結(jié)合我國煤礦深部開采工程實(shí)例

1、結(jié)合我國煤礦深部開采工程實(shí)例，解決了一系列煤礦深部開采中的技術(shù)難題1  解決了龍口柳海礦第三系軟巖礦井的支護(hù)問題1 工程特點(diǎn)龍口柳海礦為第三系軟巖礦井，國內(nèi)正在開采的第三系軟巖礦井最深的為350m，而柳海礦井筒深度已達(dá)500m，其臨界深度為300m，難度系數(shù)為1.67。一般第三系軟巖的蒙脫石含量最高達(dá)3540%，而該礦軟巖的蒙脫石含量達(dá)到90 96%。在進(jìn)行本次研究之7前，該礦井底車場現(xiàn)有巷道基本全部破壞，面臨關(guān)閉停建狀態(tài)。因此，龍口柳海礦巷道支護(hù)問題是我國第三系軟巖礦井中難度最大的問題。2 工程破壞現(xiàn)狀龍口柳海礦為了解決第三系深部軟巖礦井的支護(hù)問題，采用了各種支護(hù)技術(shù)，包括：錨網(wǎng)錨

2、索支護(hù)、鋼筋混凝土（砌碹）支護(hù)、U型鋼可縮性支架、高強(qiáng)度梁式混凝土支架、U型鋼鋼架+壁后充填，以及上述支護(hù)形式的復(fù)合型支護(hù)。但是，由于柳海礦軟巖問題的復(fù)雜性，上述各種支護(hù)形式均未能有效的控制巷道圍巖的變形，巷道前掘后修，投資巨大，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)及按時投產(chǎn)。柳海礦工程破壞現(xiàn)狀詳見圖2-18圖2-23。（a）副井北馬頭門東側(cè)   （b）副井北馬頭門西側(cè)圖2-18  副井馬頭因應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞 圖2-19  重車線前方導(dǎo)硐大變形斷面急劇縮小 圖2-20  重車線巷道底板底臌嚴(yán)重  圖2-21

3、0; 高強(qiáng)度混凝土梁式支架接口處產(chǎn)生破壞   圖2-22  北單軌巷支架產(chǎn)生大變形圖2-23  南水倉頂板及兩幫嚴(yán)重變形 3 柳海礦軟巖巷道破壞原因分析綜合分析柳海礦井底車場深部第三系軟巖巷道的工程地質(zhì)條件，結(jié)合物化分析及微觀結(jié)構(gòu)分析，可以得出高應(yīng)力節(jié)理化強(qiáng)膨脹(HJS)復(fù)合型軟巖是柳海礦軟巖巷道變形破壞的根本原因。（1）高應(yīng)力。該礦井底車場巷道深度大，達(dá)到500m。自重應(yīng)力水平為12MPa，而巖體強(qiáng)度只有12MPa，應(yīng)力與強(qiáng)度比值6.012.0。由于其軟化臨界深度為300m，因此其難度系數(shù)達(dá)到1.67。（2）節(jié)理化?，F(xiàn)場工程巖體勘察

4、結(jié)果表明，該礦井底車場巷道巖體破碎節(jié)理裂隙發(fā)育。（3）強(qiáng)膨脹。物化分析結(jié)果表明，蒙脫石含量最高為96%，具有強(qiáng)大的膨脹應(yīng)力。同時，巷道初期支護(hù)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)不當(dāng)，也是巷道變形破壞嚴(yán)重的主要原因。具體表現(xiàn)在：（1）對軟巖變形力學(xué)機(jī)制缺乏研究； （2）對軟巖支護(hù)原則掌握不清；（3）對軟巖支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)缺乏了解； （4）對軟巖變形的力源認(rèn)識不清；（5）對支護(hù)材料的支護(hù)性能認(rèn)識不清。另外，在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及施工順序不當(dāng)，造成巷道變形破壞更加嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在：（1）開放式支護(hù)結(jié)構(gòu)，無反底梁或反底拱；（2）支護(hù)體單兵作戰(zhàn)，無法發(fā)揮整體支護(hù)能力；（3）支護(hù)體與圍巖、支護(hù)體間變形不協(xié)調(diào)、剛度及強(qiáng)度不耦合：支護(hù)體

5、之間以及與圍巖之間變形不協(xié)調(diào)、圍巖大變形與混凝土剛度及強(qiáng)度不耦合、混凝土噴層與U鋼可縮支架剛度不耦合。 4柳海礦軟巖問題的技術(shù)對策（1）三個技術(shù)關(guān)鍵正確研究確定軟巖的變形力學(xué)機(jī)制及其復(fù)合型；有效轉(zhuǎn)化復(fù)合型為單一型；合理運(yùn)用轉(zhuǎn)化技術(shù)。（2）兩個支護(hù)力學(xué)特性 具有足夠的柔度以滿足HJS復(fù)合型軟巖的大變形，以充分釋放膨脹性塑性能；當(dāng)大變形關(guān)鍵部位(特征)出現(xiàn)時，又具有足夠的強(qiáng)度和剛度控制圍巖變形，從而達(dá)到支護(hù)體與巷道工程的穩(wěn)定性。復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于設(shè)計(jì)，由此確定具體的支護(hù)對策為： 鋼架支護(hù)設(shè)計(jì)：關(guān)鍵是把抗彎、抗扭轉(zhuǎn)化為抗壓、抗拉，把剛度轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度（圖2-

6、24）。鋼架(筋)及混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)：關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)鋼架與混凝土剛度上的耦合（圖2-25）。 錨網(wǎng)-錨索-圍巖耦合設(shè)計(jì)：通過錨桿支護(hù)提高圍巖強(qiáng)度，通過錨網(wǎng)圍巖以及錨索關(guān)鍵部位支護(hù)的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖與支護(hù)體在強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上的耦合，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。 圖2-24  鋼架支護(hù)設(shè)計(jì)對策 圖2-25  鋼架(筋)及混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)對策 5支護(hù)效果在上述支護(hù)設(shè)計(jì)對策的指導(dǎo)下，對柳海礦主副井筒、井底車場巷道進(jìn)行了具體的支護(hù)設(shè)計(jì)。有現(xiàn)場支護(hù)效果可以看出（圖2-26圖2-28），

7、所采用的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，有效的控制了巷道圍巖的變形，保證了巷道的穩(wěn)定，為礦井的盡快投產(chǎn)創(chuàng)造了條件。圖2-26  副井馬頭門永久支護(hù)效果 （a）空車線架設(shè)雙桁架后的效果     （b）永久支護(hù)后的空車線圖2-27  空車線支護(hù)效果 （a）應(yīng)用前                       &#

8、160;      （b）應(yīng)用后圖2-28  大斷面交叉點(diǎn)支護(hù)效果 2  解決了徐州旗山礦中生代千米深井巷道的支護(hù)問題徐州旗山礦1000m水平北翼軌道聯(lián)絡(luò)大巷為一穿層巷道，穿過中生代煤巖組、砂巖組和泥巖組，埋深大約為1032m，受較高的地壓影響；服務(wù)年限長，且在服務(wù)期間會受到一定程度的開采動壓影響。1巷道變形破壞情況通過現(xiàn)場考察和調(diào)研可知，1000m北翼軌道聯(lián)絡(luò)大巷由于埋深較大、開采及地質(zhì)條件復(fù)雜、支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性不耦合等原因，巷道圍巖及支護(hù)體變形、破壞嚴(yán)重，具體詳見圖2-292-34。 圖2

9、-29  巷道幫部組合破壞      圖2-30 頂板下沉、噴層剝落及“網(wǎng)兜”現(xiàn)象 圖2-31 錨桿拉斷失效、U鋼外露   圖2-32 焊接金屬網(wǎng)破壞失效、噴層脫落   圖2-33  巷道底臌嚴(yán)重              圖2-34 巷道兩幫不對稱收斂變形 2支護(hù)對策通過對旗山礦各開采水平地層巖性的綜合分析，巷道圍巖可分為三大

10、類工程巖組：砂巖巖組、泥巖巖組和煤巖組，強(qiáng)度依次降低。通過對旗山礦各開采水平變形、破壞現(xiàn)象的調(diào)查、分析，可以確定砂巖巖組的第一臨界深度約為800m，泥巖巖組的第一臨界深度約為700m，煤巖組的第一臨界深度約為600m。由1000北翼軌道聯(lián)絡(luò)大巷埋深H約為1032m可推知，該巷道開挖部位所受的垂直自重應(yīng)力約為22.7MPa，集中應(yīng)力水平最大可以達(dá)到45.4MPa。通過現(xiàn)場巷道破壞狀況調(diào)查及理論分析，可以確定軟化臨界深度為700m左右，故該區(qū)已進(jìn)入深部非線性高應(yīng)力狀態(tài)。同時，該區(qū)巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了大地壓、大變形、難支護(hù)等現(xiàn)象。在鉆進(jìn)取樣過程中，發(fā)現(xiàn)巖芯比較破碎

11、，取芯率和RQD指標(biāo)都偏低。又據(jù)物化成分測試結(jié)果，巷道圍巖粘土礦物中伊/蒙混層含量較高，具有較強(qiáng)的膨脹性。巷道掘進(jìn)后，由于環(huán)境的變化，泥巖將吸附空氣中的水分和工程用水，產(chǎn)生膨脹或大變形，對巷道支護(hù)十分不利。綜上所述，可以確定該工程巖體為HJS（高應(yīng)力節(jié)理化膨脹性）復(fù)合型軟巖。根據(jù)對旗山礦1000北翼軌道聯(lián)絡(luò)大巷新開段預(yù)想工程地質(zhì)剖面圖，該巷道掘進(jìn)中將可能會遇到兩種不同結(jié)構(gòu)類型的圍巖，節(jié)理化砂泥巖組和斷層破碎帶。由此可以確定新開段將會遇到兩種不同類型的變形力學(xué)機(jī)制：復(fù)合 = 1 * ROMAN I型 = 1 * ROMAN IAB = 2 * ROMAN IIB = 3 * ROMAN IIIB

12、C型和復(fù)合 = 2 * ROMAN II型 = 1 * ROMAN IAB = 2 * ROMAN IIB = 3 * ROMAN IIIAE型。在確定了變形力學(xué)機(jī)制之后，就可以“對癥下藥”，有針對性地選取相應(yīng)的力學(xué)對策來將復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為單一型變形力學(xué)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)巷道成功支護(hù)的目的。其中針對每一變形力學(xué)機(jī)制可供選取的力學(xué)對策有： = 1 * ROMAN IAB型：巷道圍巖變形能的層次釋放、柔性噴層技術(shù)等； = 3 * ROMAN IIIBC型：錨桿注漿支護(hù)技術(shù)、錨網(wǎng)索耦合支護(hù)技術(shù)等； = 3 * ROMAN IIIAE型：超前錨桿注漿支護(hù)技術(shù)、錨網(wǎng)索耦

13、合支護(hù)技術(shù)等； = 2 * ROMAN IIB型：可通過巷道布局方向的三維優(yōu)化、錨桿的三維優(yōu)化、加大支護(hù)密度、提高支護(hù)強(qiáng)度將不穩(wěn)定的 = 2 * ROMAN IIB型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的 = 2 * ROMAN IIB型。難度系數(shù)（Df）直接反映的就是地下深部工程穩(wěn)定性控制的難易程度。旗山礦1000m水平北翼軌道聯(lián)絡(luò)大巷是一穿層巷道，不牢河向斜軸斜穿巷道中部，中間低兩翼高，跨度100m。根據(jù)巷道實(shí)測地質(zhì)剖面圖，巷道在開挖過程中三次穿越1煤、三次穿越3煤、兩次穿越4煤，揭露巖性主要為泥巖巖組。因此該巷道支護(hù)工程的軟化難度系數(shù)為Df 1000/7001.43。一般來說，Df1時，采用

14、一般的錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)即可奏效；Df11.5時，需采用控制底臌的錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)；Df1.5時，必須選用封閉的復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)。對該工程而言，Df 1.43，故應(yīng)采用控制底臌的錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)為宜。由此可以確定1000北翼軌道聯(lián)絡(luò)大巷新開段復(fù)合 = 1 * ROMAN I型、復(fù)合 = 2 * ROMAN II型的變形力學(xué)機(jī)制的轉(zhuǎn)化具體支護(hù)形式為，節(jié)理化砂泥巖組段采用錨噴網(wǎng)索底角錨桿聯(lián)合支護(hù)形式，斷層破碎帶段采用超前注漿錨噴網(wǎng)索底角錨桿聯(lián)合支護(hù)形式。3支護(hù)效果在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，新開巷道的變形主要表現(xiàn)在頂板下沉、底臌和兩幫移近。根據(jù)對新開段巷道所設(shè)立的六個測站的連續(xù)觀測，實(shí)施新支護(hù)810天后，各測站所處巷道已趨于

15、穩(wěn)定，測得泥巖段頂板下沉最大值為211mm，底臌最大值為157 mm，兩幫移近量最大值235mm；砂泥巖段頂板最大下沉量137mm，最大底臌量81mm，最大兩幫移近量162mm；砂巖段頂板最大下沉量127mm，最大底臌量74mm，最大兩幫移近量142mm。變形量總體上符合設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。這是由于新支護(hù)方案有效地保護(hù)了圍巖的自身強(qiáng)度，大大提高了圍巖的自撐能力，實(shí)現(xiàn)了支護(hù)一體化和荷載均勻化，達(dá)到了圍巖和支護(hù)體之間的耦合支護(hù)，取得了很好的支護(hù)效果。目前各測站所處位置的巷道變形已趨于穩(wěn)定，進(jìn)而定量地說明了新支護(hù)設(shè)計(jì)方案是科學(xué)、合理、完全可行的。具體支護(hù)效果詳見圖2-37圖22-38。&#

16、160;圖2-37 裝巖機(jī)前方巷道支護(hù)效果   圖2-38 裝巖機(jī)后方巷道全貌支護(hù)效果（未復(fù)噴）                       （已復(fù)噴）       3  解決了大傾角大采深特厚煤層長壁綜放開采關(guān)鍵技術(shù)的若干問題大傾角大采深特厚煤層綜放開采技術(shù)是世界性的技術(shù)難題。從目前狀況

17、看，綜放開采技術(shù)的適用范圍主要集中在水平煤層或緩傾斜煤層，而對于煤層傾角大于35o（或傾角為35o55o）的情形，則從未進(jìn)行過工程實(shí)踐。傾角及埋藏深度的變化導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的差異，對于大傾角煤層綜放技術(shù)、確定工作面液壓支架工作阻力、保證液壓支架穩(wěn)定、保證工作面安全高產(chǎn)高效具有十分重要影響。群體與其它單位聯(lián)合，針對甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)公司王家山煤礦44407工作面的具體條件（煤層傾角為38o43o，平均傾角為410），運(yùn)用損傷力學(xué)理論系統(tǒng)研究了44407綜放工作面礦壓規(guī)律，指出工作面下段的頂煤由于巖層圍壓的增大，損傷程度相對上段的煤體小，沿工作面傾斜方向呈現(xiàn)自上而下逐漸減小的趨勢，從理論上揭示了傾角對