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书书书 第 43 卷第 10 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol 43No 10 2015 年10 月 Coal Science and TechnologyOct2015 采矿岩层控制技术 【编者按】 煤矿开采的岩石力学问题研究重点是采掘空间围岩控制、 地表沉陷控制及矿山压力与岩层控制。在 岩层控制方面， 已逐步形成了独立的学科分支。从层状矿体开采来讲， 岩层控制主要包括 3 个方面 采场上 覆岩层结构形态及其对 “支架 围岩” 的影响; 开采引起岩体的裂隙及离层分布状态及其对水与瓦斯流动的 影响; 岩层移动规律和地表沉陷对建筑物的影响。目前， 岩层控制技术研究取得了极大的进展， 为系统报道 岩层控制的研究成果， 进一步促进学术交流和科研成果转化， 本刊与“34 届国际采矿岩层控制会议” 组委会合 作开展 “采矿岩层控制技术” 专题， 对岩层运动与控制、 倾斜煤层开采技术与装备、 煤岩动力灾害控制技术、 巷 道支护技术等方面的研究现状及发展趋势进行了详细报道。在此特别感谢34 届国际采矿岩层控制会议组 委会在专题组稿、 审稿过程中对编辑部的大力支持和帮助， 同时对各位专家能在百忙之中积极为本刊撰稿表示 衷心感谢。 大断面硐室顶板卸压机理及其应用技术研究 翟新献1， 2， 秦龙头1， 赵高杰1， 陈成宇3， 李文杰3 1. 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作454000; 2. 煤炭安全生产河南省协同创新中心， 河南 焦作454000; 3. 河南神火煤电股份有限公司 新庄煤矿， 河南 永城476600 摘要 为了保持深部硐室的长期稳定， 降低硐室维修费用， 保证矿井的安全生产， 以新庄煤矿 暗斜井第 2 部大断面机头硐室为工程背景， 采用数值计算研究了大断面硐室顶板卸压巷道的卸 压机理。研究结果表明， 顶板卸压以后硐室顶底板围岩垂直应力均大幅减小， 且底板垂直应力 减小的幅度较大; 顶板卸压对硐室顶板的扰动较小; 卸压以后硐室顶底板和两帮围岩水平应力、 水平位移均明显减小， 所以顶板卸压效果明显。在此基础上， 设计了大断面硐室顶板卸压巷道 的参数和卸压区域， 并提出了卸压巷道掘出以后， 采用定向抛掷爆破法进行顶板区域卸压的施 工方法。 关键词 大断面硐室; 顶板卸压; 卸压参数; 围岩应力场; 暗斜井 中图分类号 TD354文献标志码 A 文章编号0253 2336 2015 10 0001 06 Study on roof pressure relief mechanism and application technology of large cross section chamber Zhai Xinxian1， 2，Qin Longtou1，Zhao Gaojie1，Chen Chengyu3，Li Wenjie3 1. School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China; 2. Henan Provincial Coordinated Innovation Center for Coal Safety Production，Jiaozuo454000，China; 3. Xinzhuang Mine，Henan Shenhuo Coal and Electric Power Company Limited，Yongcheng476600，China Abstract In order to keep long stability of deep chamber，reduce the maintenance cost of chamber and ensure the safety production of mine，take the second large part cross section drive head chamber in blind shaft of Xinzhuang Mine as engineering background，numerical calculation was applied to study pressure relief mechanism of roof pressure relief roadway for large cross section chamber The study re- sults showed that after roof pressure relief，the plumb stress of surrounding rock in roof and floor of chamber was sharply reduced both， 收稿日期2015 06 28; 责任编辑 王晓珍DOI 10 13199/j cnki cst201510001 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51574110 作者简介 翟新献 1964 ， 男， 河南洛阳人， 教授， 博士。E mail zhaixx1963126. com 引用格式 翟新献， 秦龙头， 赵高杰， 等 大断面硐室顶板卸压机理及其应用技术研究J 煤炭科学技术， 2015， 43 10 1 6， 50 Zhai Xinxian， Qin Longtou， Zhao Gaojie， et al Study on roof pressure relief mechanism and application technology of large cross section chamber J Coal Science and Technology， 2015， 43 10 1 6， 50 1 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 10 期煤 炭 科 学 技 术 第 43 卷 but the plumb stress of floor was reduced sharplyer than roof The roof pressure relief would have less interference to roof of chamber After pressure relief，the horizontal stress and horizontal displacement of roof，floor and two sides surrounding rock of chamber were ob- viously reduced and therefore pressure relief effect of roof was obvious Based on these，the parameters of roof pressure relief roadway and pressure relief area of large cross section chamber were designed After pressure relief roadway driven，directional throw blasting was applied to the construction of roof pressure relief area Key words large cross section chamber; roof pressure relief; pressure relief parameter; stress field of surrounding rock; mine blind inclined shaft 0引言 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国， 2014 年中国煤炭产量 38. 7 亿 t， 为世界的煤炭产量 的 49. 0。截至 2015 年 1 月我国建成了神华集团 补连塔煤矿等 442 处安全高效矿井 露天矿井 。 随着我国 13 个大型煤炭生产基地和大型现代化矿 井的建设， 煤矿井下带式输送机逐渐向大型化、 智能 化方向发展， 同时开采深度向中深部发展， 这就需要 带式输送机机头硐室的断面面积和支护规格不断加 大和加强。 煤矿的大断面巷道和硐室， 通常位于煤层及其 顶底板附近的岩层中， 围岩强度低。受采动影响后 围岩应力升高， 具有软岩流变特征， 围岩变形破坏严 重 1 3 。康红普等4在分析我国煤矿巷道类型与 特点的基础上， 介绍了高预应力、 强力锚杆支护理论 与技术的典型应用实例， 包括千米深井巷道、 软岩巷 道、 强烈动压影响巷道、 大断面开切眼、 松软破碎硐 室加固。实践表明， 采用高预应力、 强力锚杆支护系 统， 必要时配合注浆加固， 能够有效控制巷道围岩的 强烈变形， 并取得良好的支护效果。孟庆彬等 5针 对赵楼煤矿井底车场巷道 硐室 围岩强度低、 应力 高的地质条件， 提出了以内注浆锚杆为核心的 锚杆 锚索 锚注的 “三锚” 联合支护体系， 对巷道 围岩收敛变形与锚杆受力情况进行了实时监测， 结 果表明 ， “三锚” 联合支护体系能够有效控制深部巷 道围岩的大变形及底鼓， 保持巷道的长期稳定。高 明仕等 6将三维锚索应用于煤矿煤层巷道的支护 中， 研究了三维锚索的支护原理。巷帮卸压以后， 三 维锚索支护技术能够解决松软厚煤层巷道的支护问 题。郭东明等 7利用数值计算研究了厚煤层运输 大巷围岩破坏主要是由顶板上部岩层剪切与张拉作 用， 采用锚杆 索 非对称性耦合支护后， 巷道围岩 变形趋于稳定。何富连等 8研究了综放工作面大 断面回风巷道桁架锚索作用和锚索倾角对围岩变形 量的影响， 并提出了合理参数。韦四江等 9通过数 值模拟， 研究了平顶山矿区深部回采巷道围岩变形 的主要影响因素， 得到了巷道断面收敛率与巷道埋 深、 采动状况、 围岩岩体强度、 锚杆参数之间的关系， 对现场巷道围岩变形预测具有参考价值。张向阳 等 10研究了动压巷道或硐室围岩应力分布特点， 通过留设合理的保护煤柱和围岩深孔松动 卸压 爆破来控制巷道变形。郭保华等 11针对目前支架 难以有效控制深井软岩大变形巷道的现状， 提出了 一种协调控制围岩变形、 提高巷道围岩支护阻力、 减 少巷道整体变形量的新型支架， 对于深部大变形巷 道具有较好的推广应用价值。由此可见， 深部硐室 围岩变形控制一直是我国煤矿研究的重点和难点， 笔者针对新庄煤矿机头硐室变形破坏的现状， 研究 硐室围岩变形破坏机理和顶板巷道卸压技术， 对于 保证硐室的长期稳定和矿井的安全高效生产具有重 要的现实意义。 1机头硐室工程地质条件 河南神火煤电股份有限公司新庄煤矿井田南北 长约 7. 5 km， 东西宽约 3 km， 面积约 20. 366 km2。 矿井 1995 年 12 月投产， 经过技术改扩建以后， 2011 年矿井核定生产能力 225 万 t/a。由于新庄煤矿主 暗斜井机头硐室断面尺寸大、 围岩岩性差， 第 2 部机 头硐室服务年限已经超过十余年， 受暗斜井保护煤 柱的影响， 硐室变形破坏明显。该硐室需要继续为 深部二、 三水平运输服务， 直到矿井报废为止， 所以， 机头硐室的稳定与否直接影响到强力带式输送机的 正常运行和矿井的稳产高产。 新庄煤矿处于黄淮冲积平原东部， 黄河故道南 缘， 地势平坦， 地面标高约 31 m。井田采用立井多 水平上下山开拓方式， 二、 三水平均采用暗斜井延 深， 其中 4 条暗斜井即主暗斜井、 副暗斜井、 行人暗 斜井和回风暗斜井， 沿着二2煤层倾向方向平行布 置。4 条暗斜井之间间距分别为 24、 24、 48 m。暗斜 2 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 翟新献等 大断面硐室顶板卸压机理及其应用技术研究2015 年第 10 期 井一侧留设242 m 宽的保护煤柱。目前暗井筒两侧 已采空， 暗斜井保护煤柱总宽度达到 580 m。 新庄煤矿主暗斜井中铺设 4 部强力带式输送 机， 实行串联连续运煤。第 2 部强力输送机机头硐 室沿二2煤层底板挑顶布置， 硐室埋深 526 m。硐室 断面为半圆拱型， 净宽和净高分别 6. 7 7. 4 m 和 5. 3 m， 硐室长度为 17. 7 m。硐室采用锚杆 锚索 锚网 喷浆联合支护。对机头硐室进行了系统的 矿压观测， 结果表明， 硐室两帮移近速度 36. 4 mm/ 月; 底鼓速度为 7. 7 mm/月。当硐室底鼓量达到一 定值以后， 带式输送机底座基础将会发生倾斜， 可能 诱发硐室内输送机电机与减速箱连接轴之间发生错 位或断裂， 出现设备损坏， 导致矿井出现停产整修的 严重事故。 2硐室顶板卸压机理 我国煤矿广泛采用在硐室顶部布置卸压巷道 卸压槽 对底板硐室进行卸压， 即在保护底板硐室 上方形成卸压空间， 使硐室围岩应力重新分布， 硐室 周边的集中应力峰值向远离硐室的深部围岩转移， 从而在保持硐室周边岩体完整的前提下使硐室处于 应力降低区内， 显著降低硐室围岩应力集中， 减少硐 室围岩有效载荷系数， 保证硐室围岩的长期稳 定 12 13。 2. 1硐室顶板卸压计算模型 2. 1. 1数值计算力学模型 在新庄煤矿暗斜井第 2 部机头硐室中部， 沿着 煤层走向方向选取单位宽度的断面作为数值计算模 型如图 1 所示。模型长度、 宽度和高度分别为 58、 1、 50 m。模型下部边界属于位移边界条件， 简化为 固支座。左右两边属于位移边界条件， 简化为简支 边。模型上部未模拟的岩层用面力代替， 简化为面 力边界条件。 图 1数值计算力学模型 Fig. 1Mechanical model for numerical calculation 硐室设计为拱形断面， 硐室宽度 7 m、 高度 5. 5 m。硐室埋深 526 m， 上覆岩体平均密度2 500 kg/m3， 则硐室上覆岩层自重应力 13. 15 MPa。假定 硐室围岩为自重应力场， 侧压系数 为 1. 5， 则硐室 围岩原岩水平应力为 19. 725 MPa。 依据硐室顶板岩层的岩性， 在距硐室顶板高 度 6. 5 m 的砂质泥岩岩层中， 开掘高度 2. 5 m、 宽 度 18 m 的卸压巷道。为了准确分析顶板卸压巷 道开挖以后对底板硐室产生的卸压效果， 对数值 分析计算进行了假定 不考虑施工过程对岩石 力学参数的影响。岩体本构关系采用摩尔 库 仑强度准则。计算过程 首先将模型中岩体在 原岩应力状态下达到初始平衡， 初始位移设置为 零; 再将开挖部分用 null 模型代替， 计算变化后的 位移与应力。利用 FLAC 和 UDEC 数值模拟软件， 分别模拟出顶板开挖卸压巷道前后， 底板硐室围 岩应力场和位移场。 2. 1. 2硐室围岩物理力学参数 围岩岩体物理力学参数为影响模拟硐室变形结 果的重要因素。根据新庄煤矿大断面硐室围岩赋存 地质条件， 依据室内煤岩物理力学参数测定结果， 引 用强度折减系数计算以后， 得出硐室围岩物理力学 参数， 见表 114。 2. 2数值模拟结果分析 通过数值模拟， 得到卸压前后硐室围岩的水平 应力场、 垂直应力场、 水平位移场、 垂直位移场。通 过对比分析硐室顶底板垂直对称线和两帮水平观测 线不同观测点的应力和位移的变化， 来考察顶板卸 压巷道对底板硐室的卸压效果。 表 1硐室围岩物理力学参数 Table1Physical and mechanical parameters of chamber surrounding rock 岩层 厚度/ m 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 抗拉强 度/MPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 细粒砂岩11. 014. 006. 462. 200. 3744. 6 砂质泥岩10. 01. 341. 090. 820. 2829. 2 中粒砂岩5. 55. 313. 501. 400. 3139. 8 砂质泥岩2. 51. 341. 090. 820. 2829. 2 二2煤层3. 00. 570. 260. 080. 4030. 5 砂质泥岩1. 51. 341. 090. 820. 2829. 2 粉砂岩16. 51. 701. 502. 101. 2030. 0 3 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 10 期煤 炭 科 学 技 术 第 43 卷 2. 2. 1硐室围岩垂直应力场变化 图 2 为顶板卸压巷道掘出前后硐室围岩垂直应 力场。在硐室垂直方向对称线上， 分别在底板和顶 板围岩中选取观测点。比较卸压前后， 硐室顶底板 各个观测点应力变化。硐室顶底板垂直应力分布曲 线如图 3 所示。卸压以后硐室顶底板 0 5 m 内围 岩的垂直应力均小于 1 MPa; 与卸压前相比， 硐室顶 底板围岩垂直应力均大幅减小， 并且底板垂直应力 减小的幅度较大， 而顶板围岩垂直应力平均减少 61. 5。其中底板浅部 0 2 m 内围岩垂直应力接 近零， 2 4 m 内围岩垂直应力为 0 0. 2 MPa， 4 5 m内围岩垂直应力为 0. 2 1. 0 MPa。此外顶板卸 压期间， 对硐室围岩扰动较小， 其中卸压前后硐室底 板位移变化较小， 如图 4 所示。 图 2卸压前后硐室围岩垂直应力场 Fig. 2Vertical stress field of chamber surrounding rock before and after pressure relief 图 3卸压前后硐室顶底板垂直应力分布曲线 Fig. 3Distribution curves of vertical stress of chamber roof and floor before and after pressure relief 2. 2. 2硐室水平应力场和位移场的变化 图 5 为顶板开卸压巷道前后硐室围岩水平应力 分布云图。为了研究硐室围岩水平应力的变化， 在 硐室高度 2 m 位置布置 1 条水平观测线， 在距硐室 表面不同深度选取观测点， 研究硐室围岩水平应力、 水平位移变化规律。 图 4卸压前后硐室底板位移曲线 Fig. 4Floor displacement curves of chamber before and after pressure relief 图 5卸压前后硐室围岩水平应力场 Fig. 5Horizontal stress field of chamber surrounding rock before and after pressure relief 图6 为卸压前后硐室两帮围岩水平应力分布曲 线。与卸压前相比， 顶板卸压以后硐室顶底板和两帮 围岩水平应力、 水平位移明显减小。其中硐室两帮0 4 m 围岩水平应力小于1 MPa， 0 5 m 围岩水平应力平 均减小75.4， 且高水平应力向深部围岩转移。 图 7 为卸压前后硐室两帮围岩水平位移分布曲 图 6卸压前后硐室围岩水平应力分布曲线 Fig. 6Distribution curves of horizontal stress on chamber surrounding rock 图 7卸压前后硐室围岩水平位移分布曲线 Fig. 7Distribution curves of horizontal displacements on chamber surrounding rock 4 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 翟新献等 大断面硐室顶板卸压机理及其应用技术研究2015 年第 10 期 线， 与卸压前相比， 硐室两帮围岩水平位移量均增 加， 平均增加 76. 4， 这是硐室两帮集中应力向深 部岩体传递的结果。 3顶板卸压保护技术 新庄煤矿机头硐室变形治理分 2 个阶段实施 首先对硐室进行翻修和加固处理， 对硐室翻修以 后， 实施锚 索 网支护和围岩注浆加固， 同时对底 板开卸压槽和两帮采用注浆束锚索进行深孔注浆加 固。对硐室顶板卸压保护， 硐室顶板开掘卸压巷 道且硐室围岩应力重新分布以后， 围岩应力明显下 降， 硐室围岩集中应力向深部围岩转移， 从而在保持 硐室锚固体围岩完整性的前提下， 使硐室处于应力 降低区内。 3. 1顶部卸压巷道参数确定 1 卸压巷道位置。顶部卸压巷道的位置要根 据现场的地质条件确定。卸压槽距离硐室越近， 卸 压效果就越明显。但卸压巷道产生的拉伸区与硐室 顶板连通， 使硐室顶板稳定性降低。为保持硐室顶 板完整性， 卸压巷道与硐室顶板应有不小于 2 m 厚 的原岩核区。 2 卸压巷道宽度。卸压巷道宽度是顶部卸压 技术中的一个主要参数， 决定着卸压效果。在硐 室断面确定的情况下， 卸压巷道宽度受 2 个参数 影响 高应力区的边界线与水平线的夹角 ， 其 大小取决于岩性。卸压巷道与硐室之间的岩柱 高度决定了卸压巷道所在的位置。根据不同的地 质条件， 顶板卸压巷道的一般形式为矩形断面， 如 图 8 所示， 依此可以推出顶板卸压巷道宽度 M 的 计算式15 16 M 2 H h cot 2b B 1 式中 H 为卸压巷道与硐室之间岩柱高度， m; h 为 图 8顶板卸压巷道与底板硐室剖面 Fig. 8Cross section of roof pressure relief roadway and floor chamber 硐室高度， m; b 为硐室至高应力区边界线的距离， m; B 为受动压影响的硐室宽度， m。 3 卸压巷道长度。卸压巷道长度即卸压区域 的长度， 要根据所需维护的底板硐室的长度确定， 两 端一般要超出底板硐室高度的 1/2， 则卸压巷道长 度 L 为 15 16 L S h 2 式中 S 为底板硐室长度， m; h 为底板硐室高度， m。 3. 2顶板卸压方案 选定顶板卸压巷道宽度为 18 m， 卸压巷道区 域长度 23 m。卸压巷道底板与硐室顶板相距 6. 5 m。由于在硐室顶部开掘并维护跨度 18 m 的卸压巷道难度较大， 为此采用定向抛掷爆破 法。在硐室上方两侧开掘 2 条与硐室轴线平行 的小断面巷道， 对巷道之间的岩柱进行一次抛掷 爆破， 最后在硐室上方形成一个宽度 18 m、 长度 23 m 的顶板岩层松动区， 如图 9 所示。 抛掷爆破期间对加固后硐室顶板的影响较小。 爆破实施以后底板硐室处于低应力区， 对硐室起到 卸压作用， 从而保证硐室长期处于稳定状态。 底板硐 室顶部卸压区域的施工参数 M 为 18 m， H 为 6. 5 m， h 为 5. 4 m， b 为 2 m， B 为 6. 7 m， 为 73， 施工 分以下 4 个过程。 图 9硐室顶部卸压区域平面 Fig. 9Pressure relief area plane at the top of chamber 1 在硐室正上方长度 23 m、 宽度 18 m 范围内， 施工宽度 3. 0 m 和高度 2. 5 m 的周围卸压巷道， 该 巷道为矩形断面， 裸体支护或锚杆支护。 2 在周围卸压巷道施工以后， 在中间岩柱中间 隔6 m 施工2 条宽度2. 0 m、 高度2. 0 m 的中间联络 巷， 将中间岩柱切割成宽度 4 5 m、 长度 12 m 的矩 形岩柱。 3 在卸压巷圈定的范围内， 用 2 m 长的钎杆在 联络巷两帮岩柱中打眼装药， 进行抛掷爆破。 4 在卸压巷外围岩， 用长度 1. 5 m 的钎杆打 眼、 装药， 进行松动爆破。 5 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 10 期煤 炭 科 学 技 术 第 43 卷 上述施工结束以后在机头硐室正上方形成一个 长度大于 23 m、 宽度大于 18 m 的松动区域， 即顶部 卸压区域， 保证底板硐室处于低应力区。 4结论 1 新庄煤矿第 2 部带式输送机大断面机头硐 室围岩变形破坏严重， 顶板卸压有利于硐室的长期 稳定。利用数值计算研究了硐室顶板卸压机理。研 究结果表明， 顶板卸压以后硐室顶底板围岩垂直应 力均大幅度减小， 卸压后硐室顶底板和两帮围岩水 平应力、 水平位移明显减小。 2 确定了机头硐室变形治理方案。首先对硐 室进行翻修和加固处理。实施锚杆 锚索 围岩注 浆以后， 对底板开卸压槽和两帮采用注浆束锚索进 行深孔注浆加固。在此基础上， 依据硐室围岩变形 情况， 对硐室实施顶板卸压处理。设计了硐室顶板 卸压巷道的参数和卸压区域， 提出了利用抛掷爆破 进行顶板卸压的方法。研究结论为新庄煤矿暗斜井 机头硐室变形治理提供了技术指导。 参考文献 1康红普 深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术J 煤 炭科学技术， 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