深层采煤围岩控制技术

摘要:近年来随着开采深度的不断增加,全煤巷道及软岩巷道的数量越来越多。围岩产生松动破坏及大变形的现象也越来越普遍,探索出一种适用于大变形深层采煤的围岩控制理论及合理的支护手段,势必对实现煤炭生产的安全、高产、高效产生巨大的促进作用。文章论述了深层采煤围岩控制技术的理论框架、存在的主要问题及有待于深入拓展的理论研究工作。

关键词:深层采煤;围岩稳定性;控制技术;矿压

中图分类号:TD823文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0062-02

早期围岩控制理论认为,围岩是被维护的对象,支架是承载的结构。巷道开挖后,围岩中产生应力重新分布。在此过程中伴随有围岩变形、破裂及松动的现象的发生,而这种破裂、松动岩体的重量须由支架全部承担。随着人们对巷道围岩受力变形规律的逐步深入,巷道围岩不再被认为是纯粹的施载体。对于围岩支撑压力分布以及围岩变形破坏规律的准确把握、揭示各种因素对其影响的力学机制等是对回采巷道围岩进行合理控制的前提。

一、问题的提出

在我国煤炭总储量中,厚煤层占了44.8%,分布于全国15个省、46个矿务局,年产量占煤炭总产量的45.6%。因此,厚煤层开采技术的发展对整个煤炭行业的发展起着举足轻重的作用。20世纪80年代后期,我国开始采用综采技术。目前,我国的综采技术已走在了世界的前列。大量生产实践表明,综采开采在采场和回采巷道的矿压规律及围岩控制方面与其他开采方法明显不同。近几年,关于综采采场的煤岩稳定性及其控制的研究得到了国内外学者的重视,并取得了大量的成果。但是在深层采煤的矿压规律方面,还需开展大量的研究工作。

因此,进一步研究深层采煤围岩稳定性及控制理论、确定安全可靠的支护方法和经济合理的支护参数是急需解决的重大理论及技术问题。

二、深层采煤围岩控制技术

传统的巷道支护技术主要包括木材支架、工字钢为主的刚性支架、U型钢可缩性支架。巷道中常用的木材支架是梯形棚子。它重量轻,具有一定强度,加工容易,特别适应于多变的地下作业条件。其缺点是强度有限,不能防火,服务年限短。目前煤炭工业中木支架的使用量也越来越少。

矿用工字钢刚性支架的架型主要有梯形、拱形和封闭形,其中使用最多的是梯形。刚性支架只能使用在围岩比较稳定、变形较小,压力不大的巷道中。梯形刚性金属支架有一梁二柱和加设中柱两种形式,梁腿之间有各种接榫结构,支架与围岩之间一般使用背板。

U型钢可缩性支架包括拱形、梯形和封闭形。其中拱形可缩性支架是国内外使用最广泛的一种架型,它具有结构简单、承载力大、可缩性能好、适应性强等优点。特别在以下条件下使用更为适宜:围岩压力较大的巷道;顶压较大侧压较小、倾角较小的煤层巷道:受采动影响的大巷和石门;有煤层自燃发火趋势的巷道。

锚杆支护已经广泛用于各个工业部门及各种地下工程中,但对锚杆支护作用原理的认识仍不完善,需要以工程实践为基础。通过实验和模拟方法,使认识不断深化,使锚杆支护理论进一步完善,使锚杆支护分析与设计由经验法进入理论分析阶段。

锚杆支护理论的经典内容是以各种假说为基础的理论。这些假说或以实验为基础,或以特定围岩条件下的工程实践为依据,经过简化假设,从不同侧面反映了锚杆支护加固围岩的作用机理,而且力学模型简单,计算方法简明易懂,得到了广泛承认和应用。但是,这些理论往往过于简单,并且多数是将锚杆的加固围岩作用与岩体自稳效应分离开,因此理论分析和实际情况差别很大。

另一方面,有人将锚杆的作用等效为围岩力学参数的改善。例如,认为锚杆刚度限制了围岩分离和滑动,相当于改善了围岩力学特性,然后应用工程力学原理进行理论分析。这种方法虽然可以得到实验室试验的部分验证,但试验并不能真实模拟实际情况,并且等效加固圈的力学参数根难确定,因此,不仅证据不足,而且难以定量分析。

从工程力学角度,端头锚固锚杆的作用可以简化为一对集中力,全长锚固锚杆的作用可以简化为分布力,并考虑锚杆介质对围岩力学参数的改善,考虑支架与围岩相互作用,利用解析解或数值解进行分析。但是,由于岩体力学发展的水平还不足以提供分析所要求的精确初始条件、边界条件和力学参数等,因此,尽管各种工程数值计算方法已发展到了较高水平,仍不足以对地下工程的锚杆支护提供足够精确的解答。总之,目前锚杆的支护理论尚不成熟,可以认为仍处于理论探索与对支护机理的定性认识阶段。

三、现存的主要问题

从目前的发展看,深层采煤的矿压理论和围岩控制技术是制约开采发展的主要因素之一。主要表现在以下几个方面:

1.对深层采煤围岩矿压规律的认识还不够全面和准确,尤其是经历两次回采影响的深层采煤的矿压显现规律的认识还很不完善。

2.深层采煤围岩控制理论尚存在着一定的局限性。

3.对锚杆支护锚固结构的变形机理及变形适应性的认识还显缺乏。

4.现有锚杆支护理论存在一定的局限性,难以满足复杂条件尤其是全煤巷道围岩支护设计的要求。

5.对锚杆支护的对象及任务的认识还不够明确与具体。

6.对不同保护煤柱条件下的煤柱的受力情况及破坏形式的研究不充分,表现在实际生产中,护巷煤柱尺寸的留设一直采用经验法,往往造成大量的煤炭损失。

四、有待于发展的技术

综合以上分析,要完善深层采煤围岩控制理论、扩大锚杆支护技术的应用范围,将其推广应用到恶劣围岩条件的巷道支护中,还应开展大量的工程试验及理论研究工作,其中理论研究工作包括:

1.深层采煤围岩矿压显现规律的研究。力学性质及结构特征是巷道围岩产生变形、破坏的内因,载荷特征(大小及作用方式)是巷道围岩产生变形的、破坏的外因。所以,应深入研究不同载荷条件下巷道围岩的变形、破坏规律。分析围岩在不同变形、破坏阶段的平衡结构特性,研究巷道围岩强度破坏与工程破坏之间的差异及相关规律,揭示围岩稳定一失稳的本质。

2.深层采煤围岩控制理论的研究。大量工程实践证明,不同自然条件和生产技术条件下巷道围岩将会具有不同的矿压显现特征,对具有不同矿压显现特征的巷道应遵循不同的围岩控制原则并采取不同的支护措施,不同巷道在不同支护条件下将会表现出不同的稳定性特征。因此,应深入研究不同支护条件下的支护一围岩相互作用原理,完善不同条件下的围岩控制理论,为扩大锚杆支护的应用范围创造条件。

3.锚杆作用机理的研究。进一步研究现有锚杆支护方法中锚杆的加固机理。揭示不同锚固形式的锚杆在不同使用条件下的作用本质,研究不同锚固形式所形成的锚固体力学特性,使现有锚杆理论更加完善。

4.锚杆变形机理的研究。研究锚固体处于不同物性状态时的变形机理、最大允许变形量等,掌握不同形式锚固体的变形特性及其适用范围。

5.锚固体结构特性研究。进一步研究顶、帮锚固体所形成的不同形式的锚固结构的性能特点及其适应性,探索适合恶劣条件下巷道围岩控制的锚杆支护整体结构形式,为回采巷道乃至全煤及软岩巷道围岩的锚杆支护设计提供可靠的理论依据。

6.进一步研究不同护巷煤柱时,煤柱的受力和破坏,为保护煤柱的留设提供合理的理论基础。

参考文献

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