩应力情况十分有利。
如果要求精度更高,还可以使用测微计、电测点等设备辅助测量。
2、红外线法红外线法是一种非接触式的测试方法。
通过使用红外线扫描仪和热像仪来记录巷道围岩的温度分布,进而测定围岩中的热应力分布,从而推导得出围岩地应力分布规律。
该方法测试过程不需要人员进入巷道,减少了工作人员的安全风险。
但是,由于围岩的温度变化受到许多因素(如气流、地温、水温等)的干扰,该方法的测试精度相对较低。
3、衬砌变形法衬砌变形法是一种通过测定巷道内衬砌的变形情况,推导出围岩地应力分布规律的方法。
该方法依靠衬砌的弹性形变来估计围岩的应力状态。
衬砌变形法能够实时监测巷道围岩变形,尤其在有活动性煤层的支护工程中有重要的应用价值。
二、控制技术1、钢丝网隧道衬砌支护技术钢丝网隧道衬砌支护技术首先在巷道壁上铺设钢筋网,然后注入混凝土,形成固定的隧道衬砌。
该技术能够承受较大的围岩应力,大幅度提高了巷道的承载能力。
2、岩石锚杆加固技术岩石锚杆加固技术是指将钢筋或钢板插入巷道围岩中,然后将锚杆和巷道围岩胶接固定。
该方法可承受恶劣环境下的巷道围岩应力,延长了巷道使用寿命。
3、压力释放技术压力释放技术是通过钻孔工程在巷道围岩中开凿孔洞,将压力释放到较低的地层,以实现围岩的松弛减压。
该方法在一定程度上缓解了巷道围岩应力,有效预防了围岩坍塌。
深部巷道围岩综合控制技术研究
深部巷道围岩综合控制技术研究摘要:随着改革开放以来,中国经济迅速发展,人民生活水平显著提高,能源采集和矿山挖掘逐渐转向深部,相对于浅处挖掘,深处采掘地应力增大,变量大,会出现许多影响采掘任务的问题出现,当下科技已经不能满足人们生产要求。
针对以上问题进行深部巷道围岩综合控制技术研究,从确立围岩支护方案,原因分析,围岩控制技术路线等方面的研究,为今后的采掘工作提供意见和建议,争取提高巷道围岩控制的质量水平。
关键词:深部巷道;围岩;综合控制本文对东矿采区进行分析,采区深度大,采掘难度高,并且受到回采工作面动压影响,针对此开展研究调查。
1工程现状采区从设计断面高度、巷道模式、断层构造和曲界划分进行分析。
轨道巷设计断面高度3.5米,宽4.5米,且断面形状为半圆形,使用锚网支护,确保可以顺利工作。
此巷道从2008年开始施工采掘,行进方向大致沿层倾向掘进并由底板进入岩层,并且此岩层厚度在四米五左右岩层倾角极小,不影响正常工作。
除此之外,采区断层结构复杂扩展迅速,给施工带来很大麻烦。
受采回工作面动压影响,采区在以界限来判定时,工作面大致以断层来划分。
且采区轨道巷局部是断层应力分布集中的区域,巷道的顶板比较破碎、两侧喷体已经开裂、底部鼓起变形,且现场具有不同程度的锚杆、锚索等断裂,顶板出现下沉现象。
巷道经过了从变形→整修→变形→整修→变形的反复整修的过程。
2巷道变形破坏原因分析不同的采掘位置和高度会有不同的采掘效率且对巷道周围岩石的应力分布不相同,而这些因素对采掘效率影响很大。
在深度较大的地方,结构复杂、采掘难度大而且受地质结构的影响很大,在组织工作时很难开展任务,除此之外由于停采线的位置不同也会造成在不同的高度破坏程度不同。
停采线的距离也是变化的,从40m到60m和80m过程在增加,巷道中围岩的垂直应力集中区峰值从35.1MPa,降低到29.6MPa、26.8MPa:顶板水平应力峰值由28.8MPa,降低到27.3MPa、27.1MPa;底板水平应力峰值由24.0MPa,降低到22.3MPa、22.1MPa。
矿井深部开采沿空巷道的围岩控制技术研究
矿井深部开采沿空巷道的围岩控制技术研究摘要:针对深部综放沿空巷道围岩稳定性差、变形大、难支护的特点,通过理论分析、数值模拟和现场实验等方法,从巷道支护方式和巷道断面优化两方面讨论了深部综放沿空巷道的控制技术。
研究结果表明:直墙半圆拱形断面、锚梁网索联合支护方式能够较好的控制深部综放沿空巷道围岩,减少巷道围岩变形,增强其稳定性。
关键词:深部综放沿空巷道半圆拱形锚网索联合支护断面优化1、引言随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大,我国矿山相继进入深部开采。
目前,我国煤矿开采深度以每年8~12m的速度增加,而东部矿井更以每年10~25m的速度增加,预计未来20年,我国很多煤矿将进入1000m~1500m的深度开采。
另一方面,我国已探明煤炭资源埋深在1000m以下的储量为2.95万亿吨,约占煤炭资源总量的53%,因此,现在及未来一段时间内,我国煤矿开采将逐渐转入深部开采。
由于深部岩体所处的地球物理环境及其应力场的复杂性,在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、支护参数已难以适应深部巷道支护设计和实践的需要。
深部综放沿空巷道,作为一类较特殊的回采巷道,与普通的回采巷道相比,具有以下特点:(1)综放沿空巷道布置在靠近采空区的煤体中,巷道围岩结构破碎,在掘进和回采过程中,巷道将发生较大的变形;(2)对于综放沿空巷道而言,由于巷道上方为顶煤,上覆岩层运动波及的范围及影响程度相应地增大,回采过程中的矿压显现将更加剧烈;(3)综放工作面年产量多在100万t左右,开采强度大,机械设备体积较大,且所需风量剧增,这就要求巷道具有较大的断面;(4)深部综放沿空巷道埋深大,地应力相对较大。
由于以上原因,深部综放沿空巷道围岩的稳定性及其控制一直是采矿领域中的研究热点和难点。
本文主要从支护方式与参数、巷道断面优化等方面讨论深部综放沿空巷道围岩的控制技术。
2、综放沿空巷道断面的优化由于施工简单,易于成型等优点,矩形和梯形断面形状是目前国内综放沿空煤巷的主要断面形状。
我国煤矿巷道围岩控制技术发展及展望
3、实验实施:根据数值模拟结果,设计并进行现场试验,对大断面巷道围 岩进行加固控制,记录围岩变形量和应力分布数据,验证控制技术的有效性。
参考内容三
在煤矿开采过程中,随着开采深度的增加,巷道周围岩层的压力逐渐增大, 容易导致巷道变形、破裂等问题,给煤矿生产带来极大的安全隐患。为了解决这 一问题,煤矿千米深井巷道围岩支护改性卸压协同控制技术应运而生。该技术通 过一系列先进的支护方法和控制系统,实现对巷道围岩的改性和卸压,提高围岩 的稳定性和安全性。
展望未来
未来,我国煤矿巷道围岩控制技术的发展方向主要有以下几个方面:
1、理论创新:加强围岩控制技术的理论研究,引入新的物理模型和计算方 法,提高预测和决策的准确性。同时,结合先进的数值模拟和仿真技术,对围岩 控制技术进行系统性和前瞻性研究。
2、技术应用:针对不同地质条件,研发更为高效和可靠的围岩控制技术和 装备。例如,利用物联网和大数据技术实现支护过程的实时监控和智能优化,开 发新型化学注浆材料以提高注浆效果和安全性。
2、更高的生产效率:该技术通过多种支护方法的协同作用,可以有效延长 巷道的使用寿命,提高煤炭开采效率。
3、更低的成本:该技术的应用可以降低支护材料的消耗和维修成本,提高 煤矿生产的整体效益。
4、更加灵活的应用:该技术可以根据不同的矿井条件和开采需求,采取不 同的支护方法和控制系统,以实现最优的支护效果。
3、市场前景:通过推广先进的围岩控制技术,提高煤矿企业的安全生产水 平,降低安全事故发生率,从而降低生产成本,提高企业竞争力。同时,随着绿 色开采和智能开采的不断发展,围岩控制技术将在实现煤炭资源可持续开发利用 中发挥更加重要的作用。
参考内容
引言
随着煤炭资源的不断开采,矿井向深部延伸已成为必然趋势。然而,深部开 采过程中面临着复杂的应力环境和高风险的地质条件,给巷道围岩控制带来巨大 挑战。因此,深入了解深部煤矿应力分布特征和巷道围岩控制技术对于提高矿井 安全性和开采效率具有重要意义。
深部巷道爆破卸压围岩稳定控制技术研究
252随着我国煤矿开采年限的不断增加,煤炭资源覆存越来越少,我国虽然提出清洁能源代替化石能源的口号,但考虑到我国清洁能源的发展程度,在未来很久的一段时间内,煤炭资源的开采仍是我国面临的主要问题。
目前我国煤矿开采从浅埋深煤层逐步向着深部转移。
在进行深部煤层开采过程中,覆岩除了承担比浅部煤层更高的自重应力外,其初始应力也有了较大幅度的增大,复杂的地应力对巷道围岩稳定性影响十分严重[1]。
同时矿山开采活动使得围岩中应力平衡状态被打破,应力重新分布导致在巷道形成应力集中现象,应力集中过大时巷道发生失稳问题,因此对深部巷道稳定性进行研究十分重要[2]。
本文对深部巷道卸压爆破技术进行分析,对爆破作用下的围岩变形及能量分别进行研究,为深部巷道支护设计提供一定的指导。
1 数值模型建立随着开采活动向着深部发展,此时地下工程受到的地应力不断提高,与此同时开挖使得应力集中突出,此时巷道产生变形,一旦变形超过围岩支护承载上限值后,巷道发生失稳破坏。
目前来说常见的破坏失稳可分为如下5个类型:(1)巷道局部出现落石失稳破坏;(2)围岩受到拉裂折断破坏;(3)剪切复合破坏形式;(4)岩爆破坏失稳;(5)潮解膨胀破坏。
深部巷道爆破卸压技术主要是通过岩层爆破,切断力的传递,从而消除巷道应力集中 现象,维护巷道稳定性的一种方法。
对深部巷道围岩爆破卸压进行技术进行数值模拟研究,首先进行模型的建立。
利用A N S Y S 有限元软件对模型进行建立,建立模型的尺寸为长×宽×高为12.1m×1.5m×23.5m,巷道的断面形式为马蹄形,巷道断面尺寸设定为4.2m×3.5m。
对模型进行网格划分,在进行网格划分时充分考虑计算时间及计算精度,在巷道范围1m范围内进行网格的细划分,在距离巷道较远的位置进行模型粗划分,完成模型划分后共计434790个单元和456475个节点。
对模型进行约束条件划分,在模型的左右及下端部施加固定约束,限制其X、Y、Z方向的位置,巷道设定为自由边界。
深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术
深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术摘要:随着我国煤矿开采深度的不断增加,围岩控制及支护技术成为深部巷道开采的聚焦点。
因此,本文首先简要的阐述了煤矿深部巷道围岩条件及变形特点,然后重点分析了煤矿深部巷道围岩稳定性控制措施。
关键词:深部巷道;控制措施;技术1 煤矿深部巷道开采特点深部巷道围岩条件比较复杂,只有充分了解深部巷道围岩性质的变化才能因地制宜,进行有效的围岩控制。
深部巷道围岩开采过程中会表现出如下特点:与上部围岩相比,深部开采巷道围岩密度增加,围岩变硬;开挖前,岩体处于三向受力状态下,由于巷道掘进后,周围岩石被开挖,相当于卸载,致使其压力释放,岩体容易破碎,导致围岩强度有所下降,出现大量细微裂缝,围岩软化。
开采巷道的变形特点:(1)由于巷道开挖后,围岩会发生卸载现象,岩体能量突然得到释放,使得围岩塑性区和破碎区范围加大,巷道两帮移近量大,继而两帮高应力传到底板,巷道底鼓严重;巷道变形易受扰动,对外部环境影响反应十分灵敏,外部作用发生变化变化,巷道应力、变形均会出现显著改变。
(2)巷道围岩变形的时间效应。
初期来压时比较快、变形也非常显著,如果不采取科学有效的支护措施,极易发生冒顶、片帮等现象,当围岩变形稳定后,围岩则长期处于流变状态。
(3)巷道围岩变形的空间效应。
深井巷道来压方向大多表现为四周来压,不仅是顶板、两帮发生明显的变形和破坏,而且底板也会出现较强烈的变形和破坏,如果不对底板采取有效控制措施,巷道则会发生严重底鼓,而强烈底鼓则会加剧两帮和顶板的变形和破坏。
(4)巷道围岩变形的冲击性。
在有明显的冲击倾向性的巷道中,围岩变形有时并不是连续、逐渐变化的,而是突然剧烈增加,这就导致了巷道断面迅速缩小,具有强烈的冲击性。
2 深部煤矿地区地应力测量与分析方法目前我国各大煤矿区对深部煤矿地区的地应力场的分布特征缺乏清晰、准确的认知,在系统认识方面也有所不足。
目前可直接在深部煤矿地区地应力场分布研究过程中进行使用的数据仍然不足,很多煤矿深部井下工程如支护问题以及冲击地压防治问题等等,在过去较少考虑到地应力以及地应力场这组重要参数。
煤矿深部巷道围岩控制技术
速 复喷 0m止 塌方处位 于隧道左线 Z 9+2 处 ,已穿 同时 , K 6 85 将塌方 的情况 及时 向上级单 位汇报 , 时 的喷射砼 陕 封闭 , 至厚度 2c 。 及
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1 6 中国新技术新产品 0一
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工 程 技 术
浅谈 隧道 塌 方, 福建 泉州 3 20 ) 6 0 0
摘 要 : 中结合铜 黄 高速公路 大堆 尖隧道塌 方段 的 治理 , 文 阐述 了隧道塌 方的经过和 治理过程 , 出采取控 制爆破减 少 围岩 的扰 动 、 提 超前 支 护、 作好洞 内水的排 治和超前地 质预测等预防隧道塌方 的技术措施 。
主题词 : 隧道 ; 塌方治理 ; 预防措施
2塌方经过 3治理方案
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凰 … 方 理 壹 意图 塌 处 纵 . 蚕
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塌方发生后项 目部在及 时进行相关处理 的 能 清除 , 对现有 掌 子面 、 方面 、 体用 C 5 塌 塌方 2 3 2对 右 半部 拱顶 塌穴 内采 用 H10格栅 5
提高支护强度的方法 ,卸压技术通过采 取松动 爆破 、 力割缝 、 水 打卸压孔 等措施使 同岩受到多 种形式的压力卸载。 2. 3 1深孔卸压爆破 。爆破 卸压主要运用 围 岩力 学特征 , 卸载 、 固为一 体 , 集 加 是一 种积极 有效 的治理方法。 2. . 3 2工作 面卸压 。利用迎 头瓦斯排放孔进 行高压水射流割缝 , 使钻孔两侧 形成一定深度 图2应 力转移效果与钻孔长度的关 系 的扁平缝槽 , 即钻孔 附近煤体 得到局部卸压 , 从 杆实现高 阻让 压支护。高阻即锚杆给 嗣岩提 供 而对迎头顶板起到卸压作用。 2. .3巷帮卸压。在 已经施工的巷道两帮施 较大支护 阻力控制塑性区发展 、降低塑性 区流 3 提 工卸压孔 , 每帮一个 ,间距 0 m . ,卸压孑规格 变速度 , 高支 护阻力可以大大减小 围岩变形 。 7 L 让压 即允许 围岩有一定变形 ,允许 围岩变形可 D8 mmx m。 9 l 2 减少 锚杆载 荷 , 防止 锚杆 破断 , 2 A 利用卸压巷道卸压。在被保护的巷道 降低 围岩应 力 、 . 3 侧或两侧 再掘 进一条 巷道 , 门进行 卸压 , 改善巷道维护状况 。 专 顶板 支护 : 作面巷道顶板稳定性差 , 某T 易 让其 冒落。 产生离层 、 冒落 , 用树脂 药卷加 长锚 固 、 预 采 高 2 _ 4进行注浆从而改善围岩力学性能 高强度锚杆 支护强化顶板 。 支护 的顶板 该 深部开采时 , 由于围岩埋深大 , 水平应力和 紧力 、 减 巷 垂直应力均 比较高 ,围岩 的承载 能力 难以抗拒 岩层强度和刚度显著提 高 , 少顶板下沉 量 , 高应 力的影响 , , 注浆加 固 , 高围岩 道顶板安全性能得 到提高。同时采用快速 承载 因此 通过 提 的整体性和 自 承载能力 , 整个加 固的岩体 的高预应力锚索将 下部锚 固的顶板悬 吊在上 部 身 使 确保顶板 安全可靠 。 顶板锚杆为直 能有效地 同锚杆 有机地 结合为一个整体 ,从 而 稳定岩层 中, 2 m,长 2 m的高强度螺纹钢锚杆 , 距 a A 排 变 为软岩。 提高破碎 围岩 中的锚杆锚 固力 ,从而能够适应 径 2r 70 m,锚杆布 置见 图 3 锚杆 破断载 荷大 于 5m , l I 道松动 范围大顶底 板和两 帮移近量 围岩 的较大变形。 3巷 20 N 延 伸率 大于 2%, 现高 阻让 压支 护 。 1K , 3 实 大 3巷道支护具体技术 同时采用锚索加强 支护 , 锚索直径 1. m 长 5 4 m, 2 由于深部开采围岩存在软化现象 , 岩层 比 3 超前钻孔应力转移 . 1 3 . 每排 2 , 长 1 m 0 根锚 . 。 6 较破碎 , 松动范围大 , 破碎 持续时 间快 、 长。围岩 由于巷道埋深 大 、 围岩强 度小 、 复合顶板 , 7 m 排距为 3 m, . , 存在大量 的节 理裂隙 ,降低 了 围岩的整体性 和 掘进后 、 锚杆支 护之 前 , 已经产生较大 的离 顶板 下沉 使顶 巷道维 护 强度 , 围岩处在 峰值后 的范围 内, 了围岩 层 、 , 板承载 能力快 速衰减 , 使 加剧 21 5) 裂 隙的发 育程度 , 成破碎 区并 向纵深 发展 , 形 因 难 度更大 , , 瓦斯抽 放 , 进迎 头前 为此 结合 在掘 7s 0 此巷道 围岩松动范围大 ,顶底板和两帮移 近量 方煤层布置钻孔 , 一方面抽放瓦斯 , 一方 面将 另 70 5 大。 掘进引起的支承应力峰值 向深 部转 移 ,降低巷 " 70 5 2措施概述 道迎头应 力 , 减少无 支护 空间顶 板离层 、 下沉 。 2 . 1统筹规划 , 合理布置 巷道迎头超前钻孔布置见图 1采用 F A 软件 。 LC 巷道 布置在稳定的岩层 内,巷道方 向尽可 数值计算 、分析应力转移效果 与钻 孔长度 的关 如 所示 , 道迎头 钻孔后 , 峰值位 巷 应力 能与本区最大 主应力方 向一致 , 小其应力对 系 , 图 2 减 嫠 巷道的作用 ;避免开采 引起 的支承压力 的强烈 置 随钻孔长度增 加显著向深部转移 ,钻孑长 度 L 图 3锚 杆 布 置 图 2 作用, 将巷道布置在 已采 的采 空区下 ; 采取上部 超过 1m,后 ,峰值位置距巷道表 面的距离减 两帮支护 : 采用树脂药卷加长锚 固 、 强度 高 煤层预先开采 , 回采等方法 , 开上部开采 小 , , 跨巷 避 因此 确定钻孔长度 1m, 0 每掘进 5 m钻 1 次 锚杆支护两 帮 , 提供较 大的支护阻力 , 两帮 控制 遗 留煤柱 的影 响,且 与煤柱 边沿保 持一定 的距 塑性 区的发 展 、 塑性 区的流变速度 , 降低 同时 该 离; 避免相邻巷道之 间的相互影响 ; 合理开采顺 支护 又能适 应两帮的较大变形 , 实现 高阻让压 序 以避免采掘在相邻的 区段 内同时进行等。 支护 。帮 、 角锚杆均 为直径 2m 长 2 m 的高 0 m, . 2 2 . 强围岩 约束 能力 , 2增 限制破碎 区向纵深 强 度 螺纹 钢 、尾部 热处 理 的锚 杆 ,锚 固长度 发展 1 m, . 排距 7 0 m。 1 5m 增加支护体强度 , 防止危岩 出现 , 出现 即使 3 - 固两帮和底角 3加 危岩也 能限制形成较大 的破碎 区。在支 护手段 某工作 面两巷为梯形巷道 ,两帮 和底板 均 上 比较有效 的方法 是采用 高强度 锚杆 、 索 、 锚 为强度较小 的煤层 , 巷后 围岩破 碎 区从两 帮 掘 网、 联合 支护 , 梁 进一 步改 善围岩 力学性 能 , 增 和底角开始 , 最终也 以两帮最大。 两帮和底角采 强 闱岩 约束力 。 用高强度锚杆支 护 ,阻止破 碎 区;塑性 区的发 2 - 3降低作用在 围岩 的压力 展, 减小该部位煤层强度 衰减 , 当两帮和底板 裂 将作用 于巷道周 围的集 中载荷转移到离巷 隙发育 , 迎头 8-0m时 , 即距 010 应用高 水速凝材 道 较远 的支承 区 , 巷道 围岩应 力 , 而减 降低 从 料对两帮及底 板注浆 加固 ,提高破碎 区同岩的 少对支护 的破 坏。 卸压技术是较好的减小压力 、
千米深井高应力区域巷道围岩综合控制技术研究与应用
千米深井高应力区域巷道围岩综合控制技术研究与应用发布时间:2021-05-21T07:19:36.776Z 来源:《中国科技人才》2021年第8期作者:邹沙沙[导读] 近年来,深部高应力巷道的稳定性研究受到广泛关注,很多学者都针对高应力软岩巷道变形破坏机理与控制对策进行了较系统的研究,但由于各矿区情况千差万别,研究这类围岩的变形机理与控制原理应遵从实际情况。
皖北煤电集团朱集西煤矿安徽省宿州市 234000摘要:随着煤矿采掘逐渐向深部转移,地应力明显增大,同时受工作面回采动压影响,巷道变形快、变形量大,现有巷道围岩控制技术已不能满足安全生产需要。
针对这一情况开展深部巷道围岩综合控制技术研究十分必要,通过深部巷道围岩综合控制技术研究,减小巷道变形程度,确保巷道围岩控制质量和效果,延长巷道服务年限。
鉴于此,文章结合实际,重点就千米深井高应力区域巷道围岩综合控制技术研究与应用进行研究分析,以供参考。
关键字:千米深井;高应力区域;巷道围岩;综合控制技术引言近年来,深部高应力巷道的稳定性研究受到广泛关注,很多学者都针对高应力软岩巷道变形破坏机理与控制对策进行了较系统的研究,但由于各矿区情况千差万别,研究这类围岩的变形机理与控制原理应遵从实际情况。
根据采场巷道的变形破坏机理,提出了深部高应力采场巷道以预应力锚索为核心的综合控制技术,该技术已在深部采场巷道得到应用并获取得了显著成效,为探索深部高应力采场巷道的控制技术探索出一条途径。
1千米深井高应力区域巷道围岩综稳定性的影响因素第一,地质条件。
矿山地质条件包括矿岩体性质、节理裂隙发育程度、产状、矿区断层、剪切破碎带、矿岩接触带以及地下水等。
地质条件是矿体在成矿过程中以及成矿后的历次地质构造运动的产物,与成矿构造运动和后期作用密切相关;第二,赋存环境。
巷道工程赋存环境主要包括应力环境、地下水环境和温度环境,深部采场巷道的赋存环境主要是考虑应力环境。
与其他隧道和水电等地下工程不同,巷道围岩的应力场不仅取决于原岩应力,而且还与采场应力环境密切相关,即巷道的应力环境是原岩应力与采动应力的叠加后的应力环境;第三,工程因素。
深井大断面巷道围岩破坏机理及控制研究
dif icult to form t he bearing structure,the paper,taking Wujiagou as the example,using field observation,theoretical
关键词 深 井 大断 面 支护
中图分类号
TD353
文献标识码 B
doi:10.3969 ̄.issn.1005—2801.2018.02.025
Failure M echanism and Control Technology of Surrounding Rock in Deep Coal Roadway with Large Cross Section
该 大 巷 原 有 支 护 采 用 锚 网 索 喷 方 式 ,其 中 锚 杆 采 用 d ̄22mm X L2500mm 的 高 强 度 钢 筋 锚 杆 , 锚 杆 间 排 距 为 800mm×800mm。 钢
analysis and numerical simulmion methods,made a research of the failure law of surrounding rock in different roadway of 800 meters deep under the condition of stress,deformation and broken roof,and made it known that the increase of the roadway section will accum ulate hi【gh st ress value of surrounding rock,leading to t h e roadway surrounding rock failure.After that.the combined support scheme of’’anchor net beam 十 U steel support+ shotcrete” is put forw ard.After field implem entation,the deform ation of surrounding rock is obviously reduced,and the suroun ding rock of roadway is in stable state. Key words:deep well large cross section supporting
深部大倾角沿空掘巷围岩稳定控制技术研究
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能 源 技 术 与 管 理
En e r g y T e c h n o l o g y a n d Ma n a g e me n t 5 7
2 0 1 3年 l 0月
5 8
宋永健
深 部大倾 角 沿空掘 巷 围岩稳定 控制 技术研 究
F e b . . 2 01 3
行锚杆支护效果最佳 , 而在已发生离层 、 破坏的围 岩中安装锚杆 , 支护效果会受到显著影响。 ②高预 应 力和预 应力扩 散原 则 。预应力 是锚 杆支 护 中的
3 巷道 支 护 设 计
3 . 1 设计 原则
倾 角 沿空 掘巷 上覆 岩层 活动 规律 ,建 立 深部 大倾 角 沿空 掘 巷 上覆 岩 层 关键 块 体 稳 定性 分 析 模 型 ,
根据张双楼煤矿具体地质生产条件 ,为了充 分发挥锚杆支护的作用 , 提出以下设计原则 : ①一
次支 护原则 。 一方 面是 矿井实 现 高效 、 安全生 产 的
灾 害, 包 括 冲击 矿 压 、 煤 与 瓦斯 突 出 、 矿 压 显 现 剧 烈、 巷 道 围岩大 变形 、 冒顶 片 帮等 。 张双 楼煤 矿 核定 生 产 能力 1 7 0万 t / a , 主采 7 与9 煤层 , 煤 层倾 角 平 均 2 5 。以上 , 开采水平 一
7 5 0 m 和一 1 0 0 0 1 1 3 , 属于 典型 的深 部矿 井 。由于受
对沿空掘巷上覆关键块体失稳模式与窄煤柱力学 状态及变形破坏特征进行分析 ; ②分析上区段工 作面回采对煤体边缘应力分布特征 以及沿空掘巷 后不同煤柱宽度对巷道围岩应力分布规律及变形
深部高应力软岩硐室围岩控制技术
( 第 43 卷第 8 期)
技术·创新
深部高应力软岩硐室围岩控制技术
曹 明, 荆升国, 谢文兵, 费小保
( 中国矿业大学 矿业工程学院 江苏 徐州 221008 )
摘
要: 裴沟煤矿 42 采区泵房围岩岩性差, 服务年限长, 埋藏深应力大且受断层影响, 残余构造 应力也大。通过分析原 U 型钢棚支护, 巷道掘出后不久即严重变形的原因, 提出了通过围岩注
下沉量最大的地方超过了 1 000 mm; ③ 顶板为泥岩 由于顶板岩性 段的巷道在承受较强的侧压情况下, 差, 抗压能力弱, 迫使巷道出现尖顶型破坏; ④ 巷道 底鼓量达到 800 mm 左右。 底鼓现象严重, 1. 2 巷道失稳破坏原因分析 1 ) 巷道围岩岩性较差应力大。 泵房围岩多为
泥岩, 此类岩体节理裂隙较为发育, 且易风化、 遇水 易膨胀, 围岩整体强调较低。 此外受断层影响围岩 原有节理裂隙更加发育, 会进一 新的节理裂隙形成, 步降低围岩的整体强度。 泵房埋深均接近 600 m, 若上覆岩层平均容重 3 按 2 700 kg / m 考虑, 则上述巷道所处的垂直应力 水平约 16. 2 MPa。而且在断层带构造应力作用下, 巷道所处应力水平进一步增高, 在高应力作用下, 巷 道浅部围岩极易产生强烈的剪胀变形巷道处于高应 力低强度状态, 在高地应力作用下巷道围岩易产生 强烈变形, 变形持续时间长。 2 ) 巷道掘进互相影响严重。 由于此处巷道密 度大, 新掘巷道或扩修工程都有可能对对周围巷道 围岩产生扰动, 影响巷道围岩稳定。
Rock Control Technology of Soft Rock Chamber with Deep High Stress
CAO Ming, JING Sheng - guo, XIE Wen - bing, FEI Xiao - bao ( School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008 ,China) Abstract: The pumping stations in Peigou 42 mining area,with poor surrounding rock,long years of service,deep buried and big stress,is influenced by fault and has big residual tectonic stress. The paper analyzed the U - shaped steel roof support and the severe deformation reason after the roadway dug up shortly. Through the surrounding rock grouting, and the shelf cable collaborative support in roof and sides parts to increase the structural stability,its carrying capacity was enhanced,and heaving floor was controlled by anchors and cables support in floor. Field measurements after the implementation of the program showed that the program had effectively controlled the surrounding rock deformation. Key words: deep high stress; fault; grouting; shed cable collaborative; heaving floor
深部矿井煤岩体力学特性及岩层控制技术
深部矿井煤岩体力学特性及岩层控制技术
深部矿井煤岩体力学特性是指在深部矿井中,煤岩体在地质条件和采动工艺的共同作用下所表现出的物理力学性质。
它包括煤岩体的强度、应力分布、变形特性等方面的特点。
煤岩体在采煤过程中,会受到应力的作用,产生应力集中、断裂破裂、变形增大等现象,从而影响井下安全生产和矿井设备的寿命。
岩层控制技术是指针对深部矿井中煤岩体的力学特性,采用一系列的控制措施,以减小地表和井下的振动、沉降、岩爆等岩层变形破坏问题,确保矿井的安全稳定运行。
岩层控制技术包括合理的采煤方法、巷道支护工艺、顶板管理、注浆加固等方面的技术手段。
这些技术手段旨在降低煤岩体变形和应力集中,保障矿井工作面和巷道的稳定性,减少煤与瓦斯等灾害的发生。
同时,岩层控制技术还可以提高采煤效率,减少能源消耗,实现绿色矿井的建设。
深部巷道围岩力学特征及其稳定性控制
882
煤 炭 学 报
2009年第 34卷
1 工程背景
淮南望峰岗煤矿 - 817 m 水平北翼轨道石门 , 岩层以泥岩 、砂质泥岩 、细砂岩为主. 巷道断面形状为 直墙半圆拱 , 掘进的宽度及高度分别为 5 700及 4 750 mm. 根据对 - 817 m 水平地应力测试结果 , 该区最 大水平主应力值为 20133 M Pa, 方位角为 35114°, 铅直应力为 1712 M Pa, 侧压系数约为 1112, 应力场以 水平应力为主 [ 6 ] .
形成近似半径为 415 m 的圆形塑性
区. 在掘进工作面后方大于 5 m 的
图 3 巷道开挖后围岩破坏区及其发展变化
巷道 , 帮部的塑性区范围不再扩大 ,
Fig13 Failure zones and its evolution of surrounding rock after the roadway drived 但顶 、底板塑性区范围仍继续扩大 ,
最终顶板塑性区范围达到 515 m , 底板围岩塑性区范围可以达到底板以下 615 m.
213 巷道围岩位移场变化特征
图 4为巷道沿掘进方向的位移矢量 , 由图 4可见 , 在掘进工作面到其后方 5 m 范围内 , 顶 、底板变形
迅速发展 , 相对移近量较大. 在掘进工作面后方 5~10 m 内 , 相对移近量增加速度变缓. 在掘进工作面后
M echan ica l character istics and stab ility con trol of rock roadway surround ing rock in deep m ine
CHANG Ju2cai, X IE Guang2xiang
( The Key Laboratory of Safe and H igh2efficiency M ining of M inistry of Education, A nhui U niversity of Science and Technology, Huainan 232001, China)
煤矿深部软岩巷道围岩控制技术研究
视界观OBSERVATION SCOPE VIEW 煤矿深部软岩巷道围岩控制技术研究李世华(河南能源义煤公司义安矿业有限公司,河南 洛阳 471000)摘 要:某煤矿+535轨道石门在掘进期间底鼓明显,底鼓量达900mm/月以上。
经多次卧底修护,仍不能满足矿井基本建设需要。
本文分析了该矿井下巷道底鼓的基本形式及影响因素,提出了采用底板锚杆与浇灌钢筋混凝土反底拱联合加固技术防治破碎软岩巷道底鼓的方法,对通过对试验段进行巷道位移观测,巷道平均底鼓量为97mm,有效的解决了矿井深部极软岩巷道底鼓治理难题。
关键词:深部巷道;底鼓;反底拱;钢筋混凝土;软岩一、工程地质概况矿井+535轨道石门,巷道全长860m,埋深750m,采用锚网喷联合支护。
巷道掘进过程中主要揭露了细砂岩和泥岩,抗压强度均在7~17 MPa。
岩石主要矿物成分为粘土矿物和石英,平均含量分别为55%和44%。
其中粘土矿物主要是高岭石、伊/蒙混层和伊利石等矿物,平均含量依次为44%、40%和14%,矿物颗粒中间有较强的膨胀性,即遇水后颗粒水膜加厚、吸水性大、易软化、强度和稳定性差。
+535轨道石门在掘进期间,巷道变形严重,具体表现为底鼓、两帮收敛、肩窝下沉,拱顶喷浆体爆皮涨裂严重。
巷道断面缩小平均45%,轨道弯曲变形,不能通车,底板岩石泥化严重,给正常施工带来极大的安全隐患。
每隔15天就要卧底、整理轨道一次,给掘进任务的完成带来很大难度。
二、巷道底鼓原因分析巷道内岩石的扩容、膨胀是引起巷道底鼓的主要原因。
由于巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异,主要以膨胀型底鼓和应力型底鼓两种形式存在。
通过对现场底鼓情况进行分析,+535轨道石门底鼓的主要影响因素:(一)由于巷道埋深较深,底板围岩与水膨胀,且随时间发生体积增大,局部有淋水的部位不断向巷道内鼓起。
(二)由于矿井在初期设计时,巷道布置过于集中,造成压力叠加,也是造成巷道长时间底鼓的主要因素。
深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究
第29卷第7期岩石力学与工程学报V ol.29 No.7 2010年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July,2010 深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究罗超文,李海波,刘亚群(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071)摘要:基于淮南矿务局潘一矿的水压致裂法地应力测量结果及围岩应力分布特征研究,可以得出如下初步结论:(1)-790 m高程东翼矸石胶带机大巷区地应力以构造应力场为主,其最大原岩水平主应力值大于28.33 MPa,岩石单轴饱和抗压强度与最大水平主应力比值为 5.82,属高应力区;(2) 在高地应力作用下巷道围岩塑性区从洞周向深部逐渐扩展,同时围岩应力也在塑性区向纵深方向逐渐增大,受围岩弱化的影响,围岩应力在约2倍洞径处应力达到最大值,然后再降低并趋于原岩应力;(3) 底板轨道大巷对顶板围岩应力分布的影响范围大于6倍洞径,远远超过根据传统弹性力学计算的3倍洞径影响范围。
研究表明,深埋巷道围岩应力分布特征有别于传统的浅埋巷道,可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。
关键词:采矿工程;深埋巷道;水压致裂法;地应力测量;围岩应力;分布特征中图分类号:TD 163 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2010)07–1418–06STUDY OF DISTRIBUTING CHARACTERISTICS OF STRESS IN SURROUNDING ROCK MASSES AND IN-SITU STRESS MEASUREMENTFOR DEEPLY BURIED TUNNELSLUO Chaowen,LI Haibo,LIU Yaqun(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei430071,China)Abstract:The following preliminary results are obtained based on the study of in-situ stress measurements using hydraulic fracturing(HF) method and distributing characteristics of stress in surrounding rock masses in the region of Panyi Mine:(1) The dominative stress of the tunnel for Gangue adhesive tape machine at elevation -790 m is tectonic stress and the maximum horizontal principal stress is larger than 28.33 MPa. The ratio of saturated uniaxial compressive stress to maximum horizontal principal stress is 5.82,which means that the stress level in this region belongs to high stress are. (2) The plastic zone of surrounding rock to the ratio of maximum horizontal principal stress for the tunnel extends from the periphery to depth;at the same time,the stress of surrounding rock gradually increases and reaches the maximum value at a location of about 2 times of tunnel diameter,then gradually decreases and is finally equal to in-situ stress in some location. (3) The influence range of the floor track tunnel on the stress of surrounding rock of the top tunnel is greater than 6 times of tunnel diameter,which far exceeds the influence range of 3 times of that obtained by traditional elastic mechanics. The above results indicate that the distributing characteristics of stress in surrounding rock masses for deep-buried tunnels are different from that for shallow-buried tunnels,and it can provide references for similar projects.Key words:mining engineering;deep-buried tunnels;hydraulic fracturing method;in-situ stress measurements;stress of surrounding rocks;distributing characteristics收稿日期:2010–01–20;修回日期:2010–04–21基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732001)作者简介:罗超文(1963–),男,1999年于武汉工业大学获岩土工程专业博士学位,现任副研究员,主要从事地应力、岩石力学实验以及相应实验仪第29卷第7期罗超文,等. 深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究 • 1419 •1 引言随着我国经济的快速发展,对各种资源需求日益提高。
浅析深井高应力巷道围岩变形特征及控制
浅析深井高应力巷道围岩变形特征及控制摘要:随着我国经济的不断发展,我国对煤炭资源的需求也越来越大,目前许多大型煤矿经过几十年的开采,浅部煤层已经接近枯竭,因此煤矿纷纷开始向深部挖掘。
煤矿向深部开采意味着煤矿的开采工作将在高应力环境中工作。
本文中,我们对深井高应力巷道围岩的变形特征进行分析,提出了控制围岩变形的一些具体措施。
关键词:深井高应力;围岩变形特征;控制措施因为煤矿逐渐向深部挖掘,所以在开采过程中经常出现巷道严重破坏的情况,并且开采工作面的围岩稳定性也极差。
为做好深井巷道的支护工作,保证开采作业的安全进行,我们有必要分析高应力下巷道围岩的变形特征,并且要针对变形特征采取合适的控制措施,以保证煤矿的正常工作和安全生产。
1 深井高应力巷道围岩的变形特征以十三矿为例对深井巷道的围岩形变进行分析。
该矿井地质属于二叠纪,并且该矿井所在矿区已经有了几十年的开采历史,目前其开采主要是深井开采,因此该矿井符合深井巷道围岩变形特征的研究要求。
1.1 该矿井巷道的现状经过几十年的开采,该矿井巷道以及围岩出现了许多的问题,主要表现在以下几方面。
第一,巷道内的地压明显增高。
在矿井进入深部开采后由于矿井深度以及巷道围岩复杂应力结构的影响,巷道围岩所受压力明显提高,围岩变形比较明显,因此开采过程中经常出现支护失效等问题,这给开采作业带来了严重的安全隐患,影响了开采的持续进行。
第二,深井巷道围岩强度低,巷道地形复杂。
由于深度的增加,巷道围岩的主要构成成分也发生了明显的变化,深井围岩的成分主要是膨胀性较高的矿物质以及粘土含量高的矿物质,这种围岩在高应力的作用下变形十分明显,因此巷道呈现出软岩巷道的特征。
第三,深井巷道底板膨胀以及顶板下沉现象比较严重。
由于深度的增加,巷道顶板所受的压力也在不断增加,再加上巷道围岩多为软岩,因此巷道内顶板沉降现象比较严重。
并且,深井巷道内的水平应力也在增加,以至于底板膨胀的现象频繁发生。
第四,深井巷道对受力十分敏感,经常出现突然失稳的状况。
深部长距离跨采巷道围岩稳定性研究
深部长距离跨采巷道围岩稳定性研究发布时间:2022-04-02T00:58:19.633Z 来源:《工程管理前沿》2021年30期作者:邹朝阳[导读] 通过地应力测试及工作面超前应力分析确定工作面回采期间对底板大巷的超前和滞后影响范围,邹朝阳江苏省徐州市沛县大屯煤电公司徐庄煤矿江苏徐州 221611摘要:通过地应力测试及工作面超前应力分析确定工作面回采期间对底板大巷的超前和滞后影响范围,并结合井下实测工作面底板大巷变形量总结跨大巷回采期间底板大巷的变形规律,为底板大巷的扩修和加固提供技术支持。
关键词:地应力、超前支撑压力、周期来压、蠕变一、7313工作面及其跨采巷道特征大屯煤电公司徐庄煤矿7313工作面走向长度 1273m,倾向长度 225m,平均煤厚 4.95m;煤层倾角平均26.5°,埋深-640~-780m冲击危险性评价中等冲击危险;7313工作面下方为-750轨道大巷和皮带大巷,工作面为跨大巷平行回采,跨采影响长度近千米,工作面距轨道大巷净间距17~27m,距皮带大巷净间距31~36m。
图1-1工作面位置平面图1.1 -750东翼大巷支护情况-750大巷东翼原支护方式为锚杆(管缝锚杆,圆钢锚杆)+网+喷砼支护为减少7313工作面回采后顶板垮落对-750东翼大巷造成的影响,对-750东翼大巷顶、肩窝进行锚网索加固。
具体加固方法如下:⑴、加固方式:锚网、锚索。
⑵、顶帮采用GMLZ-500/22-2200左螺纹钢锚杆,配Φ12mm,长3600mm,宽60mm的圆钢钢带梁、铁托盘,铁托盘规格:150×150mm,锚杆间排距800mm×800mm,每排施工7根同规格锚杆。
顶帮铺钢筋编织点焊网片,规格:WH1500×1000/120×100/6/780,网片搭茬1-2孔,使用14#扎丝、每200mm联一扣(将扎丝对折成双股使用,扎丝扭结不少于3圈),单排扣距≯200mm,双股双排交错联接,顶板扎丝尾巴顺势朝两肩窝,两帮扎丝尾巴朝底板。
科技成果——煤矿深部围岩结构与应力场探测分析及控制成套技术
科技成果——煤矿深部围岩结构与应力场探测分析及控制成套技术技术开发单位中国平煤神马能源化工集团有限责任公司、中国科学院武汉岩土力学研究所适用范围该技术装备可用以指导解决深部巷道支护、瓦斯治理、冲击地压、采面支架选型等开采难题,能够确保实验巷道的安全性,延长巷道维修周期,减轻职工劳动强度。
成果简介1、提出煤矿深部软弱围岩流变应力恢复法地应力测试方法,发明了三向压应力传感器、孔内推送定位装置及封孔注浆充填材料技术;2、研发了煤矿深部巷道围岩结构面钻孔全景数字化探测分析技术;建立了基于钻孔全景摄像系统的结构面统计模型及分析程序的开发;3、研发了煤矿深部巷道围岩松动圈跨孔声波法测试技术及防爆型设备,实现了煤矿深部巷道围岩松动圈时空演化过程的连续监测;4、制定了《平顶山矿区深部岩巷支护技术标准》。
关键技术针对深部巷道围岩赋存条件复杂、围岩精细结构与地应力场分布规律掌握不清、深部巷道变形严重的现状,研发了煤矿深部软弱裂隙围岩地应力测试技术、井巷围岩结构数字化钻孔全景观测与分析技术、巷道围岩松动圈及发展过程测试技术,提出并实施了深部巷道围岩稳定控制技术,有效解决了深部围岩结构和地应力的探测分析及巷道稳定控制等科学技术难题,取得了良好的效果。
研发煤矿深部围岩的井下数字电视测量分析系统,实施360°全孔壁围岩数字成像,工作孔深可达数百米,数字岩芯的图像拼接精度为1mm以内,能够形成全数字化的围岩信息库;基于短距离双钻孔声波投射探测解释精度达到0.05m;基于小型三向压力传感器的煤矿深部围岩应力原位监测技术,进行长期的钻孔中围岩应力演化监测;研发出的围岩结构与应力场综合精细解释分析软件,能更好的进行围岩控制技术参数的设计优化。
应用情况该技术装备在平煤矿区一矿、五矿、十一矿等矿井进行了应用,减少了大量钻孔取芯的工作量,降低井下防突队人员机器的工作强度,提高了巷道返修施工水平,有效控制了围岩稳定性问题,显著改善了巷道生产安全状况,保证了安全生产。
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深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术韩孝广
发表时间:2019-01-09T14:22:32.410Z 来源:《建筑学研究前沿》2018年第31期作者:韩孝广王涛[导读] 本文分析了深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术。
山东省滕州曹庄煤炭有限责任公司山东滕州 277519
摘要:近年来,矿井开采深度逐年增加,巷道周边的地应力也相对提高。
本文分析了深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术。
关键词:深部煤矿;应力分布特征;巷道围岩
前言
深部煤炭开采的最大特点是煤炭资源开采前煤岩体处于高原岩应力状态,而进行采掘活动后,裸露采掘空间表面垂直方向的应力迅速降到大气压。
这种变化引起围岩应力的调整,出现很高的集中应力,在围岩中形成很大的应力梯度。
围岩应力分布不是一成不变的,而是随着采掘活动的进行不断变化。
当煤岩体不能承受这种应力变化时,就会出现各种灾害,这对深部煤矿的安全、高效开采带来巨大威胁。
1 深部煤矿应力分布特征
1.1 深部煤矿地应力测量与分析
目前,许多矿区对深部煤矿的地应力特征缺乏理性认识。
当前直接用于地应力场的研究数据较为缺乏,许多煤矿对支护问题、冲击地压等,与地应力场联系较少。
矿井深度的增加导致地应力值增加,破坏巷道能力加强。
当前的地应力测量主要以空心包体法为主,某些条件下也可采用水压致裂法。
研究地应力学者通过整理600~1500m的深部矿区数据,剔除特殊地质环境测量数据后,总结出地应力测量的方法主要有:水压致裂法(用于一般地质条件)、结合应力解除法。
1.2 深部煤矿地区的地应力方向特征
经过对我国深部煤矿地区的地应力测量研究,发现我国深部矿区地应力方向存在一些特征:岩层中的水平应力方向特征较为显著;最大水平应力角度下量值较垂直应力大。
2 深部巷道围岩控制技术
巷道围岩控制技术按原理可分为3大类:①支护法。
它是作用在巷道围岩表面的支护方式,如各种类型的支架、砌碹支护,为了改善支架受力状况,提高支护阻力,还可实施壁后充填和喷浆等。
②加固法。
其是插入或灌入煤岩体内部起加固作用,使煤岩体自稳的方法,如各种锚杆与锚索、注浆加固,锚杆、锚索分为插入煤岩体内的部分(杆体、锚固剂),以及设置在巷道表面的构件(托板、钢带及金属网),因此,“锚杆支护”确切意义上应称为“锚杆加固”或“锚杆加固与支护”。
③应力控制法。
它是改善巷道围岩应力状态,从而使巷道处于应力降低区的方法,包括巷道布置优化及各种人工卸压法。
2.1 巷道布置优化及应力控制法
针对深部巷道围岩应力高、变形大,甚至会出现冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害,进行采掘优化、巷道布置优化,改善巷道受力状态是首先应考虑的方法。
将巷道布置在应力降低区,如沿已稳定的采空区边缘掘进巷道(沿空掘巷),将巷道布置在采空区下方(掘前预采、上行开采等),均可明显降低巷道受力,改善围岩应力状态。
在深部开采中,有些煤矿水平应力大于垂直应力,而且水平应力具有明显的方向性,最大水平主应力明显高于最小水平主应力。
在这种条件下,当巷道轴线与最大水平主应力平行,巷道受水平应力的影响最小,有利于顶底板稳定。
根据地应力实测数据优化巷道布置方向,对巷道稳定性会起到事半功倍的作用。
此外,巷道布置应尽量避开大型地质构造(断层、褶曲、陷落柱等)。
根据深部煤矿地应力场分布特征,对巷道断面形状与尺寸进行优化,可改善巷道周边附近围岩应力分布,有利于围岩稳定。
人工卸压法,包括切缝、爆破、钻孔及掘卸压巷等,可转移巷道周边附近的高应力,改善围岩应力状态,在适宜的条件下可作为一种辅助的围岩控制手段。
2.2 深部巷道支护与加固法
目前,深部巷道支护与加固形式主要有:锚杆、锚喷支护,U型钢可缩性支架,注浆加固,复合支护(采用2种或2种以上的支护加固方式联合支护巷道,如锚喷+注浆加固,锚喷+U型钢可缩性支架,U型钢支架+注浆加固,以及锚喷+注浆+U型钢支架等型式)。
经过多年研究与实践,我国煤矿已形成了基于煤岩体地质力学测试、以预应力锚固与注浆为核心的巷道支护成套技术。
对于深部巷道,锚固与注浆技术也是经济有效的围岩控制技术。
1)预应力锚固技术。
在深部巷道采用的预应力锚杆、锚索支护技术,其支护原理是大幅提高支护系统的初始刚度与强度,形成高支护应力场,降低采动应力场梯度,主动控制围岩扩容变形,保持其完整性。
同时,支护系统应具有高延伸率,允许围岩有较大连续变形,通过预留变形量,使巷道发生可控变形后仍能满足使用要求。
不同巷道条件应有不同的锚杆支护形式:预应力锚杆支护适用于围岩比较完整的岩石巷道、岩石顶板煤巷等;预应力锚杆与锚索支护可应用于煤顶巷道、无煤柱护巷、软岩巷道、高应力巷道、动压巷道及大断面巷道等多种比较困难的条件;全预应力锚索支护,顶板、两帮,甚至底板全部采用预应力锚索支护,适用于深部高应力巷道、强烈动压巷道等非常困难的条件。
2)注浆加固技术。
在松软破碎煤岩体中开掘巷道,围岩自稳时间短、破碎范围大,在这种条件下,注浆加固是围岩控制的有效途径。
注浆加固利用浆液充填围岩内的裂隙,将破碎煤岩体固结起来,提高围岩整体强度,增加围岩自身承载能力。
我国煤矿目前采用的注浆材料主要分为2大类:一类是水泥基材料,是注浆加固应用最广的材料;另一类是高分子材料,如聚氨酯、脲醛树脂等。
此外,还开发出多种复合材料,以改善注浆材料的性能,降低注浆材料的成本。
在井下应用时,可根据巷道具体地质与生产条件进行选择。
3)预应力锚固与注浆联合加固技术。
当巷道围岩松软破碎,锚杆与锚索锚固力不能保证时,预应力锚杆、锚索与注浆联合是一种有效的加固技术。
注浆可将松软破碎围岩粘结,提高围岩整体强度,同时为锚杆与锚索提供可锚的基础,保证锚杆与锚索预应力与工作阻力能有效扩散到围岩中。
注浆后采用预应力锚杆与锚索支护,可有效控制围岩扩容变形,保持围岩长期稳定。
此外,还开发了多种注浆锚杆、注浆锚索及钻锚注一体化锚杆,适用于不同条件的巷道加固。
3 巷道围岩控制技术研究尚需解决的问题
由于我国不同地域的地质条件迥异,这对围岩控制研究提出了较高要求。
因此,围岩控制理论体系和技术的发展前景广阔,任务艰巨。
3.1 对巷道围岩应力场演化规律尚不清楚
较为深部煤层巷道与一般巷道相比,围岩条件、应力环境较为复杂。
经矿山压力及巷道变形观测的实验数据表明,高应力煤巷的巷道围岩初始变形速度大、围岩变形持续时间长、巷道开挖时围岩经常出现类似冲击地压的现象等,造成上述现象的理由及机理尚不清楚。
3.2 对围岩承载区的系统研究不足
研究人员已充分认识到,保证深部煤层巷道支护效果的关键是围岩自身的承载能力,并据此划分了巷道围岩的承载区。
但对围岩承载区的界定往往从单一角度出发,如应力大小、变形量、破碎程度等,没有充分考虑彼此间的联系,因此未全面反映围岩承载机理。
4 煤层巷道围岩控制技术研究的方向
4.1 进一步建立参数关系
需建立完善的、科学的煤层巷道整体力学模型,在研究直接顶板稳定性的基础上建立各项技术参数及之间的相互关系,为监控技术提供可靠的监控指标,建立“预测-监控”体系。
4.2 深入理论研究
深入研究围岩控制中的关键层理论,对围岩层内的离层区分布给出科学精确的定量描述,为离层区充填技术和地面及井下的抽放瓦斯技术奠定基础,对关键层理论中的研究重点放在坚硬岩层破断的组合效益、关键层破断形态与表土层变形的祸合关系上。
结语
随着煤炭开采技术的发展,巷道作为煤矿井下运输的通道,一直担负着至关重要的角色。
我国煤矿巷道事故频发,已严重制约了煤矿的安全生产和快速发展。
因此,煤巷围岩控制技术已引起广泛重视。
参考文献
[1]倪兴华.地应力研究与应用[M].北京:煤炭工业出版社,2014,52-129.
[2]康红普.深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术[J].煤炭科学技术,2013(09).
[3]张鹏飞.深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术[J].煤炭与化工,2017(06).。