结合我国煤矿深部开采工程实例.docx

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结合我国煤矿深部开采工程实例

结合我国煤矿深部开采工程实例，解决了一系列煤矿深部开采中的技术难题

1解决了龙口柳海矿第三系软岩矿井的支护问题

1工程特点

龙口柳海矿为第三系软岩矿井，国内正在开采的第三系软岩矿井最深的为350m而柳海矿井筒深度已达500m其临界深度为300m难度系数为1.67。

-般第三系软岩的蒙脱石含量最高达35~40%而该矿软岩的蒙脱石含量达到90~96%在进行本次研究之7前，该矿井底车场现有巷道基本全部破坏，面临关闭停建状态。

因此，龙口柳海矿巷道支护问题是我国第三系软岩矿井中难度最大的问题。

2工程破坏现状

龙口柳海矿为了解决第三系深部软岩矿井的支护问题，采用了各种支护技术，包括：

锚网锚索支护、钢筋混凝土（砌碹）支护、U型钢可缩性支架、高强

度梁式混凝土支架、U型钢钢架+壁后充填，以及上述支护形式的复合型支护。

但是，由于柳海矿软岩问题的复杂性，上述各种支护形式均未能有效的控制巷道围岩的变形，巷道前掘后修，投资巨大，严重影响了矿井的安全生产及按时投产。

柳海矿工程破坏现状详见图2-18~图2-23。

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（a）畐寸井北马头门东侧

（b）畐井北马头门西侧

图2-18副井马头因应力集中而产生破坏

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图2-19重车线前方导硐大变形断面急剧缩小

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图2-20重车线巷道底板底臌严重

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图2-21高强度混凝土梁式支架接口处产生破坏

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图2-22北单轨巷支架产生大变形

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图2-23南水仓顶板及两帮严重变形

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3柳海矿软岩巷道破坏原因分析

综合分析柳海矿井底车场深部第三系软岩巷道的工程地质条件，结合物化分析及微观结构分析，可以得出高应力节理化强膨胀（HJS）复合型软岩是柳海矿软岩巷道变形破坏的根本原因。

（1）高应力。

该矿井底车场巷道深度大，达到500m自重应力水平为12MPa而岩体强度只有1~2MPa应力与强度比值6.0~12.0。

由于其软化临界深度为300m因此其难度系数达到1.67。

（2）节理化。

现场工程岩体勘察结果表明，该矿井底车场巷道岩体破碎节理裂隙发育。

（3）强膨胀。

物化分析结果表明，蒙脱石含量最高为96%，具有强大的膨胀应力。

同时，巷道初期支护设计的理论依据不当，也是巷道变形破坏严重的主要原因。

具体表现在：

对软岩支护原则掌握不清；

对软岩支护的关键技术缺乏了解；

对支护材料的支护性能认识不清。

另外，在巷道支护设计及施工顺序不当，造成巷道变形破坏更加严重，主要表现在：

（3）支护体与围岩、支护体间变形不协调、刚度及强度不耦合：

支护体之间以及与围岩之间变形不协调、围岩大变形与混凝土刚度及强度不耦合、混凝土喷层与U钢可缩支架刚度不耦合。

4柳海矿软岩问题的技术对策

1）三个技术关键

1正确研究确定软岩的变形力学机制及其复合型；

2有效转化复合型为单一型；

3合理运用转化技术。

2）两个支护力学特性①具有足够的柔度以满足HJS复合型软岩的大变形，以充分释放膨胀性

塑性能；

②当大变形关键部位（特征）出现时，又具有足够的强度和刚度控制围岩变形，从而达到支护体与巷道工程的稳定性。

复合型变形力学机制转化关键环节在于设计，由此确定具体的支护对策为：

①钢架支护设计：

关键是把抗弯、抗扭转化为抗压、抗拉，把刚度转化为强度（图2-24）。

②钢架（筋）及混凝土支护设计：

关键是实现钢架与混凝土刚度上的耦合（图2-25）。

③锚网-锚索-围岩耦合设计：

通过锚杆支护提高围岩强度，通过锚网—围岩以及锚索—关键部位支护的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，实现巷道围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合，达到巷道稳定的目的。

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图2-24钢架支护设计对策

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材料强度低

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结构

5支护效果

在上述支护设计对策的指导下，对柳海矿主副井筒、井底车场巷道进行了

具体的支护设计。

有现场支护效果可以看出（图2-26~图2-28），所采用的支护

设计方案，有效的控制了巷道围岩的变形，保证了巷道的稳定，为矿井的尽快投产创造了条件。

图2-26

副井马头门永久支护效果

（a）空车线架设双桁架后的效果

（b）永久支护后的空车线

图2-27空车线支护效果

（a）应用

（b）应用

图2-28大断面交叉点支护效果

解决了徐州旗山矿中生代千米深井巷道的支护问题

穿过中生代煤岩服务年限长，且

组、

在服务期间会受到一定程度的开采动压影响。

徐州旗山矿-1000m水平北翼轨道联络大巷为一穿层巷道,砂岩组和泥岩组，埋深大约为1032m受较高的地压影响;

1巷道变形破坏情况

通过现场考察和调研可知，-1000m北翼轨道联络大巷由于埋深较大、开采及地质条件复杂、支护体力学特性与围岩力学特性不耦合等原因，巷道围岩及支护体变形、破坏严重，具体详见图2-29~2-34。

称收敛变形

2支护对策

通过对旗山矿各开采水平地层岩性的综合分析，巷道围岩可分为三大类工程岩组：

砂岩岩组、泥岩岩组和煤岩组，强度依次降低。

通过对旗山矿各开采水平变形、破坏现象的调查、分析，可以确定砂岩岩组的第一临界深度约为800m

泥岩岩组的第一临界深度约为700m煤岩组的第一临界深度约为600m

由—1000北翼轨道联络大巷埋深H约为1032m可推知，该巷道开挖部位所受的垂直自重应力约为22.7MPa集中应力水平最大可以达到45.4MPa通过现场巷道破坏状况调查及理论分析，可以确定软化临界深度为700m左右，故该区

已进入深部非线性高应力状态。

同时，该区巷道围岩节理裂隙发育，岩体结构较为破碎，掘进过程中出现了大地压、大变形、难支护等现象。

在钻进取样过程中，发现岩芯比较破碎，取芯率和RQD旨标都偏低。

又据物化成分测试结果，巷道围岩粘土矿物中伊/蒙混层含量较高，具有较强的膨胀性。

巷道掘进后，由于环境的变化，泥岩将吸附空气中的水分和工程用水，产生膨胀或大变形，对巷道支护十分不利。

综上所述，可以确定该工程岩体为HJS（高应力一节理化-膨胀性）复合型软岩。

根据对旗山矿-1000北翼轨道联络大巷新开段预想工程地质剖面图，该巷道掘进中将可能会遇到两种不同结构类型的围岩，节理化砂泥岩组和断层破碎带。

由此可以确定新开段将会遇到两种不同类型的变形力学机制：

复合=1\*ROMAN型——=1\*ROMANIab=2\*ROMANIIb=3\*ROMANIIIbc型和

复合=2\*ROMANII型――=1\*ROMANIAB=2\*ROMANIIB=3\*ROMANIIIAE型。

在确定了变形力学机制之后，就可以“对症下药”，有针对性地选取相应的力学对策来将复合型变形力学机制转化为单一型变形力学机制，从而实现巷道成功支护的目的。

其中针对每一变形力学机制可供选取的力学对策有：

=1\*ROMANIAB型：

巷道围岩变形能的层次释放、柔性喷层技术等；=3\*ROMANIIIBc型：

锚杆注浆支护技术、锚网索耦合支护技术等;

=3\*ROMANIAE型：

超前锚杆注浆支护技术、锚网索耦合支护技术等;

=2\*ROMANIIB型：

可通过巷道布局方向的三维优化、锚杆的三维优化、加大支护密度、提高支护强度将不稳定的=2\*ROMANIIB型变形力学机制转化为稳定的=2\*ROMANIIB型。

难度系数（D）直接反映的就是地下深部工程稳定性控制的难易程度。

旗山矿-1000m水平北翼轨道联络大巷是一穿层巷道，不牢河向斜轴斜穿巷道中部，中间低两翼高，跨度100m根据巷道实测地质剖面图，巷道在开挖过程中三次穿越1＃煤、三次穿越3＃煤、两次穿越4＃煤，揭露岩性主要为泥岩岩组。

因

此该巷道支护工程的软化难度系数为D=1000/700〜1.43。

一般来说，D<1时,

采用一般的锚网支护系统即可奏效；D=1〜1.5时，需采用控制底臌的锚网支护系统；D>1.5时，必须选用封闭的复合支护系统。

对该工程而言，D-1.43，

故应采用控制底臌的锚网支护系统为宜。

由此可以确定—1000北翼轨道联络大巷新开段复合=1\*ROMANI型、复合=2\*ROMANII型的变形力学机制的转化

具体支护形式为，节理化砂泥岩组段采用锚喷网索+底角锚杆联合支护形式，断层破碎带段采用超前注浆+锚喷网索+底角锚杆联合支护形式。

3支护效果

在现场试验过程中，新开巷道的变形主要表现在顶板下沉、底臌和两帮移近。

根据对新开段巷道所设立的六个测站的连续观测，实施新支护8~10天后，

各测站所处巷道已趋于稳定，测得泥岩段顶板下沉最大值为211mm底臌最大值

为157mm两帮移近量最大值235mm砂泥岩段顶板最大下沉量137mm最大底臌量81mm最大两帮移近量162mm砂岩段顶板最大下沉量127mm最大底臌量74mm最大两帮移近量142mm变形量总体上符合设计要求，在设计要求范围之内。

这是由于新支护方案有效地保护了围岩的自身强度，大大提高了围岩的自撑

能力，实现了支护一体化和荷载均匀化，达到了围岩和支护体之间的耦合支护，取得了很好的支护效果。

目前各测站所处位置的巷道变形已趋于稳定，进而定量

地说明了新支护设计方案是科学、合理、完全可行的。

具体支护效果详见图2-37~图22-38。

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图2-37装岩机前方巷道支护效果图2-38装岩机后方巷道全貌支护效果

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3解决了大倾角大采深特厚煤层长壁综放开采关键技术的若干问题

大倾角大采深特厚煤层综放开采技术是世界性的技术难题。

从目前状况看，综放开采技术的适用范围主要集中在水平煤层或缓倾斜煤层，而对于煤层倾角大于35（或倾角为35~55）的情形，则从未进行过工程实践。

倾角及埋藏深度的变化导致工作面矿压显现规律的差异，对于大倾角煤层综放技术、确定工作面液压支架工作阻力、保证液压支架稳定、保证工作面安全高产高效具有十分重要影响。

群体与其它单位联合，针对甘肃靖远煤业集团公司王家山煤矿44407工作面的具体条件（煤层倾角为38o~43o，平均倾角为41°）,运用损伤力学理论系统研究了44407综放工作面矿压规律，指出工作面下段的顶煤由于岩层围压的增大，损伤程度相对上段的煤体小，沿工作面倾斜方向呈现自上而下逐渐减小的趋势，从理论上揭示了倾角对顶煤损伤程度的影响，为确定工作面合理支护形式和支护阻力提供了理论依据。

另外，由顶煤的损伤状态出发，从理论上解析给出了确定液压支架工作阻力的理论公式，并对工作面倾斜方向上段、中段、下段支架所承受的荷载进行了研究。

另外，根据大倾角工作面煤层赋存特点，结合液压支架的工况，综合进行了液压支架防倒稳定分析、抗滑稳定分析以及尾部抗扭分析，查明了液压支架防倒抗滑的关键性控制因素，并提出了保障液压支架稳定性的技术措施。

群体经过一年多的研究，使得44407工作面单产达到6万吨/月，工效达到45吨/工以上，工作面回采率80%以上，全面实现了目标要求。