千米深井煤層大巷礦壓規(guī)律研究 - 圖文-

1、千米深井煤層大巷礦壓規(guī)律研究王成,張農(nóng),鄭西貴,臧英新,王保貴,劉立明(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116摘要:隨著煤礦開采深度的增加,巷道支護(hù)的難度隨之增加,傳統(tǒng)單一的支護(hù)方式難以適應(yīng)深井軟巖巷道的支護(hù)要求。通過對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集礦-870 m水平13-1煤層回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間礦壓規(guī)律實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得出巷道變形活躍期、表面收斂規(guī)律及周邊變形差異;同時(shí)利用鉆孔窺視儀探測(cè)巷道深部圍巖分區(qū)破裂情況,確定巷道的松散破碎區(qū)及離層區(qū)范圍,結(jié)合礦壓規(guī)律,提出閉式承載結(jié)構(gòu)控制深部巷道圍巖。有關(guān)規(guī)律在深井煤巷中有一定的代表性,對(duì)類似巷道的支護(hù)具有指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞:采礦工程;煤層大巷;礦壓規(guī)律;鉆孔

2、窺視;分區(qū)破裂;閉式承載結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào):TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: AStudy on Rock Pressure Law of Coal Main Roadway in KmDeep MineWANG Cheng, ZHANG Nong, ZHENG Xigui, ZANG Yingxin, WANG Baogui,LIU Liming(School of Mines, China University of Mining and Technoloty, Xuzhou Jiangsu 221116 Abstract: With the increasing of the mining dept

3、h, the difficulty of roadway support is increasing. The traditional simplex support can not meet the support demand of deep soft roadway. Rock pressure law of roadway surrounding rock is the key to solve this problem. Based on data analysis of strata behavior regularity Aim at coal13-1 return air-wa

4、y at -870 m level during the driving period in Zhuji Coal Mine of Huainan Mining Group, active period of roadway deformation was obtained convergence law was analyzed with roadway convergence law and deformation differences of surrounding rock. At the meantime, we used the borehole imaging instrumen

5、t to detect zonal disintegration of surrounding rock, defined both loose broken area and separation area, and put forward that closed bearing structure Relevant laws have a certain developer representation in deep coal roadway, and play guiding role in similar roadway support.Key words: mining engin

6、eeringe; coal roadway; strata behavior regularity; borehole imaging; zonal disintegration; closed bearing structure0引言目前國內(nèi)許多礦井正在向9001000 m深度延伸,部分礦區(qū)甚至超過1000 m,如淮南、徐州、新汶等礦區(qū),已進(jìn)入深部開采1-3。礦井開采進(jìn)入深部后,深部巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和淺部巷道相比具有很大差異4-7,主要表現(xiàn)在:地應(yīng)力升高,兩幫移近量大,底鼓現(xiàn)象十分普遍。巷道開挖后變形速度快,活躍期長;巷道圍巖變形量大,并具有明顯的“時(shí)間效應(yīng)”;圍巖具有區(qū)域性,松散破碎區(qū)及

7、離層區(qū)范圍增大。本文以朱集礦-870 m回風(fēng)大巷為例驗(yàn)證?；痦?xiàng)目:“十一五”國家科技支撐計(jì)劃(2007BAK28B04,國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50904064,中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(SKLCRSM09X03,煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(08KF10,中國礦業(yè)大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目(2008A004。作者簡介:王成(1984-,男,博士,主要從事巷道支護(hù)方面的研究. E-mail: wangchengcumt1 工程地質(zhì)概況朱集礦回風(fēng)大巷位于-870 m 水平的13-1煤層中,部分巷段甚至低于-870 m 水平。巷道掘進(jìn)初

8、期采用架29U 型棚的單一支護(hù)形式,巷道埋深大、地應(yīng)力高、圍巖條件極其復(fù)雜等因素嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和施工安全。為了制定合理的二次加固方案,保障煤層巷道安全,特開展礦壓規(guī)律分析。朱集礦井田總體構(gòu)造形態(tài)為一背、向斜,斷層不甚發(fā)育,以邊界斷層及其附生斷層為主,組合規(guī)律性較強(qiáng);區(qū)內(nèi)有巖漿巖侵入。13-1煤層全區(qū)均為氣煤,賦存深度大多在-810-900 m 之間,其直接頂、底板均以泥巖為主,其次為粉砂巖和砂巖,地溫較高。礦井涌水以裂隙充水為主,礦井的正常涌水量為267 m 3/h ,最大涌水量為387m 3/h ,太灰?guī)r溶裂隙含水層的突水量為1152 m 3/h ,具體地質(zhì)條件見12-1鉆孔和12-2鉆孔

9、巖層綜合柱狀圖,如圖1所示。 1.052.252.801.303.702.703.301.904.90砂巖砂巖粉砂巖粉砂巖3-1煤砂巖粉砂巖細(xì)砂巖粉砂巖12-112-2圖1 巖層綜合柱狀圖(單位:m Fig.1 Histogram of the rock strata (unit: m2 礦壓規(guī)律分析在-870 m 煤層回風(fēng)大巷(13-1煤共布置表面位移測(cè)點(diǎn)5個(gè),觀測(cè)巷道圍巖變形情況,采用YTJ20型巖層探測(cè)圍巖破壞情況。2.1 巷道表面收斂顯現(xiàn)的特征采用快速連續(xù)觀測(cè)方法對(duì)-870 m 煤層回風(fēng)大巷圍巖變形開展了觀測(cè),兩幫變形及變形 Fig.2 Deformation curve of bot

10、h sides Fig.3 Deformation curve of both sides從圖2和圖3可以得出如下規(guī)律:1經(jīng)過29 d礦壓觀測(cè),兩幫位移總量持續(xù)增加,達(dá)到148 mm,其中左幫79 mm,右?guī)?9 mm,此時(shí)兩幫位移已趨于穩(wěn)定。2巷道左幫位移量始終大于右?guī)?巷道掘進(jìn)的前2 d,巷道左幫位移量相對(duì)于右?guī)屠塾?jì)量差異最大。4 d后,兩幫的位移增量基本持平。3巷道開挖的前3 d,為兩幫變形劇烈期,巷道開挖1 d后,變形速度達(dá)到最大值,左幫速度為28 mm/d,右?guī)臀灰扑俣葹?6 mm/d,兩幫位移速度為44 mm/d。巷道開挖4 d后,兩幫變形速度基本一致。2.2巷道頂?shù)装遄冃我?guī)律 F

11、ig.4 Deformation of roof and floor Fig.5 Deformation speed of roof and floor從圖4和圖5可以得出以下規(guī)律:129 d后,巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量達(dá)到879 mm,頂板累計(jì)下沉量為346 mm,底板累計(jì)鼓起量為533 mm,最終巷道頂?shù)装逡平俣然颈３址€(wěn)定,分別為3 mm/d、10 mm/d,底鼓仍保持較快增長。2巷道開挖后10 d,頂板累計(jì)下沉量大于底板累計(jì)鼓起量,11 d后,底鼓累計(jì)量開始大于頂板下沉量。3巷道開挖的前4 d為巷道頂?shù)装遄冃蔚膭×移?頂板下沉速度大于底鼓速度。頂板下沉速度在巷道開挖第2d達(dá)到最大,為17

12、3 mm/d,底鼓速度在第4d達(dá)到最大,為111 mm/d。4巷道開挖后511 d,為底鼓的活躍期,變形速度約2533 mm/d。巷道開挖12 d 后,底板變形速度達(dá)到穩(wěn)定期。3巷道圍巖破壞分區(qū)特征采用YTJ20型鉆孔窺視儀觀測(cè)圍巖內(nèi)部破壞情況,見圖6。 (a 完整煤巖(b 嚴(yán)重破碎(c中等破碎 (d 輕微破碎(e 裂縫(f 松散圖6 巷道圍巖破壞狀況Fig.6 Failure condition of roadway surrounding rock根據(jù)鉆孔窺視圍巖破壞的情況,將每個(gè)鉆孔內(nèi)圍巖的破壞沿鉆孔由內(nèi)向外依次描繪在圖7上。從圖中可以看出,巷道淺部3 m范圍內(nèi)圍巖的破壞較為嚴(yán)重,此區(qū)域

13、可認(rèn)為是傳統(tǒng)意義上的巷道圍巖松動(dòng)圈。鉆孔內(nèi)的圍巖均存在分區(qū)破裂現(xiàn)象8-10。將孔內(nèi)圍巖破裂區(qū)間隔超過0.5 m的區(qū)域用弧線連接起來,形成5個(gè)破裂區(qū)。破裂區(qū)之間的區(qū)域,則認(rèn)為是相對(duì)完整的巖層。 圖7 巷道分區(qū)破裂分布Fig.7 Zonal disintegration of roadway分析上圖,得出以下結(jié)論:1從最大破壞深度看,巷道圍巖3 m破壞較為嚴(yán)重,其中以1.5 m破壞最為嚴(yán)重;而隨著鉆孔深度增加,圍巖破壞情況趨向緩和。因此,確定圍巖松散破碎區(qū)范圍為3.0 m。2兩幫圍巖在破壞程度上表現(xiàn)較大的差異,巷道左幫比右?guī)推茐膰?yán)重,左幫發(fā)現(xiàn)較為明顯的破壞深度為7.5 m,而右?guī)驮?.3 m未發(fā)現(xiàn)

14、明顯裂隙,與巷道兩幫變形的差異性相吻合;巷道拱肩破裂程度較其它部位更為明顯,右肩破壞程度大于左肩。3鉆孔窺視發(fā)現(xiàn),隨著探測(cè)深度的增加,圍巖破碎或者裂隙圈逐漸由嚴(yán)重或明顯破碎到中等破碎再變化到小裂隙直到完整圍巖;且破碎或裂隙圈主要沿垂直于鉆孔軸線的方向,即切向裂隙,由圍巖淺部和深部產(chǎn)生不均勻變形引起,圍巖淺部以卸壓膨脹變形為主,深部為結(jié)構(gòu)變形。圍巖的支護(hù)強(qiáng)度低,淺部破碎范圍則大11。為了保證窺視的深度和效果,現(xiàn)場(chǎng)將鉆孔位置選在圍巖較穩(wěn)定區(qū)域,但圍巖破碎情況仍然非常嚴(yán)重,圍巖破壞深度為7.5 m,而松散破碎區(qū)值達(dá)到3 m。這一方面驗(yàn)證了-870 m回風(fēng)大巷地質(zhì)條件的復(fù)雜,另外也說明被動(dòng)的U型棚支護(hù)

15、形式無法對(duì)圍巖提供足夠的支護(hù)強(qiáng)度,不能有效阻止圍巖裂隙的發(fā)展。4對(duì)支護(hù)的指導(dǎo)作用1-870 m煤層大巷埋藏深,巷道開挖后來壓快,變形速度大,前4 d為頂板和兩幫的活躍期,511 d為底鼓的活躍期,且穩(wěn)定時(shí)間長,開挖1個(gè)月后巷道表面仍在收斂,巷道變形長時(shí)持續(xù)增加。2-870 m煤層大巷圍巖松散破碎區(qū)大,超過3 m,圍巖破壞影響范圍達(dá)5 m,甚至超過6m,自表向里依次為嚴(yán)重破碎區(qū)、破碎區(qū)和離層區(qū)。3深井高應(yīng)力巷道底鼓變形嚴(yán)重,開放底板式控制技術(shù)難以滿足全斷面來壓的深部巷道,必須構(gòu)建閉式承載結(jié)構(gòu),從根本上全方位控制巷道圍巖,才能保證巷道的長期穩(wěn)定。參考文獻(xiàn) (References1柏建彪, 王襄禹,

16、 賈明魁, 等. 深部軟巖巷道支護(hù)原理及應(yīng)用J. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(5: 632-635.2李德忠, 夏新川, 韓家跟, 等. 深部礦井開采技術(shù)M. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2005.3何杰, 方新秋, 許偉, 等. 深井高應(yīng)力破碎區(qū)巷道破壞機(jī)理及控制研究J. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2008,25(4: 494-498.4張農(nóng), 王成, 高明仕, 等. 淮南礦區(qū)深部煤巷支護(hù)難度分級(jí)及控制對(duì)策J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009,28(12: 2421-2428.5蔡美峰, 何滿潮, 劉東燕. 巖石力學(xué)與工程M. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.6何滿潮, 謝和平, 彭蘇萍, 等. 深部開采巖體力學(xué)研究J. 巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(16:2804-2812.7陳炎光, 陸士良, 徐永圻. 中國煤礦巷道圍巖控制M. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1994.8賀永年, 韓立軍, 邵鵬, 等. 深部巷道穩(wěn)定的若干巖石力學(xué)問題J. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 35(3:288-295.9李術(shù)才, 王漢鵬, 錢七虎, 等. 深部巷道