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1、专题部分 煤矿深井巷道矿压显现及其控制李旭光江苏徐州，中国矿业大学矿业工程学院，221116摘要：我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m的速度向深部增加，一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。开采深度的加大后，岩体应力将急剧增加，地温升高，巷道围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重。采用工字钢、架棚等被动支护技术已不能有效的控制巷道的变形，采用高强度树脂锚固以及注浆锚杆锚固力大、锚固及时，能主动地将支撑载荷作用到巷道周边，对围岩施加径向力，改善围岩结构，加强巷道或硐室周边围岩稳定性，充分发挥围岩的自身承载能力，取得了良好的支护效果。 关键词：深井巷道；矿压显现；围岩应力；矿压
2、控制；锚杆1 引言巷道变形破坏严重，维护困难时煤矿深井开采主要和共同问题之一。巷道矿压显现随采深增加而增加，一般在采深超过600700m之后软岩条件下采深在500m左右，井下巷道开始出现深井开采的巷道矿压显现特征。随着开采深度增加，矿压显现特征愈加明显。我国是世界产煤大国，同样也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m和1000 m 的储量分别占到73.19 % 和53.17 %。而随着开采深度的加大，巷道周边围岩应力呈近似线性关系的增长，巷道围岩变形少则几百毫米，多达1.02.0 m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特别是它们的两类或三类的复合型，问题更为突出。严
3、重时，在巷道掘进或使用期间将会在巷道中引发煤与瓦斯突出，甚至岩爆等动力灾害，严重威胁矿井的安全生产。这不但造成巷道支护成本高，而且造成煤炭资源开采的极端困难，严重威胁着矿井的安全生产。在深部巷道中使用锚杆支护技术，锚杆通过径向和切向锚固力的作用，对围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，提高围岩的稳定性。锚杆贯穿围岩中的弱面，切向锚固力改善了围岩的力学性质，进而有效地控制巷道变形。 1.1课题的提出及意义中国是个煤炭大国，在我国的一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占的比重约为 2/3，2007 年的全国煤炭产量为 25.5 亿吨，由于全国对煤炭的需求量增加迅速特别是电
4、煤，缺口仍有 6000 万吨左右，新成立的国家能源局局长张国宝表示在 2009 年要增加煤炭的产量，加紧审批一批大型煤矿的建设。我国正处于经济的快速增长时期，一次能源生产量和消费量均超过世界总量的 10%；其中，煤炭生产量和消费量约占世界的 30%，且我国是个贫油气富煤的国家，煤炭资源丰富，但我国煤炭总储量的70%以上埋藏在600m以下，更有29500万亿吨，埋藏在1000m以下，占总储量的 53%，煤炭资源从浅部开始开采，经过半个世纪的时间，浅部资源日益枯竭，国内外都陆续进入深部资源的开采，煤矿深井开采是世界上大多数主要采煤国目前与将来面临的亟待解决的问题。率先进入深部开采是金属矿山，早在本
5、世纪初，南非金矿的开采深度就已超过 2000m。据不完全统计，国外开采超过千米的金属矿山有 80 多座，其中南非就有 40 多座矿井开采深度超过 1000m，其中一半多已达 20003000m，如埃兰兹兰（Elandsrand）金矿、斯坦总统（President Steyn）金矿和博克斯堡（Boksburg）金矿等开采深度均已超过 3000m，而全世界开采深度最大的地下矿山卡里顿维尔（Caritonvill）金矿（南非第三大金矿）的开采深度已超过 4000m。除南非以外，加拿大、美国和印度等国非煤地下矿山的开采深度最大的也达到了 20003000m，如美国的加利纳（Galena）银铅矿、加拿大
6、的克来顿（Creighton）镍矿和印度的钱皮恩里夫（Champion Reef）金矿和科拉尔（Kolar）金矿等。建国初期统配煤矿产量中，约有 40%是从深度 200m 以内的矿井中采出，而近80%的煤炭是从深度为 400m 以内的矿井采出。国有重点煤矿的生产的矿井，目前多数还是浅井和中深井，其百分比分别为 50.08%和 45.74%，而深矿井仅占 4.2%。根据 1997 年初的统计，国有重点煤矿的生产矿井中，目前采深已超过-800m 的矿井中有 25 处，其分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶、徐州、淮南和长广等开采历史长的老矿区。据统计34-36 ，目前我国许多矿区的开采深度都己
7、超过了 600m800m,深度超过千米的矿井就有数十个，最大的开采深度己接近 1200m。如沈阳矿务局彩屯煤矿（1197m）,开滦赵庄煤矿（1159m），徐州张小楼煤矿（1100m），北票冠山煤矿（1059m），北京门头沟煤矿（1008m）等。此外，新汶矿区的大部分煤1矿己进入深部开采，平均开采深度达-900m 以上，如孙庄煤矿（1055m）,华丰煤矿（1070m）。可以预计，随着对煤炭需求量的不断增加，我国将有更多煤矿进入 1000m以下深度开采。按采深统计，国有重点煤矿生产矿井多数是中深矿井，其矿井接近47%，深矿井的比重也增长到近24%，并有5.01%的矿井采深超过1200m。今后的总发
8、展趋势是浅井（小于 400m）的数目将大为减少，中深矿井（400-800m）的数目明显增加，深矿井（8001200m）的数目成倍增长，并将出现更多的特深矿井（大于 1200m），矿井的平均开采深度也将进一步增大至 630 m 左右。随着矿井开采逐渐向深部发展，在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体，进入深部后转化为高应力软岩，矿压显现强烈，巷道位移显著增大，支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难，深部采场与巷道围岩稳定性控制已成为煤矿开采面临的重大课题之一，引起了世界各国采矿界的高度重视。另外深部高地压导致冲击地压危险加大，瓦斯涌出量增加以及地温升高等一系列新问题，深井开采问题是采
9、矿界面临的一个重要课题。矿井进入到深部开拓和生产阶段后，由于各种因素的影响，地质条件会变得异常恶化。随着高地应力、高渗透压力和高地温的影响越来越突出，相应的也会给地下工程即围岩稳定与施工安全也会带来一系列的难题。深部开采由于地应力的普遍升高，导致深部巷道的围岩在承压强度和变形性质上与浅部围岩相比存在着显著的差异。处在浅部的围岩大部分都处在弹性应变的状态，不会发生较大的变形而失稳。但是进入到深部开拓以后，围岩体内的地应力会明显地升高，这必然会导致围岩体内所赋存的高地应力和自身低强度之间产生突出矛盾，并且也会使岩体内的应力状态由三向变成二向。随着巷道的开挖，重新形成的二次应力场中的应力将会高度集中
10、，进而导致近表的围岩受到超过围岩自身强度的剪切力。巷道围岩体将会很快地发生由表及里的破裂碎胀和塑性扩容现象，这样势必会出现大变形进而使整体进入到失稳状态。随着矿山开采深度的增加，地下水的渗透压力也会相应地增大。随着巷道的开挖，近表围岩内孔隙水的压力将会大幅地降低，与此形成鲜明对比的是巷道近场围岩内的有效应力将会迅速地增大，致使巷道围岩体内的应力很快超过岩体本身的额定强度，从而加速了巷道表层围岩的破坏失稳现象向巷道深部围岩蔓延的趋势。考虑到我国大部分含煤地层的岩石主要为泥质胶结状态，当遇到水体侵蚀后必然会发生软化松散，使其物理力学性质更趋于弱化而有些深井巷道围岩的岩石中含有少量薪土矿物如:蒙脱石
11、，遇水将会发生迅速地膨胀破裂。以上情况如果处理不好都会对围岩稳定带来不利的影响。2 开采深度与巷道围岩的变形关系2.1中国的研究开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开采深度与巷道维护之间的一般关系如下：（1）岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。（2）巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。（3）巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，与巷
12、道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。（4）巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体-煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷道影响最大。2.2德国的研究（1） 德国提出掘巷引起的围岩移近量与开采深度和巷道底板岩层强度之间的关系为： （2-1）式中：掘巷引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率，%； 岩层压力，Mpa； 地板岩层的单轴抗压强度，Mpa。图2-1 移近量与岩石压力p（深度H）和底板岩层强度的关系1-砂岩（=97 Mpa）；2-页岩（45 Mp
13、a）；3-软岩（28 Mpa）；4-煤（14 Mpa）利用该式计算结果如图1所示，由此可见，掘巷引起的围岩变形随开采深度的增加而增长，其增长率与巷道围岩性质有关。开采深度每增加100 m，在煤层（=14 Mpa）中掘进，围岩移近量增加8.9%；在软岩（=28 Mpa）中增加6.3%；在页岩（=45 Mpa）中增加5%；在砂岩（=97 Mpa）增加3.4%。同时取=0，可以知道在掘巷过程中引起围岩明显变形的临界深度，在煤层中为512 m，软岩中为732 m，页岩中为930 m，砂岩中为1360 m。（2）德国埃森采矿中心还对100条前进式开采的采准巷道进行了系统观测，得出巷道围岩移近量占巷道原始
14、的高度的百分率与开采深度关系式为： （2-2）既开采深度每增加100 m，回采巷道围岩移近量占原始高度的百分率增加6.6%，与上述统计值相似。矿井开采深度由300 m增加到800 m时，移近量要增加1000余mm，巷道从较易维护变为难以维护，可见开采深度对巷道矿压显现的影响之大。2.3前苏联的研究前苏联对矿井开采深度与巷道稳定性的关系进行过大量研究，认为深部巷道矿压显现的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形，且在掘进后围岩长期流变，使巷道支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的掘巷引起的围岩变形，在深部开采时显现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测，提出了深部巷道掘进初期围
15、岩移近量的计算公式为： （2-3） （2-4）式中：、顶板、两帮在掘进后t时间内的位移量，cm； 时间，d； 、顶板、两帮作用在支架上的压力，kN/m2； 岩石容重，kN/m3； 巷道所处的深度，m； 岩石单轴抗压强度，kPa； 寻求常数时引入的单轴抗压强度，3000kPa； 巷道所处的深度，cm； 巷道高度，cm。由此可以看出随着开采深度的增加，维护时间的增长，巷道变形将逐渐增加，维护也将越来越困难。前苏联学者舍斯勒夫斯基认为，当0.3时，既开采深度相对比较小或围岩强度相对比较大时，开采深度对巷道围岩变形影响较小，反之，围岩稳定性系数愈大，开采深度对巷道围岩变形的影响就也愈大。3 矿压显现特点随着地下开采深度的增加，
