孫廣義

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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利用卸壓巷道技術(shù)控制深井回采巷道變形破壞

孫廣義

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

煤礦深井回采巷道除受圍巖壓力影響外，還受回采工作面動壓及相鄰采空區(qū)基本頂運(yùn)動的影響。巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，底臌量大，維修困難。結(jié)合東海煤礦五采區(qū)左十二面回采巷道的地質(zhì)和地壓情況，提出了卸壓巷道的解決方法，并分析了卸壓巷道解決此問題的原理，對卸壓巷道位置、支撐煤柱寬度、讓壓煤柱寬度、巷道寬度進(jìn)行了計算。同時，將讓壓巷道作為回采工作面的排放瓦斯尾巷。東海煤礦的實(shí)踐表明，該方法取得了很好的效果，卸壓巷道在一定條件下可以解決深部巷道的變形問題。

回采巷道; 深井; 卸壓巷道

0　引　言

回采巷道服務(wù)時間較短,一般在0.5～1.5 a,通常采用梯形或矩形斷面形狀?；夭上锏罏槿夯虬朊簬r巷道,煤層頂、底板抗壓強(qiáng)度較大,巷道不僅受回采工作面的動壓影響,而且受相鄰工作面頂板壓力的影響,圍巖變形破壞嚴(yán)重,底臌量大,維修困難。尤其是深部開采,嚴(yán)重的巷道變形與底臌是制約煤礦深部開采的一個重要因素,亟需一種有效的解決辦法。許多學(xué)者為此進(jìn)行了大量研究,筆者通過理論分析和實(shí)際應(yīng)用,提出了深井卸壓巷道支護(hù)的方法。

1　巷道卸壓機(jī)理與參數(shù)選擇

1.1卸壓巷道的支護(hù)機(jī)理

巷道卸壓主要是運(yùn)用圍巖力學(xué)特征,集卸載、加固為一體,充分發(fā)揮圍巖的自撐能力,是一種積極有效的治理巷道圍巖變形的技術(shù)方法[1]。其力學(xué)原理主要是保護(hù)巷道一側(cè)掘進(jìn)卸壓巷道,讓卸壓巷道充分吸收圍巖的壓力,使其變形破壞。同時，使支承壓力向圍巖深部轉(zhuǎn)移,改善保護(hù)巷道受力狀態(tài)[2]。

巷道卸壓能否取得預(yù)期的效果,關(guān)鍵在于合理選取三個基本參數(shù)[3],即卸壓巷道的寬度bx、支承煤柱的寬度bR、讓壓煤柱的寬度br,如圖1所示。

圖1　卸壓巷道布置及應(yīng)力分布

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

1.2卸壓巷道參數(shù)選擇

1.2.1卸壓巷道位置與支撐煤柱寬度

采空區(qū)側(cè)煤柱的應(yīng)力峰值一般深入煤體6～20 m。支撐煤柱在采空區(qū)與卸壓巷道之間,使其承擔(dān)較大的圍巖壓力。卸壓巷道布置在采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域的峰值附近,讓卸壓巷道充分的卸壓,使壓力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移[4]。

采空區(qū)側(cè)邊緣至塑性區(qū)的最大寬度就是理論上卸壓巷道位置[5]。按采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度bc來確定集中壓力峰值的位置。即

(1)

式中:r1——巷道半徑;

γ——巖石容重;

H——埋深;

c——內(nèi)聚力;

φ——內(nèi)摩擦角。

1.2.2讓壓煤柱寬度

讓壓煤柱處在保護(hù)巷道與卸壓巷道之間[6]。卸壓與回采巷道兩側(cè)均存在塑性區(qū)寬度b。為保證讓壓煤柱的穩(wěn)定性,讓壓煤柱的中心位置必須有一個彈性區(qū)范圍,一般取煤層厚度的2倍。讓壓煤柱的寬度見式(2)。

br=2b+2d,

(2)

式中:d——煤層厚度。

利用巖體極限平衡理論,巷道圍巖塑性區(qū)寬度為

(3)

式中:λ——測壓系數(shù);

k——應(yīng)力集中系數(shù);

p1——巷道支護(hù)力;

f——煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)。

1.2.3巷道寬度

巷道寬度要考慮安全生產(chǎn)與施工設(shè)備的需求,同時為巷道圍巖變形留有空間。

2　應(yīng)　用

2.1應(yīng)用條件

東海煤礦32#煤層左十二路回風(fēng)巷道埋深1 160 m,煤層厚度1.6 m,瓦斯涌出量24.68 m3/t。相鄰回風(fēng)巷在生產(chǎn)期間圍巖變形與底臌嚴(yán)重,影響安全生產(chǎn)。為控制巷道變形與底臌,經(jīng)理論分析與模擬實(shí)驗,除采用一般深部巷道支護(hù)方式外,采用卸壓巷道的方式控制左十二路回風(fēng)巷道的圍巖變形。同時，卸壓巷兼做回采工作面的排瓦斯尾巷。

考慮掘進(jìn)機(jī)施工需要及實(shí)際生產(chǎn)條件,卸壓巷道與回風(fēng)巷道均采用矩形斷面,寬度3.8 m,高度2.6 m。兩巷均采用錨桿+錨索及網(wǎng)鋼帶聯(lián)合支護(hù),卸壓巷道位置及支護(hù)參數(shù)如圖1、2所示。

圖2　巷道支護(hù)參數(shù)Fig. 2　Parameters of supporting roadway

2.2卸壓巷道參數(shù)選擇

2.2.1支撐煤柱寬度

根據(jù)東海煤礦巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果與開采條件,采空區(qū)煤柱側(cè)塑性寬度bc按式(1)計算為

理論計算承載煤柱的寬度為6.7 m左右,但是考慮煤柱損失及防止沖擊地壓的發(fā)生,支撐煤柱寬度bR取為5.0 m。

2.2.2讓壓煤柱寬度

巷道圍巖塑性寬度按式(2)、(3)為

br=2b+2d=2×1.58+2×1.5=6.16。

綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)條件,讓壓煤柱寬度確定為5.0 m。

2.3卸壓巷道計算機(jī)模擬

根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù),利用上述卸壓巷道的參數(shù),對煤柱與巷道的壓力、變形量進(jìn)行了計算機(jī)模擬研究,主要模擬結(jié)果如圖3所示。

由模擬結(jié)果可知,讓壓巷道處在應(yīng)力集中區(qū),頂板應(yīng)力峰值出現(xiàn)在卸壓巷道偏下位置,底板應(yīng)力出現(xiàn)在巷道偏上位置?；仫L(fēng)巷道圍巖所受應(yīng)力小于卸壓巷道的應(yīng)力,起到卸壓的目的。讓壓煤柱承擔(dān)的應(yīng)力較大,支撐煤柱承擔(dān)的應(yīng)力較小。

圖3　頂?shù)装鍛?yīng)力分布規(guī)律Fig. 3　Regularity of stresses distribution in top-floor

3　井下實(shí)測分析

回風(fēng)巷道從掘進(jìn)到回采結(jié)束經(jīng)歷近8個月的時間。由觀測數(shù)據(jù)分析,回風(fēng)巷道兩幫最大移近量為1 012 mm,平均移近量為988 mm;頂?shù)装遄畲笠平繛?15 mm,平均移近量為600 mm,見圖4?；仫L(fēng)巷道兩幫在使用期間沒有維修,底板僅進(jìn)行了簡單的拉底維修,保證了巷道正常使用,如圖5所示。卸壓巷道頂?shù)装逡平孔畲笾颠_(dá)到1 600 mm，兩幫移近量達(dá)到1 500 mm,滿足排瓦斯斷面的需求。

圖4　回風(fēng)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>

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

圖5　回風(fēng)巷道使用效果Fig. 5　Using effect of ventilation roadway

4　結(jié)　論

(1)卸壓巷道位置選擇,是控制回采巷道圍巖變形破壞的有效方法。卸壓巷道應(yīng)布置在采空區(qū)側(cè)集中應(yīng)力峰值附近。

(2)讓壓煤柱中心應(yīng)設(shè)置一定的彈性區(qū)寬度,使其承擔(dān)一定的圍巖壓力,進(jìn)而有效降低保護(hù)巷道的圍巖壓力。

(3)卸壓巷道兼做排瓦斯尾巷,既起到了巷道卸壓的作用,又起到了排瓦斯的目的,保護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定與排放瓦斯效果好、成本低。

[1]張翔宇, 竇林名. 華亭煤礦爆破卸壓參數(shù)優(yōu)化研究[C]//2007年科學(xué)采礦論壇, 第十四屆礦壓理論與實(shí)踐研討會論文集. 徐州: [出版者不祥], 2007: 68-70.

[2]黃慶顯. 大埋深高應(yīng)力巷道讓壓支護(hù)技術(shù)研究[C]//何滿潮. 中國軟巖工程與深部災(zāi)害控制研究進(jìn)展. 北京. 科學(xué)出版社, 2009: 108-111.

[3]王漢民. 卸壓巷道和讓壓煤柱的設(shè)計[J]. 煤礦設(shè)計, 1992(11): 3-7.

[4]李廣忠. 采動影響下工鋼巷道讓壓修巷技術(shù)的應(yīng)用[J]. 煤, 2010(1): 48-49.

[5]卿水利. 深井復(fù)合頂巷道卸壓讓壓綜合支護(hù)技術(shù)[J]. 煤礦開采, 2009(1): 57-59.

[6]王明洋, 宋華, 鄭大亮, 等. 深部巷道圍巖的分區(qū)裂隙機(jī)制及深部界定探討[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2006, 25(9): 1771-1776.

(編輯晁曉筠)

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

國家自然科學(xué)基金項目(51074068);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項目(11551Z031)

孫廣義(1957-),男,遼寧省遼陽人,教授,博士,研究方向:煤礦深部開采,E-mail:sgy8866@sohu.com。

TD353

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