采矿工程专业专题-深部开采冲击矿压较大条件下巷道支护的探索

专题部分深部开采冲击矿压较大条件下巷道支护的探索摘要：由于埋藏较浅的煤炭资源已经开发完毕或者正在开发，相对的来说，埋藏浅的煤炭资源已经很少，深部开采就已经成为必须。同时又因为深部开采带来的各种问题，由以矿压，温度等问题尤为突出，同时也是煤矿生产造成事故的频发点，又因为深部开采与浅部开采因为埋藏的问题，导致矿压不一样压，从而，深部开采冲击矿压较大条件下巷道支护从来都是深部开采需要解决的影响安全生产的问题之一。关键词：深部煤层开采、冲击矿压较大、巷道的支护、耿村煤矿1 前言现如今，外国在煤矿开采上，机械化程度都已经很高或者在不断的提高，而我国的煤炭资源又是埋藏对比丰富，同时也是煤炭的消费大国。那么就要求我国煤炭开采的任务量很大，为了满足国人在煤炭方面的需求，就必须不停的在大规模机械化生产以及相关技术上的不断探索和提高。随着生产技术理论的迅猛发展，要求矿井可以连续高效高产以及为了矿井可以高产高效，从而为了达到高产高效的要求就导致其服务年限以及逐渐向深部进行开采，例如河南能化中义煤集团以及永煤集团、中平能化的平煤集团等企业中的一部分矿井都属于深部开采，开采深度有的甚至已经在千米以下。其中，河南省能源化工集团旗下的义煤集团大有能源公司的耿村煤矿的煤田隶属于的义马煤田，在以往因冲击地压引起的灾害事故发生的对比频繁。2014 年义煤集团大有能源公司的千秋煤矿也是隶属于义马煤田就发生 6 死的重大冲击矿压事故，2011 年也是千秋煤矿也曾经发生过一起重大冲击矿业事故，引起众多国人关注。煤矿的深部开采不仅仅会给予我们大量的经济利润，而且也让我们直接去面对大量的问题，特别是冲击矿压和深部开拓巷道的支护，若是不能得到有效治理那么对经济增长的抑制作用以及对井下工人人身安全的危害，就会越来越明显。所以本文着重于在煤矿有关深部开采导致冲击矿压较大条件之下对于巷道支护的探索2 国内外深部巷道支护机理的研究现状由于近现代以来随着社会经济等方面的迅猛发展，对煤炭的需求日益增大，从而大量的科学技术的发展，就导致采煤机械更新程度加快，最终也致使埋藏在浅部的煤炭被开采出来的速度越来越快。又因为煤炭是世界经济发展的主要能源，以及战略资源，所以持续的煤炭需求量也在逐步上涨，因为开采速度的加快，浅部煤层随着开采的加速，也所剩无几，所以加大开采的深度是势在必行的，国外的某些国家随着机械化程度的提高以及普及，也都逐渐把目光投向矿井的深部开采。因为国家所处的地质环境不同，从而就致使煤层在地下的埋藏条件也不尽相同。又因为外国的经济程度不同，势必影响到采煤机械化的程度不一样。最基本的问题是，国外各国对于深部开采的定义也是不一样的，比如前苏联就将井深 600m 到 800m 的矿井称为深井；德国则把开采深度的矿井在 800m 到 1200m 称之为深井，深度超过 1200m 的就被定义为超级深井；英国和波兰在定义深部开采上是相同的，都是把开采深度的矿井深度大于等于 750m 的就称之为深井；同时邻国日本因为地理上的因为，就把开采深度的深度大于等于 600m 的矿井叫做深井。而我国则把矿井的类型分的很细，采深小于 400m 的是浅部矿井、采深大于等于 400m 同时又小于 800m 的称为中深矿井、大于 800m 而又小于 1200m 的矿井被叫做深井、当采深大于等于 1200m 时就是特深矿井。因为德国和苏联都曾经是主要的产煤和耗煤大国，德国有著名的鲁尔区，就是煤炭的产出基地以及消耗基地，所以德国和苏联在深井开拓以及深井下巷道支护等方面不论是实际生产还是理论研究都一直是领先于其他国家。苏联在理论研究主要是针对深井巷道矿压，比如在 83 年，苏联的一些科学家已经提出了对于深度超过 1600m 矿井进行开采的可行性探讨。而德国则是注重通过实际生产测得的数据，再通过模型实验等方法，得到相关的证实，比如同样是在 83年，德国甚至于为了研究在 1600m 深矿井的三维矿压等问题从而投入大量资金用以建立有关的超级试验台。德国在巷道的布置上一直特别注重，在研究 1600m 深井各种问题是，就在深部巷道的支护上选择的是石膏巷旁支护以及沿空留巷，与此同时又让一定量的工作面选择前进式开采。苏联、德国、英国以及荷兰甚等国家至于日本都进行了关于深部巷道的卸压技术以及相关的加固技术的探讨和研究。在深井巷道支护上，德国采矿学家就觉得：深井采煤工作面巷道的冒落高度应该和开采深度以及支架的支撑力有绝对的联系，采煤工作面中岩层的高强度压力就使得冒落更加成为可能，加大增加采煤工作液压支架的支架支撑力，同时缩小每个液压支架的端面距就可以更加有效的控制采煤工作面的顶板的稳定性。所以德国就研究和生产了现在我们所知道的掩护式液压支架。掩护式液压支架的可伸缩前梁就可以起到控制支架顶梁到工作面煤壁之间的控顶距离，而它的护帮装置就能够提高移架速度，也可以使顶板冒落下来的矸石不易伤到液压支架下的工作人员。同时我国现在使用的钻屑法以及钻孔卸压法都是德国研究和发明出来的。与此同时有关深部开采引起的冲击地压的防治方面，德国、波兰和苏联三个国家则是最著名的。苏联通过相似模拟法、层析成像技术以及对地质动力区域划分等方面进行有关冲击地压的讨论探究，从而提高了大量的采煤仪器以及仪表的能力，同时也生产出了专用于煤矿的仪器仪表。波兰一直致力于通过实际深井测量以及在实验室中进行相关冲击地压的实验，所以波兰在矿压的探测以及监测等方面有极大建树。当然还有奥地利的 L.VRabeewiez 教授通过有关隧道建筑上的实践的总结，在 1964 年创立了以他命名的新奥法。它既不是一个简单的施工方法,也不是一个简单的支持方法,而是要充分利用和转移巷道围岩的强度和承载能力,根据岩石力学,岩石锚杆支护相互作用原理制定一套地下工程设计、建设,支持和监控新概念。在欧洲和世界上许多国家,成功的方法的新应用程序。近年来，随着我国国民经济和科学技术的发展，深入挖掘矿山和容量的需求正在增长。采矿技术、深部开采巷道的过程中积累和发展的支持和事故预防许多先进的科学技术和理论支持在软岩,、岩石破裂的预防和控制，先进的检测、冲击压力预测和预防和控制等，中国矿业大学、河南科技大学、同济大学、中南大学、北京科技大学等开展了广泛的研究和实践，积累了丰富的实践经验和研究基础和条件。如“九五”期间，中国矿业大学在深入研究开发煤矿灾害的预测和预防。武汉岩土工程优化和稳定性研究，中南大学的洞穴千米深井岩爆机理和控制技术研究，北京科技大学采矿引起的矿山地震抚顺老虎台研究等等很多有益的工作，都取得了重大进步。最近的 20 年，各国科学家在岩爆预测、软岩大变形机制 、隧道涌水量预测、预防和控制软岩的措施和控制岩爆等各方面投入了大量的精力，获得了一定的效果。当下，进行矿山的深部开采的国家，如中国、美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等，国家、个人和研究所都紧密的结合，专注于深部开采紧密结合相关理论和技术进行研究的基本问题。2.1 深矿井开采出现的问题2.1.1 矿压显现加剧，巷道维护困难增大开采深度，那么地应力和巷道周围的应力也会随着之增大，坚硬的岩石当到达深处就变成软岩，显示了强大的扩容能力，巷道壁帮岩石岩性变弱时，巷道就会得到严重的破坏，尤其是坏岩石巷道开挖与支护困难，据统计：深巷道实际修复率高达 90%以上，不仅使巷道维护成本大大增加，矿井生产系统的原因，运输能力不足，一系列的问题,如弱风、水、电系统，成为煤矿安全生产的重大隐患，体现在以下方面：1）巷道变形速度、变形量和底鼓严重,深高应力环境,岩体的高能源储备,隧道开挖卸荷效应后,累积的岩体能量释放在一个相对短的时间内,最大和最小主应力的差别深部围岩有增加的趋势。2）更重要的是岩性对巷道稳定性的影响,浅层岩性变化对巷道变形的影响不大,在大部分时候,巷道位置的决定,岩性不是主要因素,同样的巷道,不同的岩性常常使用相同的支持方法和参数可以保持巷道的长期稳定;围岩变形的不同岩性的差异极大地增加,岩性成为巷道的位置选择的主要因素,不同岩性的相同的大力支持巷道巷道维护的方法成为重要的手段。3）巷道开挖后连续变形、成为深埋巷道围岩变形的主要特点，巷道掘进于浅层时影响周期一般是 3 5 天，可以基本稳定下来后,在巷道掘进巷道深处难以稳定,支持不合理时，其可以完全闭合，直到巷道变形。特别是当受动压影响，灵敏度越高，范围更大的影响，稳定性的煤柱宽度的增加，使巷道保护煤柱更不合理的技术和经济。深层的巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中最主要弱点。2.1.2 煤岩破坏，冲击地压危险性增加中国的深层冲击地压的发生在 200 1000 米，因为采掘的深度的一直加深，煤岩应力增加,有可能影响地面压力增加的数量的煤炭、矿井冲击地压的逐渐增加。发生冲击地压矿井在 1950 年代,60 年代都对比少，现在却已经突增到 33。其发生的频率、强度和严重力度一直在扩大。2.1.3 瓦斯压力增高，煤与瓦斯突出危险严重中国是受到煤与瓦斯突出的影响最大的国家之一，到 1986 年,已经有了200 以上的突出矿井，瓦斯事故每年是 15000 次左右,是世界上发生瓦斯事故最多的国家。从国内外采矿实践看，煤矿深部开采气体排放一般对比大，煤与瓦斯突出的问题已经成为一个不能轻视的方面。在矿山煤与瓦斯突出和开采深度的增加以及气体压力增加的走向。2.4 地温增加，气候条件恶化深部开采的矿山，很多国家都遇到了不同程度的热污染问题。德国、俄罗斯井下温度在 50 摄氏度，有些高达 60 oc。矿山环境温度很高，对工人身体健康有很大的危害，从而导致各种职业病发生和导致事故也频繁发生，这样就会降低矿山产能,甚至被迫关闭矿山进行整顿。深热污染问题相当严重，热污染的管理工作在中国因为缺乏技术、资金和其他问题,大多数矿井热污染治理只是利用通风进行冷却、水冷却以及一部分选择机械制冷降温的方法。落后技术的状况，应引起领导的注意。2.1.4 矿井生产费用升高，经济效益下降因为加深采煤深度,就要加强勘探、压力和地底温度液随着之增大,压力和煤与瓦斯突出危险的影响增加,对应的措施,例如增加机械、钢筋的方向同时,井下巷道长度的加长,需要到修复的工作地点和时间加长,提升深度增加,长时间工作,各种系统都添加于主副竖井中,通风也就变得繁琐。所有的这些就早曾煤炭生产本金加大,每吨煤的本金也变大,经济效益上就会出现明显下滑。2.1.5 深井开采的矿压显现规律及特点深煤层开采的并发症是左右着矿山的压力，其在高应力的作用下,围岩的运动更严重，巷道的变形和破坏也加剧，甚至在地板上挖掘岩石巷道，以拱形金属支架和各种结构封闭支护的大巷也会有大规模的形变。巷道很快就变得不稳定，收缩变形明显，巷道稳定性随着采深的加大而变得脆弱，使深巷道维护变得困难，维护成本飙升。压力显示于深部开采巷道的特点如下：(1) 巷道围岩的形变迅速、变形量很多，巷道周围形变面积广。 (2) 具有明显的影响深巷道围岩变形的岩性，因为岩性的不同会造成的巷道围岩形变的不同就会明显的有所区别，开采深度、煤层巷道软岩的开挖，,特别会对“三软”煤层巷道造成巨大困难。(3)所使用的巷道维护困难在所开采煤层的维护就更加困难，所以在挖完后只能放弃掉更多的巷道,矿井井下各处存在这些放弃的记录。(4)连续变形巷道、已成为深埋巷道围岩变形的主要特点。跟着时间的推移，大部分的巷道围岩变形、尤其是煤柱下方深处，并没有没有减少的趋势,。(5)采矿工作面巷道的围岩变形,开采深度越大,开采影响范围越大,影响越强。(6) 大部分设计留设巷道保护煤柱不能将保护巷道和容易进行巷道维护两方面进行结合。(7)高性能要求巷道的支持,支持力量，工作阻力，可以在大的开始萎缩是必须的。显示要靠增加现有模型的情况下防止巷道围岩的变形是不可能的。即使使用支架与更好的性能，也不能完全依靠它来防止巷道围岩的变形。3 目前国内深井支护技术存在的问题（1） 随着开采深度增加,水平应力的影响逐渐增加，原岩应力巷道开挖后趋向于复杂化，深井后需要进一步改善深巷道开挖支护理论，因为埋深大，应力出现的范围更大，亟待进一步研究深井的支持理论指导工程设计。（2）因为没有技术的新理论的支持，没有突破支持设计大部分生产矿山进入深部开采后，继续使用现有的支持模式和支持力量，导致巷道维护周期短，占用大量的人力资源，左右产煤是否安全。（3）施工机械的机械化程度落后，特别是人工操作商在施工质量达不到设计标准，常常导致支持强度不符合标准，巷道就会很快的失去稳定性。（4）因为巷道底板不容易进行支护，所以所以其容易发生鼓起，一般的支护对巷道底板是的作用不大，拿浅部采掘对比，深采的巷道底臌更加迅速，变形量也就加大。（5）深采最初的应力水平相对于围岩的强度高，矿业附加应力更趋激烈，进一步加强围岩破裂区，不容易形成结构效应，时间效果快速，强大的变形是不容易维护。一般驾棚支持、螺栓支持可以有效地维护巷道。尤其是采掘工作面开采或冲击矿压在采矿过程中，将严重破坏巷道的围岩，造成重大人员伤亡。有冲击矿压巷道支架问题已成为一个主要话题岩石力学领域的研究。4 深井巷道支护方案介绍当下，构建通过铺设砖或石头自封闭支持工字钢支护早就被深采所摒弃，U 型钢支护形式因为良好的力学模型，压力负载强，因为逐步向自重大型化、全封闭式的支护变化，仍被深井支护的所选择；深井支护强大的动压效应和长期维护经验,，对巷道变形阶段提出了更加具体的要求，在一般锚杆的基础上装配以高强度螺栓用以提高预紧力的新型锚杆才能达到深井支护的规定。因为锚喷网支护技术早就有了相对的完整的系统理论和进行多种方式进行支护,，再加上强度很高的材质以及可以强的预紧力，就能够有效增加深井巷道的支护强度。所以深井支护就有 U 形钢筋支护、全封闭环形 U 型钢支护、梁喷网支护、钢筋混凝土支护甚至于多种支护组合的形式。试图找出合理的支持控制深井巷道围岩形成，延长矿井巷道维护周期。4.1 超强加长锚杆配合锚索支护支护参数：巷道顶板的锚杆都选择直径 223000 毫米的螺纹钢超强锚杆，每个锚杆孔都要讲一卷 S2360 以及一卷 Z2360 树脂锚固剂进行填充，再选择直径为 14 毫米的带型钢筋梁。顶板锚索选择直径为 21.88500 毫米 19 股的钢绞线，每个锚索孔都要讲一卷 S2360 以及两卷 Z2360 树脂锚固剂进行填充，再选择 14 号的槽钢连锁；巷道的两个壁帮离图 1 巷道锚梁网联合支护示意顶板 1 米到 2 米的地方都要沿着巷道加上两列的壁帮锚索加大强度，型号使用的直径是 17.84500 毫米，每锚孔都要将一卷 S2360 以及两卷 Z2360 树脂锚固剂进行填充，再选择 14 号槽钢连锁，十字交叉支护。请见图 1。4.2 全封闭方环形 U 型钢与锚网复合支护（1）锚网支护参数：前帮锚是 22 x 3000 毫米钢筋超级螺栓，每个洞用一卷 S2360 Z2360 树脂结合剂和安克雷奇，行间距为 800 mm * 800 mm 之间，地脚螺栓施工使用防水锚碇锚固剂。（2）方环形 U 型钢支护参数：环形支架与 36 U 钢材料，700 毫米的间距，与两个生活之间的联系，搭接长度 450 毫米，卡线间距为 240 毫米。此外,拱的底部与支架搭接住,两个地脚螺栓固定,22 x 3000 毫米钢筋超级螺栓,每孔使用 S2360 和 Z2360 都 1 卷树脂锚固剂。4.3 柔性锚索强韧封层支护（1）巷道进行螺栓、钢丝绳注射,注射联合支持的方法。锚选择 222400毫米高强度螺栓,顶板锚杆使用 S2360 洞和 1 卷锚地 Z2360 树脂结合剂,帮助锚每孔 2 卷使用 Z285 树脂锚固剂安克雷奇。行间距两个锚施工是 70 毫米* 700毫米,和第二个螺栓建设和五花眼锚首次建设布局。（2）喷射混凝土 C20，要厚 200 mm；钢丝绳选择大于 5的两股绳；卸压槽大小是：净宽净高=400 mm400 mm；注浆和注浆锚杆就选择直径222000 mm 的注浆锚杆，间排距为 1500 mm1500 mm。请见图 2。图 2 巷道具体支护技术参数4.4 矿压观测结果对比已知的分析：简单的锚网支持不能有效地控制巷道围岩的变形，锚网和环U 钢复合支持可以有效改善巷道支架的能力，减少巷道的压缩变形的速度，但不能从根本上解决巷道围岩压力的影响，强烈支持形式密封塑料可以更好地解决问题，卸压槽可以提供空间弹性区塑性区和塑性区转换区域扩展了空间，能有效缓解围岩的压力。另一方面，通过高密度的围岩锚网支持三个喷射混凝土和岩石灌浆，在很大程度上提高围岩的自支持能力，保持巷道围岩将大大提高。建筑成本、速度和高强度锚网支持低成本、快速施工,有利于萃取成功，锚网环 U 钢复合支持技术复杂、成本高、施工速度慢，但漂移力总体上不定期维护，强大的密封支持巷道支架技术过程是复杂的，大密度的支持，支持成本相对较高。因此，根据矿井巷道服务期间是不同的,可以选择不同的方式。理性的支持形式的采矿工作面巷道长度可以使用锚网支护巷道，可加快工作面的轮廓，并有利于恢复，巷道开放的准备，应该选择锚网环 U 钢复合支持形式或支持形成强大的密封层后给出两种类型的支持施工进度缓慢，以达到快速施工的要求，可以先巷道，锚网和锚锚网的建设道路网络环 U 钢复合支持或强烈支持二次密封维护，可以平衡生产成功，并完成修改的支持方式，改变巷道的条件支持。5 耿村矿深部巷道支护问题浅谈5.1 问题现状河南省义煤集团大有能源公司耿村煤矿就步入深部开采，大强度的冲击地压对巷道支护的要求逐渐扩增，耿村矿煤层底板大部分是软底构造，并且没有进行支护，顶板为硬度较大的砾岩，坚硬程度比底板强，巷道被在顶板高应力所作用下，两帮就会有压模效应，底板的煤层被挤压就会往巷道中运动，造成因挤压运动性鼓起，就会对耿村矿矿井的安全造成很大的威胁。所以，巷道底板鼓起就成为耿村煤矿深采巷道支护的中心问题。一般 U 型棚综合支护是强压力条件下的相对来说最优的选择，但结合矿井的实际生产情况，支护就有以下的问题：（1）施工技术高，精度要求难度大，工人施工强度大，特别是当安装时风险较大，部分利用率低。（2）截面形状和类型的支护艰难，会使降低井下矿车速度，对开掘会有很大的影响（3）U 型棚一旦变形，巷道很难修复。（4）综采时，不能完全机械化进行棚的拆除，各种因素都会降低回收率以及增加支护成本。（5）底板支护完全空白，矿压的大部分能量，都会通过地板上释放出来，巷道维修次数多，大部分深采的机械化工作面都最少要单独配置一个队专门进行底板的维护。5.2 问题改进通过引用一些已发表的文献和矿山生产实践，初步设想以下改进：（1）断面形式的改进断面形式改为：拱形截面和矩形截面，拱形的支撑力要大于其他形式的断面，但是矩形截面容易开掘。（2）支护形式的改进支护形式改为：倒梯型棚网梁支护选择钢丝绳的一部分主动支护，底拱选择工字钢拱底(在地板上卸货后钢筋)，沿隧道轴线进行支护。 顶板和底板选择四个单独的液压支柱来控制顶地板移近，把支柱放置于工字钢上对顶板进行支护。（3）底板的卸压 加固1）底板卸压底板卸压选择对底板进行松动炮的方法2） 底板加固底板卸压之后再加固底板，一定要在掘进机后方工作，选择进行注浆加固方法（4）改进方案优点1）施工工艺简单，工人劳动强度小，施工安全系数高，截面的利用率大。2）断面形状简单，单体液压支柱支护容易，进度高。3）巷道变形便于维修。4）综采面搬家时拆装方便。5）底板运用先卸再固，能够很好的地左右巷道底板鼓起。6）具有良好的经济效益，只从支持每米成本考虑，成本基本上都是相同的，但之后的再回收将非常困难的，大部分只能根据废钢处理，单体支柱拆卸后可以直接回收。6 结论巷道围岩变形与地质构造有联系，包含有地板岩层的性质、煤层和顶板的性质。巷道围岩变形强度越明显，围岩强度越软。煤层的坚硬程度也会影响巷道的变形，和围岩类似，巷道壁帮的变形也可以造成巷道变形，特别是对巷道底鼓的影响。巷道围岩在拉应力的作用下离层，使离层后的岩层折曲、破碎，两帮下沉并向巷道内移动，同时产生二次水平应力，围岩在二次水平应力的作用下沿原生的或次生的裂隙面滑移，从而产生强烈变形。因此巷道底板变形与两帮移近往往同时发生，相互影响。从巷道压力实测数据的统计分析中得知，巷道施工开始的 60 天之中是变形最明显的时候。过后巷道的变形就会缓慢下来，通过控制巷道的前掘后修甚至开掘时巷道落底的工作强度。从巷道加固地方来看、加固巷道底板与两帮处的效果优越，从而可以看出在此处进行支护对巷道底板鼓起的效果更好，因为底板鼓起与巷道的宽度成正比例，巷道较窄，底板越不容易