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关于深井开采巷道围岩控制技术及应用探讨

论文作者:资本主义论文
发表时间:2017-1-23

【摘 要】随着矿井开采深度的增加,煤岩体承受的地应力不断升高,深部围岩的物理力学性质较浅部存在差异,浅部巷道的围岩控制理论很难适用在深井高地应力条件下的深井巷道。结合深井巷道围岩的特点,对巷道围岩的变性特征及围岩支护加固技术进行论述,提出了改善围岩受力状态、加强关键部位支护、联合支护的巷道围岩控制方法。
  【关键词】深井开采;高地应力;巷道围岩控制;支护加固;联合支护
  绪论
  我国的能源结构中,煤炭占据约70%的比例,在今后相当长的时间内,煤炭在我国的经济和社会发张中仍具有不可替代的作用。长期的开采活动,使得浅部煤炭资源日益匮乏,进入深部开采的矿井数量逐年增加,据统计埋深大于1000m的煤炭储量占我国煤炭总储量的50%以上。随着开采深度的不断增加,地应力不断增大,煤岩体所处的环境较为复杂,导致了深井开采巷道围岩变形严重,收敛变形速度快,巷道的稳定性差,难于维护。进入深部开采环境后,巷道受到高地应力、构造应力、高围压、高孔隙水压作用,巷道围岩赋存环境与浅部开采条件相比发生显著变化,使得巷道围岩在强度和变形性质上与浅部有着明显的差别。因此,对深部开采巷道开挖后围岩变形破坏特征以及对其围岩控制技术进行研究显得尤为迫切。
  1 深部巷道矿压显现的特点
  (1)巷道围岩应力普遍超过巷道围岩强度,特别是在煤层巷道和软岩巷道中,无论是大巷还是采准巷道,矿压显现都比较强烈。随着采深的增加,巷道围岩的物理和力学性质对巷道矿压显现的影响程度随之增大;
  (2)巷道变形持续时间长,在巷道掘进和回采过程中,在采动应力的作用下巷道围岩剧烈变形,难以维护,且当应力运移趋于平缓时,巷道围岩的流变仍在不断继续;
  (3)深部巷道压力具有来压迅猛,围岩变形和压力大,且巷道四周同时来压,以及底板臌起强烈等特点。随采深加大,巷道底板更易于臌起,而且底臌量在顶底板移近量中所占的比重越来越大。
  2 深部开采巷道围岩变形破坏现象
  随着我国煤炭开采强度的增大,开采深度越来越大,矿山井巷道工程及开采作业环境的地应力和构造应力趋于复杂。特别是残余构造应力大的地区,大部分岩体在深部高应力状态下表现为大变形、大地压、难支护等特点。
  2.1 巷道变形量大,变形速度快,持续变形
  深部高应力条件下,巷道承受着很高的应力作用,当受到采动影响时,围岩变形速度较大,尽管随时间推移围岩变形的速度在减慢,但围岩变形的速度和围岩的变形量仍居高不下,若巷道的变形量超出了支护结构所能承受的变形量时,支护结构的支护作用将会失效。因此,深井开采下的巷道在巷道开挖的同时,应采取有效的支护措施,控制围岩的变形,保证巷道的安全和稳定。
  2.2 流变已成为深部巷道变形的主要特征
  进入深部开采以后,原岩应力明显增大,巷道开挖引起了原岩应力的重新分布,同时在高温,高地应力,高孔隙压力的影响下,围岩变形具有明显的流变特性。流变特性包括蠕变、弹性后效、流动等,具体表现为结构面的闭合和滑移变形。蠕变是指应力为定值,应变随时间的延长而增加的现象;弹性后效是指加载后经过一段时间应变才增加到应有数值的现象,是一种延迟发生的弹性变形;流动又有粘性流动和塑性流动,是一种随时间延续而发生的永久变形,其中粘性流动是指在微小外力作用下发生的永久变形,塑性流动是指外力达到围岩屈服极限后才开始产生的塑性变形。当围岩变形达到一定程度以后,便会导致巷道失稳破坏。
  2.3 巷道底臌严重
  深部开采的巷道底臌现象具有普遍性.底臌是巷道围岩在垂直方向变形的主要形式。深部巷道不仅顶板下沉、两帮内移、而且底臌。据国内外部分深井资料的统计分析表明:随开采深度增大,易于产生底臌的巷道比重越来越大;底臌量在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大。
  3 巷道围岩控制方法
  围岩的稳定性取决于围岩的强度和变形性质,即围岩的力学性质,又取决于其所受的应力状态。围岩体由完整岩石骨架和结构组成,由于煤矿深部围岩经受了 2―3 亿年长期地质年代的高压作用,岩石骨架致密且坚硬,岩体的强度和变形性质主要受结构面控制,在围岩力学性质中,某些不受应力状态影响,如粘结力、内摩擦角等,为固有属性;而另一些力学性质则受应力状态的影响,如拉压强度、变形模量、泊松比等,为非固有属性。控制围岩的稳定性应从改善围岩力学性质和应力状态两方面入手,由于围岩的非固有属性受应力状态影响,通过改善围岩应力状态能够达到改善围岩非固有属性的目的。
  3.1 合理布置巷道
  巷道布置在稳定的岩层内,巷道方向尽可能与本区最大主应力方向一致,减小其应力对巷道的作用;避免开采引起的支承压力的强烈作用,将巷道布置在已采的采空区下;采取上部煤层预先开采,跨巷回采等方法,避开上部开采遗留煤柱的影响,且与煤柱边沿保持一定的距离;避免相邻巷道之间的相互影响;合理开采顺序以避免采掘在相邻的区段内同时进行等。
  3.2 进行注浆从而改善围岩力学性能
  深部开采时,由于围岩埋深大,水平应力和垂直应力均比较高,围岩的承载能力难以抗拒高应力的影响,因此,通过围岩注浆将破坏区围岩胶结成一个整体,提高围岩的整体性和自身承载能力,将会提高岩体粘聚力和内摩擦角,强化岩体力学性能,加固初始锚喷支护,从而提高破碎围岩中的锚杆锚固力,阻止围岩的进一步破碎。注浆材料可选用化学类、水泥类、高水速凝材料等.注浆对象主要是软弱、破碎围岩。
  3.3 加强关键部位支护
  在巷道开挖后支护过程中即要强调支护的整体性,又要对采取重点措施加强支护薄弱关键部位,从而防止巷道从某一个薄弱的部位首先破坏而导致全断面失稳破坏,例如对于底臌严重巷道,强调对底角进行加强锚固和注浆加固,来提高底板岩体的承载力,有效控制巷道的底臌。目前我国巷道支护重视顶板、忽视两帮和底板 ,顶板锚杆支护强度较大、两帮支护强度较小、底板一般不支护 ,造成深部巷道两帮及底角破碎区、塑性区很大 ,大范围的破碎区围岩发生碎涨变形 ,两帮变形和底鼓十分严重.通过对两帮及底角加强支护、注浆加固,提高两帮及底角破碎区围岩的残余强度和锚杆锚固力 ,可有效阻止破碎区围岩的碎涨变形 ,对深部围岩起到支护作用 ,而且两帮有效支撑顶板 ,阻止顶板下沉 ,保持围岩稳定 ,因此 ,控制两帮下沉和底角破坏是深部巷道支护的关键.
  3.4 联合支护技术
  为充分发挥岩体自身的承载力和支护控制技术的优势,深井巷道可采用锚喷、锚注和锚索相结合并辅以U型钢支护的技术,将各部分的效能结合起来用以控制巷道围岩。将锚杆作用在破碎岩体内,提高破裂面的力学参数,将破裂的岩石固结成整体结构;锚索对于岩体具有悬吊作用和减跨作用,锚索能够将浅部锚杆作用形成的组合拱悬吊在松动圈之外的稳定岩体之上;同时在壁面上喷射混凝土及时封闭围岩,减少水和风对围岩的破坏,加之在围岩内部进行注浆改变围岩内部的松散结构,改善围岩的破碎程度;钢筋网的应用可将单个锚杆连接成锚杆群,和混凝土配合作用可形成薄壁钢筋混凝土支护层,共同承担支撑压力。
  4 结论
  深部开采环境中出现巷道的失稳现象严重制约着矿井的安全、高效开采。深部开采巷道围岩的塑性区变大,围岩的破碎程度增加,在对深井巷道围岩控制的过程中,应注重对于两帮和两底角的加固,具有高强度和高预紧力的锚杆可有效在加固破碎的围岩。巷道围岩控制是深井开采的难题,也是以后的重点的研究内容,合理的开采设计,有效的加固方法才能保证开采工作的正常进行。
  参考文献:
  [1]柏建彪,侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报,2006(02).
  [2]刘伟韬.深部巷道围岩控制及支护技术[J].煤矿支护,2009(02).
  [3]王开.煤矿深部巷道围岩控制技术[J].中国新技术新产品,2012(17).
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