采动巷道底鼓机理与控制技术.pdf

第2 8 卷第1 期 2 0 1 1 年0 3 月 文章编号1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 1 I 0 1 - 0 0 0 1 0 5 采矿与安全工程学报 J o u r n a lo fM i n i n g S a f e t yE n g i n e e r i n g 采动巷道底鼓机理与控制技术 柏建彪1 ，李文峰1 ，王襄禹1 ，徐营1 ，霍灵军2 1 ．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．潞安集团余吾煤业公司。山西长治0 4 6 1 0 3 V 0 1 ．2 8N o ．1 M a r c h2 0 1 1 摘要采用理论分析、数值计算、现场钻孔窥视等方法研完分析了采动巷道底板变形破坏特征． 揭示了浅部鼓起、深部下沉的底鼓机理，进一步分析了不同深度底板岩层的位移规律，发现了底 鼓的“两点三区”特征即采动巷道底板存在零位移点、零应变点，由这两个点将采动巷道底板分 为拉应变上升区、拉应变压缩区、压应变压缩区．研究得到了底板岩性、水平应力对底鼓特征的影 响规律。据此提出采动巷道底鼓控制重点是加固破碎底板，增大其峰后强度和残余强度，以加固 的方法实现改良底板岩性，同时尽量减小底板自由面积，控制水平应力对底鼓的影响．提出了采 动巷道底鼓控制技术1 优化巷道布置以降低围岩应力环境；2 采用全长锚固的水力膨胀锚杆 加固底板．并在一条典型的煤柱采动巷道进行工程应用，现场应用结果表明该技术控制底鼓效果 显著． 关键词采动巷道；底鼓；两点三区；巷道布置；水力膨胀锚杆 中图分类号T D3 5 3 文献标识码A M e c h a n i s mo fF l o o rH e a v ea n dC o n t r 0 1T e c h n o l o g y o fR o a d w a yI n d u c e db yM i n i n g B A IJ i a n - b i a 0 1 ，L IW e n - f e n 9 1 ，W A N GX i a n g y u l ，X UY i n 9 1 ，H U OL i n g j u C 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dS a f eM i n i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y X u z h o u 。J i a n g s u2 2 1 0 0 8 。C h i n a ；2 ．Y u w uC o a lI n d u s t r yC o ．L u ’a nG r o u p ．C h a n g z h i ，S h a n x i0 4 6 1 0 3 C h i n a A b s t r a c tW i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，o b s e r v a t i o nt h r o u g hb o r i n g ，t h e f i g u r eo ff l o o rh e a v eo fr o a d w a ya f f e c t e db ym i n i n gi sa n a l y z e d ，f i n d i n gt h em e c h a n i s mo ff l o o r h e a v ei St h a tt h es h a l l o ws t r a t aa r el i k e l yt Oh e a v ew h e r e a st h ed e e ps t r a t aarel i k e l yt Os i n k d o w n ．M e a n w h i l e ，t h el a wo fd i s p l a c e m e n t so fd i f f e r e n td e p t h sf o rs t r a t ai Sd i s c u s s e d ，w i t h c o n c l u s i o n “t W Od o t sa n dt h r e ea r e a s ’’i nf l o o r z e r od i s p l a c e m e n td o ta n dz e r os t r a i nd o t ．0 nt h e b a s i so ft h i s ，t h ef l o o rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ea r e a s t e n s i o n a ls t r a i nr i s i n ga r e a ，t e n s i o n a l s t r a i ns i n k i n ga r e a s ，a n dc o m p r e s s i v es t r a i ns i n k i n ga r e a s ．F u r t h e r m o r e ．t h ee f f e c to ff l o o r s u r r o u n d i n gr o c ka n dh o r i z o n t a ls t r e s so nf l o o rh e a v ef e a t u r e si 8d i s c u s s e d ．T h e ns o m er e s e a r c h v i e w sh a v eb e e np r o p o s e dt oc o n t r o lt h ef l o o rh e a v eo fr o a d w a ya f f e c t e db ym i n i n gw h i c hw e s h o u l ds u p p o r tt h eb r o k e nf l o o ri no r d e rt Oi n c r e a s et h ei n t e n s i t ya f t e rp e a ka n dr e s i d u a li n t e n s i t y ，i m p r o v et h ef l o o rs u r r o u n d i n gr o c kb ys u p p o r t i n g ，r e d u c et h es i z eo ff l o o rw i t h o u ts u p p o r t i n g ．c o n t r o lt h ee f f e c to fh o r i z o n t a ls t r e s so nf l o o rh e a v e ．F i n a l l y ．t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yi S d i s c u s s e d 1 W es h o u l dr e d u c et h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sb yo p t i m i z i n gt h er o a d w a yl o c a t i o n ； 2 I ti se s s e n t i a lt Os u p p o r tf l o o rb yh y d r a u l i ce x p a n s i o nb o l ta n c h o r e dt h r o u g ht h er a n g eo fi t ’S l e n g t h ．A n dt h e s ec o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt Oat y p i c a lc o a lw e d g er o a d w a ya f f e c t e d 收稿日期2 0 1 0 一1 1 一l j 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 7 7 4 0 7 7 作者简介柏建彪 1 9 6 6 一 ．男．江苏省仪征市人。博士，教授．博士生导师．从事巷道围岩控制理论与支护技术方面的研究． E - m a i l b j i a n b 1 6 3 ．c o m T e l 1 3 9 5 1 3 5 9 0 8 7 万方数据 m r 。●t 十r ～{ m∞2 8 * h ym i n i n gF { e l do b s c r v a t l ⋯s h o w , h a lt h cc o n tr o lt e c h n o l o g y ⋯e r ve f f e C l i V e K e yw o r d sr o a d w a yi n d u c e db ym t ⋯n g { f l o o rh e a w ；t w od o t sa n dt h r e rR r P 州；r o a d w a yI o t a 1 1 t l n h y dr a u l i ce x p a n s i o nb uJ 1 随若我国煤嵌开采问深部发展，加之郎分矿井 资潭拈竭开婧阿收边斯堞拄．导致巷进酮岩嘘力恶 化底鼓问题突出．底蛀观象B 经成为煤矿z l 一比较 常见的矿压显现．经圻震动照；响的采准巷i 苣底鼓叫 题尤为普遍和严酷据统计．售道底敢约，l 玑底板 移近聃的2 ‘3 ～3 ，1 ．聩鼓A 接影响煤矿的运输、通 胤、i i 人．制约糟矿扑的高产离效 4 两帮压倭散脯、艇岩应力、采动土承应山、水 技底板岩性等单十或多个瞄求综合影响下，I 良板岩 膳向巷道内压肼、扩弃、嘭胀．懵成底鼓壮址所处 的地质条件、底板阿并性质和应力状态抒不槲J m 底教的方式厦其机理也柯所小同，般可分为“下 4 类挤雎流动性底蛙、挠岫馏皱性底鼓、弛协错动 性底鼓硬膨胀性底鼓”依巷道‘j 回果工作脚的空 0 ，l 位咒盖系．采动巷过u f { } 为宴体煤毡越、撵 巷 j 吐、沿空巷遭．而牲棚M 条件F ．攥性巷逆的底妓土畦 严币’维护难度威大冈此，率文“对同罘巷道的 底鼓机理进行深入研究，井求经济有效舶控制技 术 I 采动巷道底鼓机理 随着工作面叫朵0 l 起的侧向支承府山演化埘 性．采动巷道埘曲浅部旧岩在前期破坏、匏定的耻 础} ，羟历后期破坏、p } 稳过程再椽之后．采片I 岩土 l 鞋啊限元软件I r lA C 5o 计算底板岩层的位移 曲势腱应变状忐，忭将两扦硅加姓现如嘣I 所示 结合余吾煤业公一q 川采巷道的生产地质条件 熬 蒸 6 ‘； { 0 ” M 一 ”暑 h ” H 。‰；。“i b t t t i o “n I f ⋯“ t w “。l 慧篙潜。。， i nr ∞d ⋯i n d u c e db ym i n i n g 由幽ll 】『见1 底扳存在箝零位移点即从巷 道底板临空面向深酃依次分枷荷上升、雎缩煤岩 培上刊佯岩层区某点的伯移晡与藩点埽J 底板临空 而距离成反比，压i | i 『蝶7 ；层R 粜点的位移量随谈点 距底板临卒Ⅲ距离增太而呈先增 后减小趋势；2 底叛存在管零应变点．即扶巷世底扳临宅面向深部 依次分布蓿拉应监、压出变煤岩崖，3 实体煤帮支 最麻力较高- 导毁文体煤帮加处底扳零应峦 分布 灌腿夫；4 以零位移n 、譬麻壁点为羿．从曦饭表 而向下．将采动世道底板分为托庙堂【．升Ⅸ、拉血 变睢缩K 、，E 应变压缩R 幽1t { 】黑色机实线为底极窥视钻孔．孔深24 m ．距市帮08m 南下施I 钻扎时难以排净残渣， 因此仅能有效观测17 0 5m 辣鹰范旧的底扳崧层 变形破坏情况窥税结粜如图2 所示．H 巾圈2 a 昕 示崧层距底板丧I ／t 『o5 3 5n lm 于底板软岩水均匀 妓起导致底板破坏出现的较大裂丹c 晰晰可见{ 图 2 b 所示岩层H 底板表而17 0 5m ，所币底板岩层 盟无大范埘裂隙．但在扣应壹作ⅢF Ⅲ岩枪趺破 碎．仍处于破坏、失稳状态结合圈l 数f [ i j 『算结 果．05 3 5m 处岩层处} 底板扯戍变L 升K ，I 0 5 m 处岩增址f 庇扳拉血变艇缩I i - 钻孔窥说结果 进一班描4 ir 眄点二栈”的分布情况 囝睦鳘．▲。J u2 O b s er v i n gt hr o u g h r i n g 2 采动巷道底鼓影晌因素 嘲 m 』j 懈嵛强懂政巷 芷护址蟛响拄遮m 崧稳定性的血i m 簧l q 采H 阿我H 巷道底扳均无 立护．用此奉交响点分析底扳无支护的l u l 采巷道、 关于Ⅲ抖臆力和喊板冉性肿底鼓特征帅敏感f } 根 据文献2 3 5 ．与水平聃力太丁乖直麻力时．拄道的破 坏主要垃生n 珊底扳 目履之．删破坏主要发生 伍耐帮A 向．m 此艇础r ．承 分折水平应力时底 蛙特征的搿晌 ，m．．hb⋯爹鏊 万方数据 第1 期柏建彪等采动巷道底鼓机理与控制技术 图3 a 为固定其他因素时底板岩性对底鼓的影 响，各底板岩性力学参数如表1 所示，由图可知1 随着底板强度降低，零位移点、零应变点均向底板 深部发展；2 当底板为硬岩、中硬岩时，随底板岩 性变差零位移点、零应变点变化范围分别为0 ．3 0 ～O ．5 7m ，2 ．5 0 ～2 ．8 0m ，变化幅度较小；3 当底 板为软岩、极软岩时，对底板岩性变差零位移点由 1 ．5 0m 变为4 ．5 6 m ．零应变点由3 ．1 3m 变为 5 ．6 7m ，两者均快速向底板深部转移． 毒 链 跨 暄 懈 塔 世 盟 极软岩石软岩中硬岩石硬岩 a 底板岩性对底鼓的影响 侧压系数 b 水平应力对底鼓的影响 图3 不同因素对采动巷道底鼓特征的影响 F i g ．3I m p a c t so fs o m ef a c t o r so nr o a d w a yf l o o r h e a v ec h a r a c t e r i s t i ci n d u c e db ym i n i n g 衰1 不同底板岩性力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o a d w a yf l o o r 图3 b 为固定其他因素时水平应力对底鼓的影 响，由图可知1 水平应力存在着某一特征值，约 为垂直地应力的1 ．8 倍，小于该特征值，底板零应 变点缓慢变化，反之，变化幅度显著增大．2 随水 平应力的增大，底板零位移点呈线性增长． 回采巷道底鼓量主要由底板浅部拉应变上升 区岩层弯曲、扩容、膨胀引起，分析图3 ，采动巷道 底鼓控制需重点加固破碎底板，增大其峰后强度和 残余强度，以加固手段实现改良底板岩性，同时尽 量减小底板自由面积，控制水平应力对底鼓的影 响． 3 采动巷道底鼓控制技术 3 ．1 合理布置巷道 对一个回采工作面，降低巷道围岩应力 主要 采用较宽的护巷煤柱，但浪费资源，或采用窄煤柱 掘巷 与保持围岩结构整体完整 需要留较宽的煤 柱 是互相矛盾的，但是巷道围岩的破坏并不等于 失稳，只要合理设计巷内支护．破坏围岩巷道仍能 保持稳定．通过合理留设护巷煤柱宽度，可以显著 降低巷道围岩应力，降低底鼓治理难度． 图4 为某回采工作面不同煤柱宽度下回采巷 道底鼓量 数值计算结果 煤柱宽度由3m 增加 到6m ，底鼓量增加不显著；煤柱由6m 增加到l O m ，底鼓量急剧增加；煤柱宽度由1 0m 增加到3 0 m ，底鼓量快速衰减；由3 0m 增加到5 0m ．底鼓量 基本保持不变．由此可见综合考虑煤炭资源采出 率与回采巷道底鼓控制效果，需合理布置回采工作 面与巷道的位置关系，宜采用窄煤柱护巷． E { 嘲 掇 世 耀 辅 图4 不同煤柱宽度巷道底鼓量 F i g ．4 F l o o r h e a v eo fd i f f e r e n tp i l l a rw i d t h s 3 ．2 水力膨胀锚杆加固底板 端头锚固锚杆可将锚固范围内的围岩由二向 应力转变为三向应力状态．但端锚锚杆两端轴力最 大．极易将孔口处的已破碎围岩“压酥”，产生卸压， 严重影响锚杆的工作阻力和破碎围岩的控制效果． 全长锚固锚杆轴向力中部大、两端小，因而对巷道 浅部破碎围岩有较好的控制效果． 水力膨胀锚杆控制底鼓的机理全长锚固方式 可以在锚杆全长范围限制底板围岩弱面发展，减小 底板弯曲扩容；将水力膨胀锚杆深入底板岩层拉应 变压缩区，通过拉应变压缩区的垂直拉力限制拉应 变上升区的煤岩层移动；提高底板的承载能力，避 免底板在高水平应力挤压下破坏失稳． 3 ．3 加固两帮和底角 受掘巷、工作面回采动压等影响，回采巷道围 岩塑性区首先从两帮软弱煤体及应力集中的帮角 发生、发展。而控制围岩塑性区发展，可以有效限制 围岩变形破坏，文献[ 4 6 ] 论证了加固巷道帮角控 制底鼓的技术，取得了一些理论成果，在掘巷初期 万方数据 加强两帮支护强度并辅之以底角锚杆，可有效阻止 底期塑性区发展和底角岩体塑性流动，减少两帮下 沉r 程试验的成功。“，也验证了该控制技术的科 学性和可行性 4 工程应用 潞安集团余吾煤业公司为高瓦斯矿井- 相邻两 个回采工作面共用一条瓦斯排放巷 瓦排巷 以保 证回采期捌乩斯不超限图5 为该公司 2 1 0 5 ． s 2 】0 63 - 怍面剖面幽．两工作面均开采3 ‘煤．煤层 埋深d8 0m3 ’煤为近水平厚煤层 均厚53 5m ． 幅} 质疏松节理裂隙发育．直接顶为43 1m 砂质泥 岩．基本顶为76 5m 粗粒砂岩，直接底为32 5m 泥岩．老底为70m 粉砂岩其中直接底的泥岩强 度较低，普氏系数18 32m ，原支护参数如下 1 顶板} 2 2m m 24 0 0m m 高强螺纹钢锚 杆，问排距8 6 0 ⋯9 0 0m m ．配以“五花”布置锚 索加强支护，锚索为} l78 ㈣X 83 0 0 m ，问排 m 12 9 0 m m 9 0 0 ⋯ 2 埘帮锚杆规格同顶板锚杆，问排距9 0 0 m m 9 0 0m m 2 1 0 5 采空且瓦排巷围岩应力稳定 巷与瓦排巷之间的煤柱宽度，降低瓦排巷的嘲岩麻 力，同时采川合理的加固技术控制瓦排巷底鼓通 过底鼓机理分析町知．受S 2 1 0 5 工作面l 目采影响． 瓦排巷底板零恤移点嫩大、最小深度分别为21 ． 14m 因此确定采用如下底鼓控制技术 1 采用8m 窄煤拄护巷．使K 排巷位于 2 1 0 6 采空区徊向应力降低区内．避开高支承压力 区域 2 水力膨胀锚仟盘护瓦排巷底板锚杆规格 要考虑。两点j 区”的分布规律．施工倾角一方而应 利于切断两帮向底板传递高应力．乃一方面应髹证 锚扦在垂直方向的有救长度与零位移点分布深度 的变化规律一致．因此确定底扳水力膨胀锚扦规格 2 75m m X 24 0 0m m ．间排距9 0 0m m 9 0 0 m m ．从巷帮向q ，问底饭锚杆分别警4 5 。2 5 。，15 。倾 Ⅲ7E 支p 断i m m F i R7S u p p o r t i n gp r o f i l ei nt h ef l o o r o fg a se mo s 5 ⋯r o a d w a y 瓦排巷、S 2 1 0 6 叫风巷均措煤层底板掘进．由 于巷道断面较大．在目风巷掘进期删．瓦排巷底板 即产生较大变形．对此进行r7 0d 的观测．如图8 所示 徽邕麟雠到矍量。。 。躲裂翟i 嚣篡 裂。。。， w h e n 2 1 0 5w o r k a c ew a se x c a v a t “ 瓦排巷还璺继续服舟于 2 1 0 6 工作面，为保证 萁有救断面．首先需要合理确定 2 1 0 6 工作面叫风 “m d 8 。F 。d l o o m rh e h a v ㈣ed e g 。r 6 e e 。i n ⋯8 a s ，。e 。m №i 5 s i y u 。，篇岁 由斟8 町坫 1 水力膨胀锚扦加固底板．I3d 后底板变形 基本稳定．底鼓量为8 4 ㈨ 罴 万方数据 第l 期柏建彪等采动巷道底鼓机理与控制技术 2 底板无锚杆支护段。应力调整期约为4 0d ， 稳定后的底鼓量达到2 6 0m m1 3 水力膨胀锚杆加固底板后，底板围岩快速 稳定，应力调整期和最终底鼓量均为未加固底板的 1 ／3 ． 5 结论 1 经历采动影响后，巷道底板分布着“两点三 区”，即零位移点、零应变点。以这两点将采动巷道 底板从上向下分为拉应变上升区、拉应变压缩区、 压应变压缩区． 2 底板岩性对巷道底鼓的影响规律随着底 板强度降低，零位移点、零应变点均向底板深部发 展，围岩强度越小，底鼓量越大．水平应力对巷道底 鼓的影响规律水平应力存在一特征值。小于该特 征值，零应变点深度变化缓慢，反之。变化幅度显著 增大；零位移点深度与水平应力呈线性增长关系． 3 采动巷道底鼓控制需重点加固破碎底板， 增大其峰后强度和残余强度，同时尽量减小底板自 由面积，控制水平应力对底鼓的影响． 4 随着煤柱宽度的增加，巷道底鼓量呈缓慢 增加、急速增加、急速衰减、基本稳定的变化趋势． 因此，综合考虑资源采出率和底鼓控制，宜采用窄 煤柱护巷． 5 现场试验效果表明该技术有效控制了采 动巷道底鼓． 参考文献 [ 1 ] 陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制[ M ] ．徐州 中国矿业大学出皈社，1 9 9 4 4 6 3 4 7 3 ． [ 2 ] 侯朝炯．郭励生．勾攀峰．煤巷锚杆支护[ M ] ．徐州； 中国矿业大学出版社，1 9 9 5 1 7 8 2 1 7 ． [ 3 ] 姜耀东．刘文岗。赵毅鑫，等．开滦矿区深部开采中巷 道围岩稳定性研究[ 妇．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ． 2 4 1 1 1 8 5 7 - 1 8 6 2 ． J I A N GY a o - d o n g 。L I UW e n - g a n g ，Z H A 0Y i - x i n ．e t a 1 ．S t u d yo ns u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yo fd e e pr a i n i n gi nk a i l u a ng r o u p [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ．2 4 1 1 l1 8 5 7 1 8 6 2 ． [ 4 ] 王卫军，冯涛．加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研 究[ J ] ．岩石力学与工程学报．2 0 0 5 ．2 4 5 8 0 8 - 8 1 1 ． w A N GW e i j u n ．F E N GT a o ．S t u d yo nm e c h a n i s mo f r e i n f o r c i n gs i d e st oc o n t r o lf l o o rh e a v eo fe x t r a c t i o n o p e n i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ．2 0 0 5 ．2 4 5 8 0 8 8 1 1 ． [ 5 ] 侯超炯．何亚男．李晓，等．加固巷道帮、角控制底臌 的研究[ J ] ．煤炭学报．1 9 9 5 ，2 0 3 2 2 9 2 3 4 ． H O UC h a o - j i o n g ．H EY a n a n ．L IX i a o ．e ta 1 ．R e i n f o r c i n gs i d e w a l l sa n dc o r n e r so fg a t e w a yt Oc o n t r o l f l o o rh e a v e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ．1 9 9 5 ， 2 0 3 2 2 9 2 3 4 ． [ 6 ] 王卫军，侯朝炯．冯涛．动压巷道底鼓[ M ] ．北京煤 炭工业出版社，2 0 0 3 7 2 - 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