利用卸压巷道技术控制深井回采巷道变形破坏

孙广义

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)



利用卸压巷道技术控制深井回采巷道变形破坏

孙广义

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)

煤矿深井回采巷道除受围岩压力影响外，还受回采工作面动压及相邻采空区基本顶运动的影响。巷道围岩变形破坏严重，底臌量大，维修困难。结合东海煤矿五采区左十二面回采巷道的地质和地压情况，提出了卸压巷道的解决方法，并分析了卸压巷道解决此问题的原理，对卸压巷道位置、支撑煤柱宽度、让压煤柱宽度、巷道宽度进行了计算。同时，将让压巷道作为回采工作面的排放瓦斯尾巷。东海煤矿的实践表明，该方法取得了很好的效果，卸压巷道在一定条件下可以解决深部巷道的变形问题。

回采巷道; 深井; 卸压巷道

0　引　言

回采巷道服务时间较短,一般在0.5～1.5 a,通常采用梯形或矩形断面形状。回采巷道为全煤或半煤岩巷道,煤层顶、底板抗压强度较大,巷道不仅受回采工作面的动压影响,而且受相邻工作面顶板压力的影响,围岩变形破坏严重,底臌量大,维修困难。尤其是深部开采,严重的巷道变形与底臌是制约煤矿深部开采的一个重要因素,亟需一种有效的解决办法。许多学者为此进行了大量研究,笔者通过理论分析和实际应用,提出了深井卸压巷道支护的方法。

1　巷道卸压机理与参数选择

1.1卸压巷道的支护机理

巷道卸压主要是运用围岩力学特征,集卸载、加固为一体,充分发挥围岩的自撑能力,是一种积极有效的治理巷道围岩变形的技术方法[1]。其力学原理主要是保护巷道一侧掘进卸压巷道,让卸压巷道充分吸收围岩的压力,使其变形破坏。同时，使支承压力向围岩深部转移,改善保护巷道受力状态[2]。

巷道卸压能否取得预期的效果,关键在于合理选取三个基本参数[3],即卸压巷道的宽度bx、支承煤柱的宽度bR、让压煤柱的宽度br,如图1所示。

图1　卸压巷道布置及应力分布

Fig. 1Distribution of stress and layout program of yielding roadway

1.2卸压巷道参数选择

1.2.1卸压巷道位置与支撑煤柱宽度

采空区侧煤柱的应力峰值一般深入煤体6～20 m。支撑煤柱在采空区与卸压巷道之间,使其承担较大的围岩压力。卸压巷道布置在采空区一侧应力集中区域的峰值附近,让卸压巷道充分的卸压,使压力峰值向煤体深部转移[4]。

采空区侧边缘至塑性区的最大宽度就是理论上卸压巷道位置[5]。按采空区侧塑性区宽度bc来确定集中压力峰值的位置。即

(1)

式中:r1——巷道半径;

γ——岩石容重;

H——埋深;

c——内聚力;

φ——内摩擦角。

1.2.2让压煤柱宽度

让压煤柱处在保护巷道与卸压巷道之间[6]。卸压与回采巷道两侧均存在塑性区宽度b。为保证让压煤柱的稳定性,让压煤柱的中心位置必须有一个弹性区范围,一般取煤层厚度的2倍。让压煤柱的宽度见式(2)。

br=2b+2d,

(2)

式中:d——煤层厚度。

利用岩体极限平衡理论,巷道围岩塑性区宽度为

(3)

式中:λ——测压系数;

k——应力集中系数;

p1——巷道支护力;

f——煤层与顶底板摩擦系数。

1.2.3巷道宽度

巷道宽度要考虑安全生产与施工设备的需求,同时为巷道围岩变形留有空间。

2　应　用

2.1应用条件

东海煤矿32#煤层左十二路回风巷道埋深1 160 m,煤层厚度1.6 m,瓦斯涌出量24.68 m3/t。相邻回风巷在生产期间围岩变形与底臌严重,影响安全生产。为控制巷道变形与底臌,经理论分析与模拟实验,除采用一般深部巷道支护方式外,采用卸压巷道的方式控制左十二路回风巷道的围岩变形。同时，卸压巷兼做回采工作面的排瓦斯尾巷。

考虑掘进机施工需要及实际生产条件,卸压巷道与回风巷道均采用矩形断面,宽度3.8 m,高度2.6 m。两巷均采用锚杆+锚索及网钢带联合支护,卸压巷道位置及支护参数如图1、2所示。

图2　巷道支护参数Fig. 2　Parameters of supporting roadway

2.2卸压巷道参数选择

2.2.1支撑煤柱宽度

根据东海煤矿岩石力学参数测试结果与开采条件,采空区煤柱侧塑性宽度bc按式(1)计算为

理论计算承载煤柱的宽度为6.7 m左右,但是考虑煤柱损失及防止冲击地压的发生,支撑煤柱宽度bR取为5.0 m。

2.2.2让压煤柱宽度

巷道围岩塑性宽度按式(2)、(3)为

br=2b+2d=2×1.58+2×1.5=6.16。

综合考虑实际生产条件,让压煤柱宽度确定为5.0 m。

2.3卸压巷道计算机模拟

根据岩石力学参数,利用上述卸压巷道的参数,对煤柱与巷道的压力、变形量进行了计算机模拟研究,主要模拟结果如图3所示。

由模拟结果可知,让压巷道处在应力集中区,顶板应力峰值出现在卸压巷道偏下位置,底板应力出现在巷道偏上位置。回风巷道围岩所受应力小于卸压巷道的应力,起到卸压的目的。让压煤柱承担的应力较大,支撑煤柱承担的应力较小。

图3　顶底板应力分布规律Fig. 3　Regularity of stresses distribution in top-floor

3　井下实测分析

回风巷道从掘进到回采结束经历近8个月的时间。由观测数据分析,回风巷道两帮最大移近量为1 012 mm,平均移近量为988 mm;顶底板最大移近量为615 mm,平均移近量为600 mm,见图4。回风巷道两帮在使用期间没有维修,底板仅进行了简单的拉底维修,保证了巷道正常使用,如图5所示。卸压巷道顶底板移近量最大值达到1 600 mm，两帮移近量达到1 500 mm,满足排瓦斯断面的需求。

图4　回风巷道顶底板及两帮移近量

Fig. 4Moving quantity of top-floor and two walls in ventilation roadway

图5　回风巷道使用效果Fig. 5　Using effect of ventilation roadway

4　结　论

(1)卸压巷道位置选择,是控制回采巷道围岩变形破坏的有效方法。卸压巷道应布置在采空区侧集中应力峰值附近。

(2)让压煤柱中心应设置一定的弹性区宽度,使其承担一定的围岩压力,进而有效降低保护巷道的围岩压力。

(3)卸压巷道兼做排瓦斯尾巷,既起到了巷道卸压的作用,又起到了排瓦斯的目的,保护巷道围岩稳定与排放瓦斯效果好、成本低。

[1]张翔宇, 窦林名. 华亭煤矿爆破卸压参数优化研究[C]//2007年科学采矿论坛, 第十四届矿压理论与实践研讨会论文集. 徐州: [出版者不祥], 2007: 68-70.

[2]黄庆显. 大埋深高应力巷道让压支护技术研究[C]//何满潮. 中国软岩工程与深部灾害控制研究进展. 北京. 科学出版社, 2009: 108-111.

[3]王汉民. 卸压巷道和让压煤柱的设计[J]. 煤矿设计, 1992(11): 3-7.

[4]李广忠. 采动影响下工钢巷道让压修巷技术的应用[J]. 煤, 2010(1): 48-49.

[5]卿水利. 深井复合顶巷道卸压让压综合支护技术[J]. 煤矿开采, 2009(1): 57-59.

[6]王明洋, 宋华, 郑大亮, 等. 深部巷道围岩的分区裂隙机制及深部界定探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(9): 1771-1776.

(编辑晁晓筠)

Theoretical and practical study on supporting of yielding roadway in deep mine

SUNGuangyi

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

The mining gateways in the deep mine are subjected to the surrounding rock pressure, the dynamic pressure of the coal mining face, and the movement of the main roof of the adjacent gobs beside the working face. The surrounding rocks occur with a serious deformation and destruction, a larger floor heave, and a difficult maintenance. This paper, building on the geological and earth pressure conditions of the mining gateways of left twelve working face at No.5 mining area of Donghai coal mine, introduces the yielding roadway, and describes the mechanism by which the problem is removed, calculation of the location of the yielding roadway, the width of supporting coal pillar, yielding pillar and gateway. The study allows the yielding roadway to be used as the leaving gas roadway in coal mining face. The practice, as is the case with Donghai coal mine, shows that when used under certain conditions, the yielding roadway, a method working with better results, is capable of taming the deformation occurring in deeper roadways.

mining gateway; deep mine; yielding roadway

1671-0118(2012)03-0211-04

2012-05-02

国家自然科学基金项目(51074068);黑龙江省教育厅科学技术研究重点项目(11551Z031)

孙广义(1957-),男,辽宁省辽阳人,教授,博士,研究方向:煤矿深部开采,E-mail:sgy8866@sohu.com。

TD353

A