巷道切縫卸壓

1、煤礦巷道卸壓技術(shù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)汪理全教授一、巷道卸壓的基本原理在原巖體中開(kāi)掘巷道之后，巖體應(yīng)力必產(chǎn)生重新分布。如巷道埋深為H,則 圓形巷道周邊的巖石沿徑向卸載，徑向力。r-，但沿切向產(chǎn)生集中應(yīng)力，切向 應(yīng)力。t可劇增到原巖應(yīng)力Y H的2倍。這時(shí)，巷道周邊巖體處于雙向應(yīng)力狀態(tài)， 其強(qiáng)度較低，容易破壞。尤其在高應(yīng)力及松軟圍巖條件下，集中應(yīng)力遠(yuǎn)大于圍巖 強(qiáng)度一P1，深部轉(zhuǎn)移，直至能承受集中應(yīng)力為止。這時(shí)在巷道周邊破壞區(qū)形成 了應(yīng)力降低區(qū)。這種應(yīng)力降低區(qū)是巷道周邊巖體的完整結(jié)構(gòu)破壞之后形成的。即 在卸壓的同時(shí)巷道周邊的塑性變形區(qū)范圍及該區(qū)內(nèi)遭破壞巖體的塑性變形、擴(kuò)形 膨脹變形就明顯增大。上述塑性變形區(qū)的

2、范圍及變形量的大小是巷道維護(hù)的關(guān)鍵 因素。能否既使巷道周邊P1塑性區(qū)的范圍，不產(chǎn)生較大變形，改善巷道的維護(hù) 狀況？研究及實(shí)踐表明，可以通過(guò)不同的卸壓方法在圍巖深處形成弱化區(qū)，為圍巖 的膨脹變形提供一定的變形補(bǔ)償空間。使集中應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，該處巖體處 于三向應(yīng)力狀態(tài)，有較高強(qiáng)度，可以承受支承壓力的作用而不破壞。于是在應(yīng)力圖1巷道周邊卸壓后的應(yīng)力分布增高區(qū)內(nèi)形成了一圈“自承巖環(huán)”。自 承巖環(huán)主要承受集中力，充分發(fā)揮巖體 的自承能力。在自承巖環(huán)的支承和保護(hù) 下，使卸壓區(qū)內(nèi)的巖體保持穩(wěn)定。同時(shí)， 結(jié)構(gòu)和完整性并未完全遭到破壞卸壓 區(qū)內(nèi)的巷道圍巖，相當(dāng)于在自承巖環(huán)的 P1強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而使巷道圍巖

3、的 整體穩(wěn)定性得到提高。如圖1示。二、巷道卸壓方法（一）鉆孔卸壓1.橫向鉆孔采用鉆孔右以削弱巷道圍巖。鉆孔之間的煤體遭到破壞，因此，支承壓力帶 向巖體深部轉(zhuǎn)移達(dá)一個(gè)鉆孔長(zhǎng)度的深部。鉆孔間煤體破壞保證了卸載帶中巖層的 均勻彎曲。M-A-長(zhǎng)米沙羅夫研究認(rèn)為，緊跟巷 道掘進(jìn)在巷道工作面附近進(jìn)行巖體卸 壓的效果最佳。巖層的彎曲應(yīng)發(fā)生在破壞的 孔間煤體阻力恒定時(shí)，當(dāng)孔間煤體寬度與鉆 孔直徑之比等于0.81.0時(shí)可以保證做到 這點(diǎn).鉆孔最佳深度為10m。頓涅茨性科院通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了鉆孔卸壓 的良好效果?；宸蛩箍▉喌V采掘工程平面圖如圖2 所示。長(zhǎng)80m的巷道段位于西2下山，巷道斷 面12.5m2，沿h10煤

4、層掘時(shí)進(jìn)，用三節(jié)拱形圖3在預(yù)先卸壓的巖體中保護(hù)巷道金屬支架支護(hù)。卸壓鉆孔長(zhǎng)8 10m，直徑為300mm，孔間煤體 寬300mm左右。采煤工作影響 帶以外卸壓段的底板移動(dòng)量與 未卸壓段的移近量沒(méi)有區(qū)別，在 采煤工作影響帶內(nèi)。未卸壓的移 動(dòng)量達(dá)450820mm，而卸壓段 內(nèi)僅為78188mm，如圖3所 示。2.縱向鉆孔如圖3示意。沿煤層先垂直 于巷道掘進(jìn)方向開(kāi)一些缺口，從圖2其中鉆一排平行于巷道軸的超前鉆孔，以切割出具有不同承載能力（不同寬度）的條帶關(guān)煤柱。條帶狀煤柱的承載能力隨遠(yuǎn)離被保護(hù)的巷道朝 著煤體方向增加。因而，在隨后掘進(jìn)的巷道地帶區(qū)，巖體的卸載是通過(guò)被鉆孔削 弱的剛性（可縮性）可變的煤帶

5、來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，巷道是在預(yù)先卸載的巖體中掘進(jìn)，并且在整個(gè)服務(wù)期間是用剛性可變 的煤帶保護(hù)，它可以通過(guò)將支承壓力轉(zhuǎn)移到巖體深部從而降低被保護(hù)巷道周圍的 應(yīng)力。圖3表示掘進(jìn)采區(qū)斜巷時(shí)為了降低巖體中的應(yīng)力而鉆進(jìn)卸載鉆孔的示意圖。在采用壁式開(kāi)采方法時(shí)，在運(yùn)輸平巷1內(nèi)回采小巷的切口附近安裝鉆眼設(shè)備 2,并在煤層平面中鉆進(jìn)長(zhǎng)度盡量大的一排鉆孔3。在卸載鉆孔之間留下煤柱4, 煤柱的承載能力從巷道周邊向煤體深部增加，最小的煤柱留在繼續(xù)要掘進(jìn)的巷道 斷面中。然后在已卸載煤體的中部掘進(jìn)巷道，其長(zhǎng)度等于鉆孔的長(zhǎng)度，此后在巷 道工作面上部巖體5中沿巷道兩側(cè)開(kāi)切硐室6,以安裝鉆眼設(shè)備之用，并鉆進(jìn)下 一排向鉆孔?！巴辛衅潯?/p>

6、列煙煤聯(lián)合公司盧圖金礦的實(shí)驗(yàn)工作表明，采預(yù)先卸先載可以消 除在采煤工作面前方或后方的巷道底膨。（二）藥壺爆破法藥壺爆破是在炮眼底部先少量裝藥爆破成壺狀，再將裝藥爆破，不破裂巖體表面。U -1 切爾尼亞克教授提 出，用爆破法卸壓。這種方法 的實(shí)質(zhì)是用爆破法在靠近巷 道周邊的煤層底板中形成巖 石松動(dòng)帶，由于巷道石松動(dòng)帶， 最大支承壓力轉(zhuǎn)移到巖體及 煤柱深部。圖4示意。確定爆破參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮煤層底板巖石性質(zhì)及厚度，軟圖4藥壺爆破法巖巷道底鼓巖層深度一般為巷寬的0.7倍左右。炮眼與水平的夾角，眼孔間距及深度，炸藥性能及裝藥量等。 既要達(dá)到爆破時(shí)，巖石從一孔洞拋到另一個(gè)孔洞時(shí)能獲得最好的松動(dòng)效果，又不

7、破壞圍巖表面。FU波克羅夫斯基提出，爆破巖石破壞圈半徑可用下式確定：式中G炸裝藥量；。破巖石破壞的極限強(qiáng)度E巖石的變形模量；A爆破的比能;Y巖石密度。為了實(shí)用和近似計(jì)算，可采用A=3X105及丫 =2300，這時(shí)上述公式可寫成:R 破=1.6$ % =E。破用實(shí)驗(yàn)方法確定。在溫度為14-20%的泥質(zhì)巖中，7號(hào)硝銨炸藥的裝藥量 為0.10.3kg時(shí)，為0.40.8m.在泥質(zhì)巖中當(dāng)藥包順序爆破時(shí)，為了保證巖石 從一個(gè)孔洞拋到另一個(gè)孔洞，藥包間距不超過(guò)0.8D（D藥壺孔腔直徑）。在石 灰?guī)r中，用重量為0.152kg的藥包爆破時(shí)，在距藥包0.6m處觀測(cè)到0.6m的裂隙. 鉆孔與水平面的夾角一般為153

8、0。及4560。爆破后可形成2 m左右 的松動(dòng)帶，擴(kuò)展到煤柱下距離約2-3 m深。爆破松動(dòng)帶傳遞側(cè)向應(yīng)力及垂直應(yīng)力 的作用會(huì)大為減弱或完全停止，直至松動(dòng)巖石壓實(shí)為止。這一時(shí)間過(guò)程用實(shí)驗(yàn)方 法確定，并盡量利用這一時(shí)間來(lái)安排巷道的使用。實(shí)例1，卡拉干達(dá)煤田礦井松動(dòng)爆破卸壓實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)圖5及表1示意。圖5爆破方案未實(shí)驗(yàn)段移近量為480mm。第一實(shí)驗(yàn)段25 m，在與承壓力影 響帶以外的下山中，下山底板含水， 底鼓為u=0.150.2m/月。松動(dòng)爆破 工作在掘進(jìn)下山時(shí)滯后巷道工作面 40m處進(jìn)行。裝藥深度為0.8m。硝銨 炸藥重量為0.075kg。爆后底板泥質(zhì) 巖石破壞，懸露處發(fā)現(xiàn)形成了直徑為 0.10.

9、3m的松動(dòng)腔。觀測(cè)2.5個(gè)月 實(shí)驗(yàn)段底板移近量為190mm，未支承 壓力中進(jìn)行。炸藥重0.075kg。實(shí)驗(yàn) 段底板移近量為180mm；圖6圖7表1方案炮眼數(shù)量炮眼長(zhǎng)度，m與水平面夾角（。）藥包重量，kga31.0300.085b221.01.090450.0850.1實(shí)例2：圖6示意卡拉千達(dá)礦東運(yùn)輸平巷炮眼布置及參數(shù)，炸藥0.125kg。底鼓減少了 67-75%。實(shí)例3：托列茲無(wú)煙煤聯(lián)合公司列斯娜亞礦，h3煤層，采深750m東14運(yùn)輸 大巷實(shí)驗(yàn)證明了效果很好。巷道掘進(jìn)和松動(dòng)爆破同時(shí)進(jìn)行，爆破降到巷道中的巖 石，隨掘進(jìn)出砰一同運(yùn)走。（1）當(dāng)炮眼以25、30鉆進(jìn)時(shí)，巖石破壞帶深度為1m。該段實(shí)驗(yàn)結(jié)

10、果 表明，在工作面后方30m左右，移動(dòng)最劇烈靠煤柱測(cè)為127mm，煤體一側(cè)移 近量為92mm。并在以后巷底移動(dòng)停止。（2）當(dāng)炮眼夾角為45及60鉆進(jìn)時(shí)，巖石破壞帶深度為1.8m，在工作 面后方20m處，停止了移動(dòng)。圖8示意的工程，在工作面與平巷聯(lián)接處（109mm）及回采工作面后方40m 處移動(dòng)量（126mm）分別減71%和82%。為防止已破壞的巖石向巷道中鼓起，可以架設(shè)底梁，在底梁加以支護(hù)（錨桿 或支柱）。或者底板鉆孔卸壓，或底板鉆孔爆破后注漿。圖8所示。（三）頂部卸壓U-L-切爾亞克教授研究認(rèn)為，頂部預(yù)先卸壓保護(hù)下部巷道的范圍如圖9 示。沿走向布置巷道，保護(hù)下部寬度A為：A=b+2nn巷道一

11、側(cè)保護(hù)煤柱寬，m；b兩巷及巷中間煤柱寬度，m，如果一條巷道，b等一條巷的度；上部卸 壓寬度 a，a=A+1.4h2。實(shí)例1：如圖10示。巷道埋深898m，凈斷面12.5m，距煤層底板412m。圖10卸載工作面長(zhǎng)150160m。巖石平巷掘進(jìn)滯后卸壓工作面40300m。采空區(qū) 下掘進(jìn)的巖石平巷處于良好狀態(tài)。相比之下，頂板底板移近量減少了 8386%。實(shí)例2：鮑店膠帶機(jī)硐室頂部卸壓巷設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖11。圖11（四）巷道圍巖切槽卸壓巷道切槽卸壓的切縫位置如圖12示。圖12圖13巷道周邊卸壓后的應(yīng)力分布如圖1示。巷道切槽后對(duì)園巷道周邊應(yīng)力分布的影響如圖13示 巷道底板切槽如圖14示。當(dāng)切槽深度b小于巷幫

12、到切縫的間距a,即a/b 1時(shí)，開(kāi)槽二場(chǎng)一二L后的底板視而不視作從卸壓槽下方受到磺向載荷p作用的巖石懸梁。承受彎曲應(yīng)力，巖石抗彎強(qiáng)度小，底板上翹，巷至下面巖層向上斷裂。巖層受剪力作用，當(dāng)a/bVr- j *- -i，I 三 ii .;.圖14底板中最大剪應(yīng)力為1時(shí)，巖石抗剪強(qiáng)度一般大于抗拉強(qiáng)度，巖石底板穩(wěn)定。T =1.5P/b切槽后底板梁能承受的最大壓力為P=T B Xb/1.5T B底板巖層抗剪強(qiáng)度?？扇 b =5000N/m2。如切槽中充填膠結(jié)材料，可提高抗剪強(qiáng)度2倍以上。這時(shí)，底板抗剪強(qiáng)度為T B =T B +O tgW式中a 巖體在剪切面上的正壓力；w 內(nèi)摩擦角。如巖石單向抗 壓強(qiáng)度 R=10000KN/m2, w =37，則T B =5+10tg37 =125KN/m2此時(shí)底板能承受最大壓力為P=T B Xb/1.5=29167 KN/m2例：盧嶺礦：H=615m,圍巖：灰色泥巖、砂巖、頁(yè)巖，a =10-25，泥巖的 層理和和節(jié)理十分發(fā)育。巷道S=26.7m2，S=16.3m2U29可縮封閉支架支護(hù)，間距 0.5m，直墻半圓拱，凈寬5136mm凈高3172mm。巷道卸壓鉆孔兩排三花眼，底排