【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采深度 )條件下，圍巖處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)，決定于其極限強(qiáng)度大??；而圖巖處于 塑性狀態(tài)還是破裂 (松動(dòng) )狀態(tài)，則不僅取決于它的極限強(qiáng) 度，而且取決于它的殘余強(qiáng)度 和應(yīng)變軟化程度，特別是殘余強(qiáng)度。分析表明．與巖體極限強(qiáng)度相比，殘余強(qiáng)度對(duì)巷道 圍巖破裂區(qū)厚度的影響更為突出。 】 00 Z∞ 3∞●∞卯 0 J，一日 o， m 圖 2— 4破裂區(qū)厚度隨開采深度變化的規(guī)律 l 一吒 =4． SMPa,以。 =0． 2MPa, 妒 =25。； 2一以 =9． SMPa,以。 =0． 49MPa,妒 =30。； 3一‘ =19． 6MPa,以。 =O． 9$MPa,9=45。； 4一吼 =49． OMPa,％。 =2． 45MPa,尹 =45。； 圖 2— 4的計(jì)算結(jié)果表明，開采深度每增加 100 m，破裂區(qū)厚度 的增量△ Lb 并不是一 個(gè)常量，而是與巖體強(qiáng)度等因素有關(guān)。巖體強(qiáng)度越小、△ L擊越大，反之，則△ Lb越小。 10 因此，對(duì)于強(qiáng)度較低的巖石，當(dāng)開采達(dá)到一定深度以后，常常出現(xiàn)新開采水平的巷道維 護(hù)突然變得困難的現(xiàn)象。而對(duì)于強(qiáng)度較高的巖石，即使達(dá)到較大的開采深度．巷道維護(hù) 也不困難。事實(shí)上，南非金礦的開采深度已達(dá)到 4000m，但巷道支護(hù)問題并不突出，而 煤礦則不然。 ’現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出的巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨開采深度 (原巖應(yīng)力 )變化的規(guī)律與上述理論 分析相同．如圖 2— 5和圖 2— _6所示。 仉 4 l O 1． S t■ 量 5 丑 O^k 圈 25 L．與 Po／ o。關(guān)系的實(shí)測(cè)擬合曲線 目 Ⅳ — t 圖 2— 6 Lb與 H關(guān)系的實(shí)測(cè)結(jié)果 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 2j 極限強(qiáng)度的影響 如圖 2_8所示，在開采深度、巖體殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度等條件一定時(shí)，巷道圍 巖破裂區(qū)厚度隨巖體單向抗壓極限強(qiáng)度增大而減小。 圖 2噸巖體極限強(qiáng)度對(duì)破裂區(qū)厚度的影響 殘余強(qiáng)度的影響 當(dāng)巖體單向抗壓殘余強(qiáng)度一小于其極限強(qiáng)度 o。的 5％ 10％ BP盯：／ o。 0． 050． 10 時(shí)，巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨殘余強(qiáng)度的減小急劇增大；而當(dāng)殘余強(qiáng)度礦大于極限強(qiáng)度 o。的 20％ BP礦／ o。 0． 20時(shí)，圍巖破裂區(qū)厚度的減小不明顯，如圖 2— 9所示。巖石力 學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，巖石 (體 )的殘余強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度，因此，加固圖 巖，提高其殘余強(qiáng)度應(yīng)作為深井巷道礦壓控制的一個(gè)重要內(nèi)容。 0 寸 。． 2 ^．， ^ 圖 2— 9殘余溫度對(duì)破裂區(qū)厚度的影響 應(yīng)變軟化程度的影響 應(yīng)變軟化系數(shù)是描述巖石破裂 (應(yīng)力超過強(qiáng)度極限 )后強(qiáng)度隨應(yīng)變?cè)龃笏p幅度 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 大小的參數(shù)。應(yīng)變軟化系數(shù) k越大，說明巖石的應(yīng)變軟化程度越大。 應(yīng)變軟化程度 對(duì)巷道圍巖破裂區(qū)厚度的影響如圖 2一 lO所示。當(dāng)其它條件一定時(shí)．巖石的應(yīng)變軟化程 度越大即 k越大．巷道圍巖破裂區(qū)厚度越大，反之，則越小。 圖 2一 lO應(yīng)變軟化程度對(duì)破裂區(qū)厚度的影響 支護(hù)的影響 支護(hù) (這里指以被動(dòng)受力為特征的巷道支架，不包括對(duì)圍巖具有加固作用的支護(hù)方 式，如錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨注支護(hù)等 )在巷道圍巖破裂中的作用是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的闖 題，這里主要從理論上討論支護(hù)阻力 (支護(hù)反力 )Pi 對(duì)深井巷道破裂范圍的影響。從理論 上講．提高支護(hù)阻力可以減小巷道圍巖破裂范圍．因 2— 1l是繪制的 Lb與 Pi的理論曲 線。從因 2一 ll可見．文護(hù)阻力 Pi對(duì)破裂區(qū)厚度的影響很大，這種影響在支護(hù)阻力較小 (同時(shí)巖石殘余強(qiáng)度也較小 )時(shí)尤為突出。 B j C l 2 3 4 11 吏護(hù)詛力 t／ tdlh 圖 2— 11支護(hù)阻力對(duì)破裂區(qū)厚度的影響 根據(jù) I． E Farmer的研究，巖石的單向抗壓殘余強(qiáng)度 通常很低，有的接近于零甚至等于零，而巖體的單向抗壓殘余強(qiáng)度將更低。從理論 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 上講，若支護(hù)對(duì)巷道圍巖破裂 (的發(fā)展 )不起作用，即通常認(rèn)為 Pi0，在《趨于零或等 于零時(shí)，圍巖破裂區(qū)厚度將趨于無窮大。顯然，這不符合實(shí)際情況。毫無疑問，支架不 可能改變圍巖的狀態(tài)，即支架不可能控制圍巖破裂的發(fā)生。因?yàn)椋? ①現(xiàn)有的支護(hù) (架 )還沒有控制深井巷道圍巖使之不破裂的能力； ②支護(hù)不及時(shí)，不可能在圍巖破裂前實(shí)施支護(hù)措施； ⑧支架架設(shè)時(shí)與圍巖不能密切接觸．只有在圍巖產(chǎn)生較大變形并作用于支架時(shí)支 護(hù)才能反作用于巷道圍巖，而此時(shí)圍巖已經(jīng)破裂。 然而，由于深部開采的巷道圍巖破裂范圍較大，而破裂區(qū)的形成要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間 過程，在此過程中支架將由于圍巖變形而產(chǎn)生較大的支護(hù)阻力 (支護(hù)反力 )，從而必 然對(duì) 深井巷道圍巖破裂區(qū)的最終形成產(chǎn)生影響。因此，支護(hù)在深井巷道圍巖破裂中的作用是， 它不能阻止圍巖破裂的發(fā)生，但能對(duì)圍巖破裂區(qū)的形成產(chǎn)生影響、從而在一定程度上減 小圍巖破裂范圍。圍巖破裂范圍的減小必然使得巷道收斂變形減小。前蘇聯(lián)學(xué)者的研究 表明，巷道圍巖的膨脹量 (體積應(yīng)變 )隨支架阻力增大呈雙曲線衰減，即 P，‘ 毛 2er+Sg=托 +口 ) 式中 e坤積應(yīng)變 (圍巖膨脹量 )； co， a—— 無量綱參數(shù)． 支護(hù)阻力對(duì)圍巖提供一個(gè)側(cè)壓力，使圍巖應(yīng)力狀態(tài)得以改善，從而使圍巖強(qiáng)度提高， 破裂范圍減小。倘若認(rèn)為支護(hù)阻力的提高 只能約束和限制圍巖變形，那是不全面的。 開采的影響 開采對(duì)巷道圍巖破裂范圍的影響是顯著的。當(dāng)其它條件一定對(duì)，開采相當(dāng)于使巷道 的埋深 (開采深度 )成倍增加，因而使圍巖破裂范圍明顯增大。 { 4 圖 2～ 12應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)破裂區(qū)厚度的影響 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 2． 6深井巷道的礦壓控制 2． 6． 1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)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)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性。 2． 6． 2改革巷道支護(hù)形式 對(duì)國內(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) 12 重 (特別是受采動(dòng)影響后 )，當(dāng)采深在 800～ 1000m 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 施有以下幾方面嗍。 (I)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。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 2． 7深井回采工作面的礦壓控制 2． 7． 1深井回采工作面礦壓控制的特點(diǎn) 深部采場(chǎng)礦壓控制特點(diǎn)由深部采煤工作面頂板巖性變化特點(diǎn)和可能發(fā)生的冒頂事故 類型決定。經(jīng)調(diào)查，深礦井開采煤層的頂板巖性變化隨著采深增加，頂板巖層有逐漸變碎 和強(qiáng)度降低的趨勢(shì)；隨采深增加，斷層、裂隙、層理和節(jié)理逐漸發(fā)育，同一層位的巖層分 層厚度逐漸變薄，弱面增多，采場(chǎng)頂板懸頂長(zhǎng)度逐漸減小，由不容易垮落變得容易垮落；在 頂板巖層變碎和強(qiáng)度有所降低的情況下，深井采場(chǎng)出現(xiàn)漏垮型冒頂事故的可能性加大。 2． 7． 2深井回采工作面礦壓的控制措施 (1)對(duì)工作面前方已產(chǎn)生裂隙的煤、巖體，超前工作面注漿，注入樹脂類粘結(jié)劑，使其 固化，提高煤巖體自身強(qiáng)度，保證其穩(wěn)定性：也可采用深孔樹脂錨桿加固頂板和煤壁。 (2)盡量縮小端面空頂距，減小無支護(hù)面積。若液壓支架前探梁有伸縮功能，更有利于 新暴露頂板的及時(shí)維護(hù)，特別有利于片幫后裸露頂板的管理。 (3)提高前梁支撐 力，及早地使支撐力與頂板壓力取得平衡，減小新暴露項(xiàng)板的離層、 撓曲機(jī)率。加強(qiáng)移架工序的管理，盡力減少破碎頂板的活動(dòng)程度。 (4)對(duì)單體支柱工作面，頂梁上盡量鋪笆或金屬網(wǎng)，若有漏頂，應(yīng)及時(shí)構(gòu)頂填實(shí)，以防 頂板失控，導(dǎo)致支架的失穩(wěn)。 (5)要有合理的開采順序和回采方向，避免應(yīng)力疊加造成煤壁壓酥，頂板破壞。 (6)工作面上、下出口及上、下順槽超前支承壓力的應(yīng)力疊加帶，應(yīng)優(yōu)先選用穩(wěn)定性 較好的十字鉸接頂梁支護(hù)系統(tǒng)。 (7)要踏實(shí)地做好測(cè)壓工作，掌握初次垮落、初次來壓、周期來壓步距、超前支承壓 力的有害影響范圍、支柱 載荷及巷道圍巖變形規(guī)律，以便針對(duì)性地做好量化管理““。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 13 3 深部巷道支護(hù)技術(shù)研究 3． 1深部開采支護(hù)技術(shù) 圍巖狀態(tài)是巷道礦壓控制的基礎(chǔ)。由于開采深度大，深井巷道圍巖普遍處于破裂狀 態(tài)，這與中淺部開采有所不同。并且，現(xiàn)有支護(hù)不可能改變深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)．因 此，深部開采巷道礦壓控制原則的確定和控制措施的采用都應(yīng)建立在圍巖破裂狀態(tài)的基 礎(chǔ)上。 ； ．． 支護(hù)不能改變深并巷道圍巖破裂狀態(tài)的含義是支護(hù)不能控制圍巖破裂的發(fā)生，這有 理論和實(shí)踐兩方面的原因。 開采深度越大，巖體強(qiáng)度越小，欲控制圍巖不破裂從理論上應(yīng)提供的支護(hù)阻力就越 大，如圖 3一 l所示。 從圖 3一 l可見，即使支架能提供 IMPa的支護(hù)阻力 (通常達(dá)不到 )，支架從理論上控 制圍巖不破裂的可能性對(duì)于泥巖在開采深度超過 260m時(shí)已不存在，砂頁巖只在開采深 度小于 490m、砂巖只在開采深度小于約 900m時(shí)存在這種可能性。支護(hù)阻力越小、巷道 圍巖強(qiáng)度越低．支架從理論上能控制圍巖不破裂的開采深度就越小。 耋 j t ； ／ 39。／ 1地 圖 31 Pm與開采深度和巖性的關(guān)系 泥巖；吒 =3． 8MPa以“ =0． 2MPa 毋 =250 k=l； 沙頁巖， oe=9． 8MPa以” =0． 49MPa≯ =300 k=1； 砂巖：吒 =19． 6MPa吒 4=O． 98MPa礦 =35。k=l； 其次，在實(shí)踐上，由于支護(hù)不及時(shí)以及支護(hù)時(shí)支架通常不能與圍巖密切接觸，只有 在巷道產(chǎn)生較大變形后支護(hù)才起作用．而此時(shí)圍巖無疑已經(jīng)破裂。事實(shí)上，深井巷造一 開掘時(shí)圍巖就處于破裂狀態(tài)，產(chǎn)生了破裂區(qū)?？梢?，與中淺部開采不完全相同，深部開 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 采面對(duì)的必然是開巷后圍巖處于破裂 (殘余強(qiáng)度 )狀態(tài)。這就是深井巷道礦壓控制的基礎(chǔ)。 3． 1． 1深井巷道 控制的原則 巷道圍巖破裂范圍 (破裂區(qū)厚度 )是深井巷道圍巖穩(wěn)定性、變形量大小和支護(hù)難易程 度的決定因索。雖然深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)不能改變，但采取包括支護(hù)在內(nèi)的一切礦 壓控制措施，控制圍巖破裂的發(fā)展、減小圍巖破裂范圍是可能的。 礦山壓力的任何控制措施都是建立在礦山壓力的影響因素基礎(chǔ)上的；影響圍巖破裂 范圍的主要因素也就是影響深井巷道礦壓的主要因累。這些因素包括； ①巷道所處應(yīng)力場(chǎng)．包括開采深度和采動(dòng)影響等； ②巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)．主要有巖體的極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度，此外， 巖體彈性模量對(duì)巷道變形有較 大的影響； ③巷道支護(hù)與維護(hù)方式等。 通常，開采深度是不可選擇的，只要人類繼續(xù)有對(duì)礦產(chǎn)資源的需求，開采就必然向 深部發(fā)展，或遲或早。而其它因素的影響都可以通過采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档偷揭欢ǔ潭龋? 有的則完全可以消除它們的影響．例如，采用前進(jìn)式采煤法可以避免超前支承壓力的影 響．而掘前預(yù)采則可以完全消除采動(dòng)的影響。 深并巷道礦壓控制的總體原則 深井巷道礦壓控制總的原則是：采取一切可能的措施，減小巷道圍巖的破裂范圍。 14 這是由深井巷道圍巖狀態(tài)的特點(diǎn)決定的。減小巷道圍巖破裂范圍可以采取多方面的技術(shù) 措施，如圖 3— 2所 示。這些技術(shù)措施歸根結(jié)底是通過降低應(yīng)力和保證巷道圍巖有較高的 強(qiáng)度或提高巖體強(qiáng)度，從而達(dá)到減小巷道圍巖破裂范圍、提高巷道穩(wěn)定性的目的。 ， 圖 3__2巷道保護(hù)方式 1．無煤桂；卜小煤柱； 3—— 大煤柱 I—— 破裂區(qū)： Ⅱ —— 塑性區(qū)， Ivvm． 彈性 (應(yīng)力升高 )區(qū)；Ⅳ —— 原巖應(yīng)力區(qū) 選擇適當(dāng)?shù)南锏牢恢煤拖锏辣Ｗo(hù)方法是深井巷道礦