千米深井安全開采技術(shù)難題探討

張?jiān)葡?/p>

雞西分公司屬于老礦區(qū)，其下屬的東海煤礦1958年建礦，屬于較為典型的老礦井，現(xiàn)開采深度達(dá)到了1100米，在55年的開采歷史中，經(jīng)歷了由淺到深，由圍巖控制簡單到困難的過程。

在多年井工生產(chǎn)過程中，深井安全開采產(chǎn)生了一系列的技術(shù)問題

（一）東海煤礦在55年的開采過程中，逐步總結(jié)出原巖應(yīng)力從淺部到深部的一些變化規(guī)律：

淺部原巖體多數(shù)處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，但進(jìn)入深部以后，在高地應(yīng)力以及采掘擾動(dòng)力等的作用下，淺部表現(xiàn)為普通堅(jiān)硬的巖石，在深部表現(xiàn)出非線性大變形的特征，而且圍巖變形產(chǎn)生了一些軟巖特征，即礦井由淺部的硬巖礦井轉(zhuǎn)化為類軟巖礦井，提高了井巷工程施工和支護(hù)難度。

深井條件下巷道圍巖非線性大變形的主要原因是巷道圍巖體受深部巖層的強(qiáng)大壓力與爆破施工影響，使巷道圍巖一定范圍內(nèi)存在破碎裂隙區(qū)。巷道爆破施工后巖體應(yīng)力得到釋放，圍巖產(chǎn)生新的裂隙，圍巖體新、老裂隙相互貫通，使巷道圍巖表面產(chǎn)生破碎裂隙區(qū)，即由巖層的結(jié)構(gòu)面離層、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生的擴(kuò)容變形，是巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)曲線峰值后一段區(qū)間，為不連續(xù)非線性變形階段，屬于巷道支護(hù)的核心部分。然后是巖石的彈塑性變形，是實(shí)驗(yàn)曲線峰值前一段區(qū)間，屬于彈性變形階段，為連續(xù)的變形。

由于圍巖破碎裂隙區(qū)的存在，使圍巖變形時(shí)間長，且長時(shí)間變形不止。特別是當(dāng)受采動(dòng)壓力影響時(shí)，巷道的破壞是全斷面的，不過從總體上看靠采空區(qū)一側(cè)巷道的幫部最先破壞。在工作面初采一個(gè)月后，不僅巷道上、下順槽被壓壞，而且距工作面停采線或切眼百米外的上（下）山巷道也受壓破壞。

為應(yīng)對這種局面，一般深部巷道采用高強(qiáng)度、長錨桿與全長錨固等支護(hù)技術(shù)的主要目的就是有效的控制圍巖破碎裂隙區(qū)，暫緩并進(jìn)一步防止圍巖破碎裂隙區(qū)向深部發(fā)展。同時(shí)也采用帶有底拱的巷道斷面，控制應(yīng)力分布，起到應(yīng)力的平均分布，維持巷道斷面完整。

（二）、在深井開采過程中，東海煤礦與黑龍江科技大學(xué)合作，在對深井巷道圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行研究得出成果后，針對這一破壞機(jī)理，在巷道圍巖支護(hù)方面進(jìn)行了改進(jìn)。

在巷道圍巖出現(xiàn)破壞之前，必須通過錨桿擠壓加固作用來提高圍巖體的強(qiáng)度，圍巖體的完整性必須得到保證，使巷道圍巖體與錨桿共同形成一個(gè)承載體。圍巖收縮變形實(shí)際也是壓力釋放的過程，一部分壓力在圍巖變形收縮過程中被釋放，一部分向圍巖深部轉(zhuǎn)移。巷道破壞一般首先從局部開始的，然后逐步擴(kuò)大破壞范圍，最終使巷道失效。

巷道圍巖收縮變形的最終目標(biāo)是巷道圍巖的壓力達(dá)到新的平衡，形成新的支護(hù)平衡系統(tǒng)。圍巖高應(yīng)力區(qū)加強(qiáng)支護(hù)，低應(yīng)力區(qū)減少支護(hù)，讓高應(yīng)力區(qū)變形小，低應(yīng)力區(qū)變形大，最終使巷道全范圍的收縮變形，即耦合協(xié)調(diào)變形，避免一些巷道圍巖因局部應(yīng)力大而破壞的狀態(tài)。

要達(dá)到這個(gè)目的，一是降低圍巖應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力，如巷道底角、肩部等區(qū)域的應(yīng)力集中程度；二是加大局部應(yīng)力集中區(qū)域的錨桿和錨索支護(hù)強(qiáng)度，使圍巖應(yīng)力靠錨桿和錨索的作用降低其應(yīng)力集中程度，利用同一斷面內(nèi)不同的支護(hù)強(qiáng)度，使巷道圍巖承受均勻壓力，最終使巷道達(dá)到耦合協(xié)調(diào)變形；三是利用 W型鋼帶、梯型鋼筋梁等使應(yīng)力轉(zhuǎn)移，靠W型鋼帶、梯型鋼筋梁在支護(hù)過程中的微小移動(dòng)或竄動(dòng)，把高應(yīng)力區(qū)的壓力向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到巷道各個(gè)部位圍巖應(yīng)力差減少，圍巖受力均勻。

在支護(hù)理念上進(jìn)行了以下改進(jìn)：

1）以護(hù)為主。由于巷道破碎裂隙區(qū)的存在，保護(hù)巷道圍巖破碎裂隙的完整性，使破碎裂隙范圍不擴(kuò)大，不漏頂，是保證巷道的穩(wěn)定性原則。要保護(hù)圍巖破碎裂隙范圍不擴(kuò)大，應(yīng)采取主動(dòng)支護(hù)方式，需要錨桿、網(wǎng)、鋼帶與噴漿支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)；

2）支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)能力保持協(xié)調(diào)。錨桿、托盤、鋼帶、網(wǎng)等受力均衡，力學(xué)參數(shù)一致。支護(hù)系統(tǒng)要有一定的柔性，為圍巖變形、讓壓留有空間；

3）巷道整體協(xié)調(diào)耦合變形。對巷道底角、肩部等關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)，使圍巖應(yīng)力協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，圍巖整體受力均勻；

4）優(yōu)化巷道斷面。對巷道底角與肩部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少該處應(yīng)力狀態(tài)，降低關(guān)鍵部位應(yīng)力集中程度；

5）加大巷道斷面。在目前支護(hù)技術(shù)、成本條件下不可能完全控制圍巖變形移動(dòng)，為圍巖的內(nèi)移留有空間，保證巷道斷面安全正常生產(chǎn)；

6）可操作性。提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)、維修速度的提高；

7）高強(qiáng)度支護(hù)。采用高強(qiáng)、長度大的錨桿，降低巷道支護(hù)成本與錨桿的間、排距。

（三）改進(jìn)支護(hù)方式后，對巷道圍巖受力狀態(tài)進(jìn)行對比：

新掘進(jìn)的巷道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖9所示。

巷道底鼓是深部巷道破壞的主要特征之一?？刂葡锏赖坠氖翘岣呦锏绹鷰r的自穩(wěn)能力，維持巷道圍巖完整的重要因素?？刂茋鷰r變形，必須對現(xiàn)有巷道斷面形狀進(jìn)行改革，減少因巷道斷面形狀引起的圍巖集中應(yīng)力。經(jīng)分析研究采用將直墻拱與全封閉拱相結(jié)合的一種半封閉巷道斷面形狀，此斷面形狀為拱形頂板、直墻、弧形底角、平底。這種巷道斷面形狀施工簡單，不影響巷道使用效能，最為重要的是能夠改善巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，減小巷道圍巖的破壞范圍，提高自身巷道底角留設(shè)底弧以后，巷道圍巖應(yīng)力集中程度較常規(guī)斷面形態(tài)有顯著變化，最大主應(yīng)力減小43%，最小主應(yīng)力減小69%，剪應(yīng)力減少43%。此外在頂?shù)装遄冃瘟糠矫嬉灿幸欢ㄗ兓?，其中頂板下沉量減少2%，底鼓量減少42%。

理論分析中這種帶有底弧的巷道斷面形狀明顯降低圍巖關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)，減少圍巖變形量，對巷道穩(wěn)定性起到了重要作用。

（四）實(shí)踐驗(yàn)證

分別在東海煤礦二水平五采區(qū)回風(fēng)下山四段新掘巷道、五采區(qū)32號與35號煤層聯(lián)絡(luò)石門維修巷道中進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，同時(shí)在-450水平大巷進(jìn)行了注漿加固實(shí)踐驗(yàn)證。經(jīng)歷了三個(gè)回采工作面的動(dòng)壓影響，巷道沒有維修，狀態(tài)良好。

現(xiàn)場測試了以下內(nèi)容：

（1）巷道表面頂?shù)装搴蛢蓭妥冃渭拔灰屏坑^測。觀測點(diǎn)均設(shè)置在每個(gè)巷道斷面的中部，基點(diǎn)長度要求均為200～300mm。每個(gè)斷面設(shè)4個(gè)基點(diǎn)，頂?shù)装搴蛢蓭透?個(gè)。

（2）深部圍巖移動(dòng)觀測。在試驗(yàn)段內(nèi)設(shè)置兩個(gè)觀測斷面，每個(gè)深部測點(diǎn)設(shè)2個(gè)位移計(jì)，分別為5m和2m。

（3）錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測。在試驗(yàn)巷道內(nèi)設(shè)置錨桿錨固力動(dòng)態(tài)觀測點(diǎn)，每個(gè)斷面設(shè)兩個(gè)測點(diǎn)，分別監(jiān)測頂板和兩幫錨桿及錨索的錨固力。

經(jīng)過四個(gè)月的測試與觀查，主要結(jié)果如下：

按兩種方案施工的巷道對比明顯。按原支護(hù)方案施工的巷道與新設(shè)計(jì)施工方案的巷道相比較有如下特點(diǎn)：初期頂?shù)装逡七M(jìn)量基本相同，但兩幫移近量相差很大。從圍巖移近量觀測數(shù)據(jù)上看，試驗(yàn)巷道在掘進(jìn)四個(gè)月后趨于穩(wěn)定，而按原方案施工巷道變形還在延續(xù)。半年后的補(bǔ)充觀測數(shù)據(jù)同樣證明，試驗(yàn)巷道在掘進(jìn)四個(gè)月后逐漸穩(wěn)定。原施工巷道圍巖的變形時(shí)間長，總的變形量大，破壞嚴(yán)重。因此支護(hù)時(shí)要對巷道頂板與兩幫同時(shí)考慮，支護(hù)強(qiáng)度要合理匹配，使圍巖受力均勻。如果頂板支護(hù)強(qiáng)度小，會造成頂板下沉量過大，頂板破壞和冒落；如果兩幫支護(hù)強(qiáng)度小，則兩幫移進(jìn)量大，最終使巷道整體破壞。

依據(jù)頂板離層數(shù)據(jù)，頂板下沉量主要來自巷道表面圍巖體，深部次之。有效地限制巷道表面圍巖變形量，才能保證巷道自身的穩(wěn)定。因此在采用錨桿支護(hù)時(shí)，要選擇高強(qiáng)度錨桿，還要按設(shè)計(jì)要求施加足夠的預(yù)緊力，把巷道淺部圍巖的變形破壞程度限制在最低范圍內(nèi)。

根據(jù)錨桿錨固力動(dòng)態(tài)監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，巷道施工后，錨桿拉力逐漸加大，在受到采動(dòng)影響時(shí)，頂板錨桿與肩部錨桿拉力同時(shí)加速增大，采動(dòng)影響結(jié)束后，錨桿拉力增量同步放緩，頂板與應(yīng)力高度集中的拱肩處在支護(hù)后受力同步發(fā)展，基本達(dá)到協(xié)調(diào)變形的目的。endprint