井下地质构造对巷道支护的影响分析.pdf

收稿日期 ２ ０ １ ９ － ０ ８ － ０ ６ 作者简介 郭圣旗（ １ ９ ８ ７ ） ， 男， 山东平阴人， ２ ０ １ １年毕业于山东科技 大学泰山科技学院采矿工程专业， 助理工程师， 现从事煤矿技术工作。 井下地质构造对巷道支护的影响分析 郭圣旗 （ 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司凤凰山煤矿， 山西 晋城 ０ ４ ８ ０ ０ ０ ） 摘 要 煤矿井下巷道被开掘后， 生产应力会重新分布， 若未能及时地对顶板采取妥善的支护措施， 则井下的巷道围岩极易发生位移、 变形。为了更好地推进煤矿企业的井下巷道作业工程， 需在掘进 过程中强化顶板的支护控制与管理。阐述巷道支护的材料及主要类型后， 分析了常见的地质构造 类型， 结合实际案例探讨了井下地质构造对巷道支护的影响及注意事项。相关施工人员必须要充 分地认识到矿区掘进技术及其地质构造对巷道支护产生的影响， 在遇到褶皱、 断层、 复合顶板的状 况时， 进行科学合理的设计。 关键词 煤矿企业； 井下作业； 地质结构； 巷道支护 中图分类号 Ｔ Ｄ ３ ５ ３ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １ ６ ７ １ － ７ ４ ９ Ｘ （ ２ ０ ２ ０ ） ０ ２ － ０ ０ ８ ５ － ０ ３ Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎｔ ｈ ｅｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｎｒ ｏ ａ ｄ ｗ ａ ｙｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ Ｇ Ｕ ＯＳ ｈ ｅ ｎ ｇ  ｑ ｉ （ Ｆ ｅ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ｎＣ ｏ ａ ｌ Ｍ ｉ ｎ ｅ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｊ ｉ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇＡ ｎ ｔ ｈ ｒ ａ ｃ ｉ ｔ ｅ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇＧ ｒ ｏ ｕ ｐＣ ｏ ．， Ｌ ｔ ｄ ．， Ｊ ｉ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ０ ４ ８ ０ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｓ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｅ ｄ ， ｔ ｈ ｅｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗ ｉ ｌ ｌ ｂ ｅｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｅ ｄ ． 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在我国很多的煤矿企业中， 锚杆支护 在井下巷道的使用最为常见， 不仅能够改善巷道的 布置形式， 而且提升了煤矿的开采效率［ ８ － ９ ］。主要 涉及的支护构件有锚杆杆体、 锚杆托板、 钢带等。锚 杆一般用于抗剪、 抗拉， 托板可改善围岩的应力状 态， 具有阻止围岩变形的功能。网通常紧贴于巷道 外表， 具有一定的支护力， 可预防围岩中的破碎岩块 的垮落。 支护型钢 煤矿专用的支护型钢通常分为工字 钢、 Ｕ型钢两种。对于煤矿井下的巷道断面， 支护型 钢具有抗拉、 抗压、 抗剪的特点， 因而获得广泛的应 用［ １ ０ ］。由于煤矿井下的巷道经常面临十分复杂的 工作环境， 对支护型钢的要求极高。①支护架担负 井下巷道掘进过程中产生的横向荷载力与竖向的推 动力， 且矿用的支护型钢其断面的集合参数设计又 与截面的抵抗矩具有较大关系， 截面的抵抗矩值与 巷道支架的负荷承载力极为接近； ②支护型钢的形 状也会受到巷道支架压缩程度的制约。因此， 在集 合形状滑移时， 需要保证支护型钢的科学受力， 要求 接触面的面积尽量扩大， 便于滑移。 可缩性的支架支护 通常情况下， 金属支架要在 极限的承载力和实际的承载力两方面负荷承载力。 ①极限的承载力是指巷道的可缩性支架由于刚性产 生的最大负荷承载力； 对于煤矿巷道而言， 支架的塑 性变形程度往往决定了支架的极限承载力； ②实际 的承载力是指巷道在支架收缩期间， 表现的负荷承 载力， 一般受到巷道支架承载力、 连接件的影响； 若 煤矿的极限承载力与实际承载力差别较小， 则表明 巷道支架的可缩性状态良好。 ２ 地质构造的常见类型 ２ ． １ 小断层 在整个煤矿开采过程中， 小断层是遇到的一种 常见的井下地质构造类型， 该地质构造对巷道的支 护具有重要影响。发生小断层时， 一般煤层顶板会 发生位移， 或者位移变化较大。在此期间， 煤层厚度 逐渐减小， 尖灭现象日益明显。伴随着井下巷道的 不断延深， 煤层厚度也会逐渐增大， 最后产生相关的 地质现象。若在岩石层中间出现揉皱， 则证明地质 构造产生了一定的变化， 这会对巷道的支护产生极 大的影响。 ２ ． ２ 复合顶板 在煤层的整个结构中， 伪顶、 直接顶及老顶为 ３ 种主要的顶板结构。同时， 一般在煤层的顶板中经 常存在多处的薄煤线。无论遇到的是什么类型的顶 板结构， 均会对直接顶与伪顶之间接触面带来影响。 此外， 复合顶板一般由煤线与薄岩层共同构成。若 在复合顶板的整个结构中， 加入相应的巷道支护， 若 未得到及时、 有效地处理， 一定会影响整体结构。因 此， 为了安全、 有效地推进井下巷道的支护工程， 必 须充分地重视复合顶板的整个施工过程。 ２ ． ３ 小褶皱 小褶皱最能体现巷道支护的现象。尤其在煤矿 井下巷道支护工程中， 小褶皱发展是很频繁的。在 煤矿井下掘进、 挖掘作业中， 整个煤矿顶板的构造主 要为挠曲构造， 该构造规模往往很大， 且内部形状难 以找出规律， 具有不规则的特点， 最后会产生巷道围 护煤矿层的变形， 甚至在操作中极易引发冒顶事故。 在煤矿井下掘进作业中， 发生小褶皱一般情况下会 严重地影响巷道的支护作业顺利地完成。对于煤矿 巷道工作人员而言， 一旦遇到小褶皱， 必须要迅速地 避开， 同时， 还要及时采取有效的安全措施， 这样才 能确保巷道支护作业。 ３ 地质构造对巷道的影响 ３ ． １ 构造应力对支护的影响 在地质构造对井下巷道支护工程的影响中， 构 造应力也是一个重要的影响因素。构造应力的产生 可对巷道支护、 掘进以及其他环节均产生不容忽视 的影响。由于在巷道整个采掘作业中， 特别易产生 冒顶、 片帮的问题， 所以， 不仅导致整个巷道的掘进 过程很难向前推进， 而且巷道的掘进很难成型。一 般情况下， 受到井下特殊地质构造的影响， 巷道支护 模式也会产生某种问题， 极易发生锚杆或者锚索开 裂的现象。在操作期间， 两帮、 顶板均可能产生剧烈 的位移。尤其在受到构造应力、 采动应力的作用影 ６８陕 西 煤 炭 ２ ０ ２ ０年 响下， 井下巷道操作难度会进一步加大。若此时未 对支护参数予以全方位、 合理的设置， 则支护的应力 场会难以维持。工作人员未及时采取有效的保护措 施， 巷道自身的变形会日趋严重， 最后会引发巷道对 地压的冲击， 甚至损毁， 导致安全事故的发生。所 以， 在分析井下地质构造特点对巷道支护的影响时， 最关键的是考虑构造应力对巷道带来的影响。 ３ ． ２ 实例分析 工程概况 Ｘ Ｖ １ ３ ０ ６进风巷施工结束后， 主要作 为综采工作面的进风以及运煤来使用。巷道的设计 长度 该进风巷的巷道总长为 ６ ２ ９ ． ６ ３ ７ｍ ， 分两个施 工阶段。①第一阶段施工的总长为 ３ ９ ３ ． １ ４ ４ｍ ， 从进风的联络巷， 向西掘进， 一直施工到掘进位， 其 掘进的方位角是 ２ ７ ５ ３ ０ ′ ５ ６ ″ ； ②第二阶段施工的 总长为 ２ ３ ６ ． ４ ９ ３ｍ ， 从进风联络巷， 向东掘进， 一直 施工到掘进位， 掘进的方位角是 ９ ５ ３ ０ ′ ５ ６ ″ 。在巷道 向前掘进中， 需要在巷道的沿途， 掘进绞车硐、 探放 水钻场、 水仓等。 施工断面 巷道的断面都是矩形断面。５ ． ０ｍ 的断面毛高为 ２ ． ６ｍ ， 净高为 ２ ． ５ｍ ； 毛宽为 ５ ． ２ｍ ， 净宽为 ５ ． ０ｍ ； 断面毛面积为 １ ３ ． ５ ２ｍ ２， 断面净面积 为 １ ２ ． ５ ０ｍ ２。４ ． ３ｍ的断面毛高为 ２ ． ６ｍ ， 净高为 ２ ． ５ｍ ； 毛宽为 ４ ． ５ｍ ， 净宽为 ４ ． ３ｍ ； 断面毛面积为 １ １ ． ７ ０ｍ ２， 断面净面积为 １ ０ ． ７ ５ｍ２。 支护方案 采用高预应力的支护方案， 图 １为巷 道支护布设图。顶部的锚杆为长度 ２４ ０ ０ｍ ｍ ， 直径 ２ ２ｍ ｍ的左旋螺纹钢锚杆， 拉断力极限为 ２ ６ ０ｋ Ｎ ， 延伸率为 ２ ０ ％； 帮锚杆为长度 ２０ ０ ０ｍ ｍ ， 直径为 ２ ０ｍ ｍ 的左旋螺纹钢锚杆， 拉断力极限为 ２ ０ ０ｋ Ｎ ， 延 伸率 ２ ０ ％。以树脂对锚固进行加长， 预紧力矩设为 ４ ０ ０Ｎ ｍ ， 各锚杆的排距为 １０ ０ ０ｍ ｍ １０ ０ ０ｍ ｍ 。 锚索选择长度为 ７３ ０ ０ｍ ｍ ， 直径 １ ７ ． ８ｍ ｍ的钢绞 丝， 预紧力是１ ８ ０ｋ Ｎ 。另外， 顶板为 Ｗ型的钢带， 帮 部选 Ｗ型的钢护板予以辅助防护。 支护效果 应用位移观测仪器， 观测巷道两帮与 顶底板产生的位移（ 图 ２ ） ， 原支护的顶板下沉量为 ４ ０ ０ｍ ｍ ， 两帮的移近量 ４ ２ ０ｍ ｍ 。采取高预应力的 支护模式后， 巷道围岩的移动变形现象明显减小， 顶 板下沉量小于 ７ ０ｍ ｍ ， 两帮的移近量小于１ ０ ０ｍ ｍ ， 分别为传统支护模式下巷道移动变形量的 ８ ０ ％、 ７ ５ ％， 有效证明了该支护方式的优越性。 图 １ 巷道支护布设图 图 ２ 新支护使用前后的支护效果对比图 ３ ． ３ 注意事项 ７８第 ２期郭圣旗 井下地质构造对巷道支护的影响分析 正断层的掘进 在煤矿掘进作业中， 当断层在工 作人员视线中出现时， 若煤层的顶板忽然存在上升 的趋势， 然后冒顶。或者在整个掘进期间， 突然出现 断层， 而煤层的顶板忽然呈下降的趋势， 这时， 工作 人员必须要注意准备过断层。若需继续向前掘进， 特别要注意预防冒进或别的风险。此外， 在过断层 时， 应有效地使用带网的支护， 如有需要， 予以注浆 加固处理， 从而避免在支护时产生塌方事故。 顶板挠曲的构造 万一遇到井下的挠曲构造， 应 对其构造特点展开全方位地观察， 再全面地采取有 效的预防措施。若在整体过程中， 煤层的倾斜角不 断增大， 就应采取锚索钻机， 对煤层顶部的状况进行 全面地探查， 在此前提下， 予以加密支护。 ４ 结语 为了确保井下煤矿开采作业更为安全、 高效， 煤 矿企业的管理者及工作人员必须对地质构造对巷道 产生的影响保持高度的重视， 相关工作人员必须充 分地做好巷道支护。在遇到褶皱、 断层、 复合顶板的 状况时， 一定要进行科学、 合理的设计。同时， 煤矿 管理者也要加强对地质构造的有效勘察、 分析与管 理， 为煤矿生产创造安全、 可靠的操作环境。 （ 下转第 １ １ ３页） 样本的情况下， 采用 Ｐ Ｓ Ｏ  Ｓ Ｖ Ｍ模型对寺河煤矿二号 井的突出类型进行预测， 其结果与实际相符合， 进一 步验证了 Ｐ Ｓ Ｏ  Ｓ Ｖ Ｍ模型在处理小样本的过程中有 很强的泛化能力， 可以及时解决矿井内煤与瓦斯突 出中样本较少的情况。 ４ 结论 （ １ ） 阐述了支持向量机中惩罚因子以及核函数 参数的寻优方法粒子群以及遗传算法， 并且根据 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ语言编写出支持向量机具体的寻优过程及 其最终的实现情况。 （ ２ ） 研究了支持向量机的分类预测模型， 并且 结合矿井实际参数， 分别建立了 Ｐ Ｓ Ｏ  Ｓ Ｖ Ｍ预测模型 以及 Ｇ Ａ  Ｓ Ｖ Ｍ预测模型， 最后对这两种算法进行了 对比分析。 （ ３ ） 仿真结果表明， Ｐ Ｓ Ｏ  Ｓ Ｖ Ｍ预测模型在矿井 瓦斯突出危险预测中要比其他预测方法更加准确， 进一步证明了 Ｐ Ｓ Ｏ  Ｓ Ｖ Ｍ预测模型更加有利于处理 小样本数据的突出危险的矿井。 参考文献 ［ １ ］ 付建华， 程远平． 中国煤矿煤与瓦斯突出现状及 防治对策［ Ｊ ］ ． 采矿与安全工程学报， ２ ０ ０ ７ ， ２ ４ （ ９ ） ２ 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