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高应力软岩下矿井巷道支护探讨

By:李莉

摘要:随着我国科学技术的发展,煤矿开采深度也不断增加,井下煤矿巷道的开采过程将处于更高的地应力环境中,尤其是在地质构造活跃的地区,煤矿地下想到开采过程中的安全和稳定难以得到有效的保障。因此加强对高地应力软岩环境下巷道科学的支护方式的设计和实施,是确保高应力软岩下煤矿开采的重要技术保证。下面本文就以鹰骏一矿煤矿矿井下高应力软岩巷道支护为研究目标,通过从高应力软岩的形成条件、巷道变形特征、支护原理等方面加以了解,采取最合适的最佳支护时间和支护手段,从而做好在高应力软岩下煤矿矿井的巷道支护。

关键词:高应力软岩下;矿井巷道;支护;探讨

    随着我国煤炭产业的发展,煤矿开采的深度也越来越大,那么在开采过程中,就会遇到一些比较特殊矿层的煤矿巷道开采过程,比如越到煤矿开采的深部,就会出现大的变形和大地压,同时也会出现支护难的情况,因此要想保证煤矿的顺利开采,就必须要加强对煤矿巷道支护技术的发展和应用,从而突破煤矿巷道支护甚至煤矿企业发展的瓶颈,从而确保在高应力软岩下也能够顺利地进行煤矿开采,以内蒙古自治区与宁夏回族自治区交界处的鹰骏一号矿井为研究对象进行研究探讨,从而为同类煤矿巷道支护和维护提供有用的实践经验。

1.高应力软岩及其形成条件

1.1高应力软岩

    在高地应力地区经常会看到一些比较特殊的岩体,由于其处于地表浅部或者是低应力条件,岩体显示会比较坚硬,但是一旦处于高应力条件下时,就会使得岩体表现出软岩特征,是一种比较特殊的、高应力条件下产生的工程软岩体,因此被称作是高应力软岩。

1.2高应力软岩的形成条件

    高应力软岩的主要组成部分是较多恶毒坚硬岩石和较少的软弱岩石组成。岩体出现破碎,强度和弹性模量都降低,使得流变性变强,在高地应力条件下进行岩体开采,整个岩体结构是属于闭合状态,是比较稳定的,同时具有一定的强度和模量,在开挖以后就会处于低围压的环境条件,结构面没有完全闭合,师德岩体的强度降低。

    高应力软岩埋藏深度较深,水平应力大于自重的应力,从当前的煤矿开采情况来看,主要是由于岩体自身产生的应力不足,导致岩体达到了较高的应力水平,因此岩体埋藏比较深,同时水平构造应力存在且大于自重应力的条件下,才能够使得岩体达到较高的应力水平。

2.高应力软岩巷道变形特征

2.1围岩变形量比较大

    高应力软岩的特征使得整个矿井的巷道出现较大的变形,巷道的水平收敛量明显要比拱顶的下沉量大得多,通常是几厘米到几十厘米。

2.2初期的变形速率比较大

    高应力软岩巷道由于水平应力大于垂直应力,那么巷道在掘进的过程中,就会出现卸载快,压力来的比较快,这就使得巷道初期的变形速率明显变大。

2.3巷道变形具有较强的时效性

    巷道围岩有很显著的流变性,主要表现为比较明显的时效性,一旦软岩产生的围岩变形增大时,那么就会使得巷道支护体没有办法很好的适应而造成失效,从而巷道软岩出现严重的变形和不稳定。

3.软巷道支护原理分析

    在煤矿巷道的开采过程中,根据当前已经出现的软岩力学属性、变形力学机制等了解和掌握,能够从现场观察到巷道大变形、大地压和难以支护的特点。软岩巷道围岩是具有多种变形力学机制的符合变形力学机制,在高压力软岩下煤矿矿井的巷道支护不允许围岩进入到塑形状态,因为这样会造成承载能力丧失。在软岩巷道开采过程中,必须要确保塑形能以一种特殊的形式进行释放,这样才能够保证在塑形状态之后,软岩仍然具有一定的承载能力。

    软岩巷道在开采过程中,进入到塑形状态是不可避免的,那么不能够阻止其进入到塑形状态,同时塑形能也需要释放,那么就必须要加强在软岩下矿井巷道支护设计和实施,从而确保整个矿井的安全稳定。

4.最佳支护时间和最佳支护时段

    在矿井长期的开采过程中,随着经验的不断积累,我们能够确定的知道随着巷道开挖的深度增加,巷道围岩变形也逐渐增加,如果按照变形速度来区分,那么可以将其划分为主要的3个变形阶段,减速变形阶段、加速变形阶段和近似线性的恒速变形阶段,在加速变形阶段,就会造成围岩本身结构出现较大的裂缝,那么整个岩石结构的强度就会明显下降,这就使得整个矿井巷道的支护不能够达到最优化设计原则,因此在巷道支护过程中,选择最佳支护时间和最佳支护时段是非常重要的,对于软岩巷道的支护和开采具有重要的作用。

    最佳支护时间,就是可以使得(P R + P D ) 同时达到最大的支护时间,在这个时间点,一方面使得P D在优化程度上达到最大,另一方面也可以有效地保护巷道围岩的强度,使得巷道的强度损失在优化意义上达到最小,使得巷道自身的承载力达到最大。

    在实际的煤矿巷道支护过程中,很难实现最佳时间的确定,在实际的矿井巷道支护过程中,主要确保能够使得时间在最佳时间的附近达到永久支护的话,那么就可以达到P R P D最优化了。

5. 鹰骏一号煤矿矿井巷道支护方式试验和工程应用

5.1矿井概况

鹰骏一号井田位于鄂尔多斯地台西缘褶皱冲断带上,井田内构造线总体走向为近南北,构造整体上表现为一向东倾斜的单斜,井田褶曲和断层均较发育。自西向东发育有榆树井向斜、新上海庙背斜、清水营向斜、清水营背斜。其中新上海庙背斜、清水营背斜为井田的主干构造。井田内共发育断层43条,其中落差大于100m的断层2条、落差在10050m的断层3条、落差在5020m的断层18条、落差在205m的断层20条;且多集中在全井田西南部。井田构造复杂程度为中等构造。于本井田煤层开采受侏罗系直罗组含水层影响,断层的富水性在一定程度上影响着井田的开拓与开采,因此矿井首采区域应尽可能避开地质条件比较复杂的井田西部及南部区域。

5.2区域地质构造

  鹰骏一号井田所在区域,在大地构造上位于鄂尔多斯地台西缘褶皱带。侏罗系末期受东西向应力的作用,形成一系列走向近南北之褶皱与断裂,并伴生北北西、北东向两组次级构造,古近系末期之喜马拉雅山运动使本区构造更趋复杂化,西部地层亦随之上升,使燕山期的构造雏型经历改造而成今日之构造轮廓。因此,走向南北或近南北的一组挤压面在该区的构造格局中占有十分重要的地位,特征是:长城北~横山堡~磁窑堡一带的南北向挤压面尤为突出,与其伴随的有东西向张性断裂,北东、北西向压扭和张扭断裂。南北向挤压面为一系列彼此平行的褶皱、断裂和隆起带。

  上海庙矿区位于华北地台鄂尔多斯西缘裂()陷带天环拗陷西翼,地层总体东倾,井田为清水营背斜北段:背斜轴向N12°W,轴面东倾,倾角85°,两翼地层产状西陡东缓,西翼倾角1530°,东翼倾角915°。区域构造形态总体上呈一向东倾斜的单斜构造,局部发育次级低角度宽缓褶皱。

  矿区东侧为区域断裂构造马柳断层:是一条区域一级主干逆断层,走向北北东,向南转为近南北走向,长约65km,断面西倾,倾角50°~70°,落差1000m以上。矿区西侧为大的区域断裂沙葱沟正断层,断层走向N47°E,断面东倾,倾角70°,延伸长度数十公里,断距在1700m以上,为深大断裂。两条区域断裂对煤系空间分布起到了控制作用。井田距马柳逆断层约46km,距沙葱沟正断层约3km。上海庙矿区总体构造方向为北北东,在区域构造的基础上发育有次一级的向、背斜和断裂构造,其中断裂构造以压性的逆断层为主。

5.3井田地质构造

  井田位于鄂尔多斯地台西缘褶皱冲断带上,井田内构造线总体走向为近南北,构造整体上表现为一向东倾斜的单斜,井田褶曲和断层均较发育。自西向东发育有榆树井向斜、新上海庙背斜、清水营向斜、清水营背斜,同时井田内共发育断层43条。

  井田内主要发育有南北向和北东向分布的两组断层,南北向分布的断层以逆断层性质为主,北东向断裂以正断层为主。经三维地震查明,DF4DF7DF9DF13DF26F1断裂在垂向上均已延伸至新生界的底部,按断层性质划分,DF7属于逆断层,DF4DF5DF9DF10DF13DF23DF26F1属于正断层,它们在一定程度上增强了上、下层富水含水层之间的水力联系。煤层采空后,顶板冒落,上覆岩层因失去支撑出现下沉、弯曲,产生采动裂隙。

  本井田干旱少雨,井田内无地表水体,大气降水是本井田地下水主要补给来源,地下水补给来源贫乏,井田地质构造复杂程度为中等类型。白垩系含水层单位涌水量为0.04950.0646L/s·m,为间接充水含水层,富水性弱。直罗组砂岩含水层为直接充水含水层,单位涌水量为0.00540.585L/s·m,属弱~中等富水性。煤系地层各含水层单位涌水量0.01060.1038L/s·m,属弱~中等富水性。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-1991)及《煤、泥炭勘探规范》DZ/T02152002中有关规定,井田含水层属弱~中等富水性,地下水补给条件差,水文地质边界较复杂,井田水文地质勘探类型为以裂隙充水含水层为主的水文地质条件中等的矿床。

5.4高应力软岩下巷道支护方式现场实验

    锚网喷支护、锚索支护和拱形支架支护方式应用当前是比较广泛的一类支护形式,同时其支护效果也是比较好的。在实际矿井开采过程中,通过在巷道段进行锚梁联合支护、锚梁网联合锚索联合支护、锚梁网联合拱形支架联合支护的三种支护方式,从而找到最好的支护方式,确保矿井的安全开采。

5.4.1锚梁联合支护方式

    这种支护方式主要通过利用光面爆破技术进行巷道掘进,爆破后立即进行初喷,并且打好锚孔,之后进行第一次支护,在喷射混凝土结构进行二次支护。

5.4.2锚梁网联合锚索联合支护方式

    这种支护方式主要通过利用光面爆破技术进行巷道掘进,爆破后立即进行初喷,并且打好锚孔,之后进行第一次支护,在喷射混凝土结构进行二次支护,之后在巷道的顶部位置两端打上锚索进行加强支护。

5.4.3锚梁网联合拱形支架联合支护方式

    这种支护方式主要通过利用光面爆破技术进行巷道掘进,爆破后立即进行初喷,并且打好锚孔,边装锚杆边挂好钢丝网和钢梁,之后进行第一次支护也就是装好拱形架,在喷射混凝土结构进行二次支护。

5.4.4支护效果分析

    三种不同的支护方式进行分析,探讨发现第三种支护方式,也就是锚梁网联合拱形支架联合支护方式无论是在拱顶下沉量的控制还是两边收敛控制方面都是最好的。

    在高应力软岩巷道支护条件下,锚索支护是局部支护用以加强的一种直呼手段,能够有效地抑制顶部围岩出现变形,但是在锚索悬吊条件下,两边围岩的方式比在锚索网联合作用下的围岩更加的不稳定,师德围岩变形情况更加严重,那么就会造成整个巷道的不稳定。而锚梁网联合拱形支架联合支护方式是一种预留钢隙的柔层支护方式,也就是支护体内设置了刚性分层和柔性分层,在两者之间提前预留了一定的空间间隔,从而能够对软岩巷道的变形起到一定的缓冲作用,这也就形成了刚性层和柔性层,使得期具有比较充分的柔度和间隙,能够适应在高应力条件下软岩的变形。因此这种支护方式也被认为是当前能够将高应力高速转化,使得围岩强度得到最好保护的一种支护技术。

6.结束语

    在高应力软岩巷道的支护过程中,巷道支护是一项非常难的技术,巷道支护已经成为了当前制约矿井开采的重要阻碍,因此在实际开采过程中,我们一定要加强对巷道支护的试验,通过本文中使用三种不同的支护方式进行对比,发现当前条件下锚梁网联合拱形支架联合支护方式是一种较好的支护方式,通过在 鹰骏一号井田矿井巷道支护过程中应用,也进一步证明了其使用的优越性,值得在高压力软岩下矿井巷道支护过程中加以使用。

 

 

 

参考文献:

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