花園煤礦0.9Mta新井設計含5張CAD圖.zip

花園煤礦0.9Mta新井設計含5張CAD圖.zip,花園,煤礦,0.9,Mta,設計,CAD 英文原文 Processing of coal mine gas with low methane concentrations for use in high-temperature fuel cells Torsten Brinkmann, Carsten Scholles, Jan Wind, Thorsten Wolffa, Andreas Dengel, Wulf Clemens Institute of Polymer Research, GKSS Research Centre Geesthacht GmbH, Max-Planck-Stra?e 1, 21502 Geesthacht, Germany Tel. +49 (0) 4752 872400; Fax: +49 (0)4752 872444; email: torsten.brinkmann@gkss.de STEAG Saar Energie AG, Technische Innovation, St. Johanner Stra?e 103, 66115 Saarbrücken, Germany OTS Ingenieurgesellschaft mbH, Lessingstra?e 28, 66121 Saarbrücken, Germany Received 15 January 2007; Accepted 20 February 2007 Abstract Coal mines are emitting off-gases containing methane of varying content. For environmental as well as economical reasons the gas should be collected and put to further use, i.e., as a feed stock for gas engines or fuel cells. Certain concentration ranges of the coal mine gas require an adjustment of the methane content due to safety related and technical constraints. The application of gas permeation is one possibility to increase the methane content to the desired levels. Employing methane selective, silicone-based, high-flux membranes is currently being investigated by a German project consortium. Experimental results as well as simulation studies showed that selectivity and flux of the membrane are sufficient to increase the methane content to the desired value at a reasonable recovery. Keywords: Gas permeation, methane recovery 1. Introduction Coal mines are emitting off-gases containing methane. The methane concentrations range from 20 vol.% for coal seam methane (CSM) from active mines to 80 vol.% for coal mine methane(CMM) from closed-down mines. As such it can be considered as an energy-rich resource and is collected by suction systems to be fed into pipelines for domestic and industrial consumption as well as to decentralised power generation units as gas engines or high-temperature fuel cells. Within Germany an additional benefit is that methane emitted from coal mines counts as a renewable energy and hence falls under the renewable energy legislation with the associated economical benefits. Another important reason for drawing off the emitted methane is its ecological impact when vented to the atmosphere: methane is 20 times more harmful a greenhouse gas compared to carbon dioxide. However, methane contents below 35 vol.% cannot be used in gas engines and fuel cells. An additional aspect is safety: depending on methane and oxygen concentrations, the coal mine gas might form an explosive mixture. In these cases suction and/or compression of the gas is prohibited by safety regulations and the gas is vented to the atmosphere for operating mines whilst the recovery is simply being stopped for closed down mines. One possibility to increase the methane content and hence prevent venting of the gas is to apply a gas permeation process using methane selective membranes. Steag Saar Ener-gie, an operator of coal mine gas pipeline networks and power plants in the German Federal State Saarland, the engineering consultant OTS and the GKSS Research Centre Geesthacht GmbH formed a consortium to investigate this technology. In a second stage of the project, the E&C Company Borsig Membrane Technology is also involved. The project is funded by the German Ministry of Economics and Technology. 2. Process description and process design Feeding the gas into a pipeline at a pressure of 9 bar is conducted in a two-stage process. In the first stage gas is drawn from the coal mines by blowers. Subsequently compressors provide the pipeline pressure. The oxygen content of the gas defines concentration ranges for which certain compression stages are allowed. Hence there are several possible options for integrating a membrane unit into the process. It was decided to design a pilot process possessing the flexibility to be employed at different pressure levels. Furthermore, two membrane modules can be installed so that two-stage operation is possible. Fig. 1 shows a simplified flowsheet of the pilot plant. The feed gas can be directed to either of the two membrane modules by means of valves. The driving force for the high pressure stage is generated by compressors. The permeate is at a pressure of 1.3 bar and either forms the methane enriched product gas or, in case the required methane content cannot be achieved by one-stage operation, is fed to a second low-pressure stage. For this stage a vacuum pump operating at a pressure of 150 mbar supplies the driving force. A recycle compressor can be employed to feed the retentate of the low-pressure stage back to the feed side of the high-pressure stage. If only operation of the blowers is allowed, the low-pressure stage on its own can be employed to upgrade the coal mine gas. The membranes employed are silicone based high-flux membranes. The methane/nitrogen selectivity of this material is limited, but still allows for an increase in methane concentration to the required level of 35 vol.% in the permeate, provided the methane content in the feed is high enough. For the process design, application of GKSS envelope-type membrane modules [1] was assumed. However, in later stages of the project the use of spiral-wound membrane modules is also planned. In order to predict the operating behaviour of the unit, it was modelled using the equation-oriented process simulator Aspen Custom Modeler?. The model employed for simulating the membrane modules accounted for real gas behaviour and concentration-dependent permeation as previously described [2]. Fig. 2 shows the simulated performance of the low-pressure stage. The operating conditions are given in the figure. It is apparent that a methane content exceeding 35 vol.% in the permeate can only be achieved if the methane concentration in the feed is higher than 23 vol.%, when carbon dioxide is present in the feed gas. In case no carbon dioxide is present only 21 vol.% of methane are required in the feed. The carbon dioxide content of the feed gas influences the performance of the gas permeation unit since the permeance of carbon dioxide is considerably higher than that of methane for silicone based membrane materials. Furthermore does carbon dioxide induce swelling of the membrane and hence influences the permeation rates of the other components present. The carbon dioxide content has also an impact on the recovery. With no carbon dioxide present, methane, nitrogen and oxygen are permeating independently. If carbon dioxide is present in the feed the predicted results are different: the membrane is plasticized and additional permeation pathways are being formed. These allow increased amounts of methane pass through the membrane and thus increase recovery, albeit on the expense of a reduced permeate purity. fig. 1. Simplified flowsheet of two stage gas permeation process. Fig. 2. Simplified flowsheet of two stage gas permeation process. For a two-stage process as indicated in Fig. 1 operated with a feed pressure of 9 bar and a feed flowrate of 200 Nm3/h, a feed methane concentration of 16.5 vol.% is required to achieve 35 vol.% of methane in the product at maximum carbon dioxide concentration. Furthermore is the methane recovery positively affected. This performance increase is however at the expense of additional investment and operating costs due to the more complex plant layout and the energy consumption of the recycle compressor. The pilot plant is currently in the commissioning phase at a Steag site. First experimental results obtained from the low-pressure stage indicate that the methane content can be enhanced at a reasonable recovery. The high pressure stage has been delivered to the site and will be tied into the process. Fig. 3 shows a photograph of this stage. Fig. 3. High-pressure stage Fig. 3. High-pressure stage. 3. Conclusions and future work The theoretical studies conducted so far indicate that gas permeation processes can be employed to increase the methane content of coal mine gas so that it can be employed as a feed stock for decentralised power generation units. However, various process parameters as well as overall performance have to be evaluated by means of pilot plant operation. Aspects to be investigated include: （1）use of different membrane module types, i.e. envelope type and spiral wound; （2）validation of simulation tools by pilot plant data;influence of the carbon dioxide content on the performance; （3）control of the unit with respect to safetyrelevant changes in methane and oxygen con centrations in the feed and the resulting influence on the quality of the product (permeate) gas; （4）long-term stability of the membrane process with respect to "real world" operation, i.e.assessment of the influence of changing compositions, possible condensation and entrainment of dust or compressor oil on the operating performance; （5）economical evaluation of the process. References [1] W. Hilgendorff, G. Kahn and J. Kaschemekat, DE Pat3507908 C2, 1988. [2] T. Brinkmann, Modellierung und Simulation der Membranverfahren Gaspermeation, Dampfperme tion und Pervaporation in Membranen, K. Ohlrogge and K. Ebert, eds., Wiley-VCH, Weinheim, 2006. [3] A. Alpers, Hochdruckpermeation mit selektiven Polymermembranen für die Separation gasf?rmiger Gemische, Ph.D. Thesis, University of Hannover, 1997. 中文譯文 高溫度燃料電池處理煤礦低濃度瓦斯 Torsten Brinkmanna, Carsten Schollesa, Jan Winda, Thorsten Wolffa, Andreas Dengelb, Wulf Clemensc 聚合物研究協會，GmbH公司GKSS研究中心， 德國，Geesthacht，Max-Planck-Stra?e 電話： +49 (0) 4752 872400; 傳真: +49 (0)4752 872444; 電郵: torsten.brinkmann@gkss.de 摘要:煤礦排出的氣體中包含有不同含量的甲烷，無論是環(huán)境還是經濟因素，我們都應當收集起來加以利用，比如，可以作為燃料發(fā)動機或者燃料電池的能源。由于安全和相關技術方面的限制，我們需要重新調整煤礦排出的瓦斯氣體的濃度，氣體滲透是一種使甲烷氣體達到我們期望濃度的一種方法。目前一家德國企業(yè)正在研究利用甲烷的可選擇性，硅樹脂為基礎的高通透膜，實驗結果，以及模擬研究顯示，選擇性和通透膜足以使甲烷含量達到一個理想的值。 關鍵詞：氣體滲透，甲烷回收 1.導言 煤礦排除的氣體中含有甲烷，甲烷的濃度范圍從活躍礦山煤層甲烷（CSM）的20%到非活躍礦山煤層氣（CMM）的80%。因此，它可被視為一個能源豐富的資源，通過抽風機壓入管道，為家庭和工業(yè)消費以及為分散式發(fā)電單位，燃氣發(fā)動機或高溫燃料電池提供能源。在德國一個額外的好處是，甲烷排放的煤礦數目是一個可再生能源，因此，復合可再生能源的立法與相關的經濟效益。 我們要禁止排放甲烷的另一個重要原因是其對生態(tài)環(huán)境的影響，甲烷的溫室效應是CO2氣體的20倍，然而當甲烷含量低于35%時不能用于燃氣發(fā)動機號和燃料電池，另一方面又是安全的：根據甲烷和氧氣濃度，煤礦瓦斯可能形成爆炸性混合。在這些情況下，抽風機和/或壓風機違反了安全規(guī)例，將違規(guī)氣體排放出來的煤礦可能被叫停，其中一個可能性，增加甲烷含量，從而防止排除的氣體適用于氣體滲透過程中使用甲烷選擇性滲透膜。Steag Saar Ener-gie，一個煤礦瓦斯管道網絡工作的操作員和在德國的薩爾州的聯邦國家的發(fā)電廠，工程顧問OTS和GKSS研究中心Geesthacht GmbH公司成立了一個協會來研究這種技術。在工程的第二階段，E&C Company Borsig Membrane Technology也參與了，該項目的經費由德國經濟部和技術提供。 2. 過程描述和工藝設計 以大氣壓九倍的壓力將氣體壓入管道的過程經歷了兩個階段的過程，第一階段的氣體來自煤礦風機，隨后空氣壓縮機提供管道的壓力，瓦斯中氧氣定義了某些壓縮階段允許的含量，因此，有幾個可能的備選方案集成了膜單位加入這一進程。這就決定要在不同的壓力條件下設計一個靈活性的實驗過程。此外，安裝二模組件，使兩個階段的運作是可行的，圖1顯示了一種簡化的流程實驗裝置通過任意一個模組件的閥可向管道中導入氣體，空氣壓縮機產生了高壓力，滲透是在1.3巴（巴：氣壓單位=750mm汞柱）氣壓或者任何形式的富化產品下進行的，如果所需的甲烷不能在第一階段滿足要求，則壓入第二階段，這一階段由具有150m巴的真空泵提供壓力，可以使用循環(huán)壓縮機將第一階段未能透析的滯留物壓回到高壓階段，如果僅僅使用鼓風機是可以的，在低壓階段就可以提高煤礦瓦斯含量。 滲透膜是以有機硅為材料的高通量模膜，對甲烷/氮具有選擇性的材料室有限的，但是仍然可以將甲烷濃度增加到要求的35%的水平，提供到管道中的甲烷的濃度已足夠高，為工藝設計，應用GKSS信封式膜組件[1]是假設，不過，在稍后階段，該項目已計劃使用螺旋式膜組件。 為了預言個體的經營行為，這是利用方程的面向過程模擬器Aspen自定義建模的藍本。該模型利用模擬膜組件，占實際氣體的情況和濃度依賴性正如先前所描述的[ 2 ] 。圖2顯示了低壓力階段的模擬表現，在數字中給出了操作條件，很明顯，當瓦斯中含有CO2時，如果甲烷濃度超過23%，滲透才能夠達到甲烷含量超過35%，在不含有CO2而甲烷含量在21%的情況下，管道中CO2氣體含量影響氣體單位性能，因為CO2的對硅樹脂材料的滲透性比甲烷要高得多，此外，是否是CO2引起了滲透膜的膨脹而導致其他組件的滲透性發(fā)生了變化呢？CO2的含量影響滲透效果。在不含有CO2的情況下，甲烷、氮氣、氧氣的滲透是互不影響的。如果混合氣體中含有CO2，預測結果將是不同的：滲透膜滲透性將增加，而且還會引起額外的滲透。這雖然影響了滲透的純凈性，但是增加了甲烷的滲透量，提高了甲烷回收率。 圖1 簡化的流程實驗裝置 圖2 低壓力階段的模擬表現 圖1中顯示了兩個階段的過程，在9巴壓力和氣體流量為200Nm3/h的操作條件下，在CO2濃度最高的情況下甲烷濃度為16.5%混合氣體必須滲透達到35%的要求，此外就是甲烷回收的顯著效果。需要為工廠建設和空氣壓縮機投資運營成本。 目前設于Steag的試驗廠正處于調試階段，從第一實驗階段即低氣壓階段取得的成果來看，甲烷的含量可以提高的一個合理的水平，高壓力階段已經交付試驗廠，即將達到這一階段，圖3的照片顯示了這一階段。 圖3 高壓力階段 3.結論和未來的工作 理論進行的研究表明，到目前為止， 這種氣體的滲透過程可以用于礦井瓦斯以增加甲烷的含量，以便它能夠被用于發(fā)電廠的能源。然而各種實驗參數和整體表現需要實驗室的各種操作來評價，各方面的研究包括： （1）使用不同的膜組件類型，例如：包膜類型和螺旋類型； （2）通過實驗室數據進行模擬工具的驗證；CO2濃的含量對滲透性的影響； （3）在含有氧氣和甲烷的安全的情況下控制單位量，觀察對產品質量的影響； （4）滲透膜能夠長期穩(wěn)定的工作在“真實世界”中，即：成分改變對評估的影響，可能凝結或者夾帶粉塵和壓風機油對操作性能的影響； （5）經濟性評價過程。 參考文獻 [1] W. Hilgendorff, G. Kahn 和 J. Kaschemekat, DE Pat3507908 C2, 1988. [2] T. Brinkmann, Modellierung und Simulation der Membranverfahren Gaspermeation, Dampfpermetionund Pervaporation in Membranen, K. Ohlroggeand K. Ebert, eds., Wiley-VCH, Weinheim, 2006. [3] A. Alpers, Hochdruckpermeation mit selektiven Polymermembranen für die Separation gasf?rmiger Gemische, 博士研究生論文, 漢諾威大學，1997. 淺析深井巷道支護技術 摘要：隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,礦井開采正經歷著一個由淺到深、由簡單到復雜的過程,深部礦井逐漸增多。影響巷道穩(wěn)定性的因素也隨著增加,深部巷道支護問題越來越引起人們的重視。 本文通過對深部巷道礦壓特點、變形規(guī)律、巷道破壞機理、圍巖影響因素以及巷道支護技術的理論研究,提出了深井巷道礦壓的控制應該著重考慮巷道的優(yōu)化布置和改善巷道的支護形式, 實現支護材料與圍巖間剛度匹配、強度匹配、變形匹配、結構匹配才能有效地維護圍巖的穩(wěn)定。充分發(fā)揮以錨桿為主體的新型支護以及錨噴、錨索、錨網等聯合支護形式。 關鍵詞：深部開采；礦壓顯現特征； 支護技術 0引言 隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,礦井開采正經歷著一個由淺到深、由簡單到復雜的過程,深部礦井逐漸增多。影響巷道穩(wěn)定性的因素也隨著增加,深部巷道支護問題越來越引起人們的重視,煤礦深部開采中的巷道支護成為重要部分。 1緒論 1.1國內外煤礦深井開采的現狀 煤炭資源從淺部開始開采，隨著煤炭采出，開采煤層的埋藏深度必然要增加，開采規(guī)模擴大和機械化水平提高加速了生產礦井向深部發(fā)展。煤礦深井開采是世界上大多數主要采煤國家目前和將來要面臨的問題，隨著能源需求量大，礦井延深速度加快，一些國有煤礦已開始轉向或即將進入深部開采。由于不同的產煤國家在煤層賦存的自然條件、技術裝備水平和開采技術上的差異、以及在深部開采中出現問題的程度不同。因此國際上尚無統一和公認的根據采深劃分深井的定量標準。根據本國國情，一些采煤國家的學者對深井的界定提出的一些見解和論述。前蘇聯的一部分學者將采深超過600m的礦井歸于深井，而另一部分學者把采深800m作為深井的標準。原西德學者把采深800~1200m定為深部開采，把1200m以下稱為超深開采。英國與波蘭把煤礦深部開采的起點定為750m，日本定為600m。我國的中國煤礦開拓系統一書提出按開采深度將礦井劃分為4類，各類的深度范圍見表1-1。 表1-1 中國煤礦開拓系統按開采深度對礦井分類 礦井類別 淺礦井 中深礦井 深礦井 特深礦井 采深H/m <400 400~800 800~1200 ≥1200 在世界主要采煤國家中，德國、英國、波蘭、俄羅斯、日本等都有深部開采礦井。英國煤礦的平均采深為700m，最深的達1000m。德國煤礦礦井的平均采深為947m，最深的達1713m。波蘭煤礦的平均采深為690m，最深的達1300m。俄羅斯已經有許多礦井采深達到1200~1400m。我國國有煤礦生產礦井中，采深大于700m 的有50處,占總數的8.35%，采深已超過800m 的礦井有25處，分布在開灤、北京、雞西、沈陽、撫順、新汶和徐州等開采歷史較長的老礦區(qū)，特別是東部礦區(qū)。在采深超過1000m 的礦井中，有沈陽彩屯礦(1199m)、開灤趙各莊礦(1160m)、新汶孫村礦(1055m)、北票冠山礦(1059m)和北京門頭溝礦(1008m)。開灤唐山礦、馬家溝礦和林西礦、北票臺吉礦、新汶華豐礦和阜新王家營礦等礦井的開采深度接近1000m。預計10~20年后，開采深度大于700m 的礦井將不斷增加。由此可見，深部礦井的開采技術既是當前一些礦井面臨的問題，也是我國煤炭工業(yè)長遠發(fā)展需要十分重視和研究解決的問題。 1.2 煤礦深井開采存在的問題 1.2.1礦壓顯現對巷道維護的影響 隨著礦井采深的不斷增加,礦井逐漸出現礦壓顯現強烈，巷道維護困難，地溫升高和勘探困難，開采條件惡化，生產技術效果和經濟效益下降等問題。一方面,巷道斷面必需加大；另一方面,地壓增大,在深部高應力作用下，圍巖移動更為劇烈,巷道產生變形破壞更為嚴重。深井巷道維護問題已成為整個礦井生產系統中的最薄弱環(huán)節(jié)。 1.2.2沖擊地壓對巷道維護的影響 我國發(fā)生沖擊地壓的深度在200~1000m,由于開采深度的增加,煤巖體應力升高,有沖擊地壓危險的煤層數量增加,有沖擊地壓的礦井逐漸增多。經調查發(fā)現,沖擊地壓發(fā)生的次數、強度和危害程度隨深度的增加日趨嚴重。 1.2.3煤與瓦斯突出對巷道維護的影響 我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴重的國家之一,截止1986年,已發(fā)生突出的礦井200多個,突出次數約為 12000次,約占世界發(fā)生總突出次數的 1/3。而且煤與瓦斯突出的危險越來越頻繁。光從2008年就可以看出,全國煤與瓦斯突出的礦井計754處,比2007年增加了55處。從國內外開采實踐上看，礦井深部開采時瓦斯涌出量一般比較大,煤與瓦斯突出的問題已成為深部開采中不容忽視的重要問題。 1.2.4 礦井生產費用升高，經濟效益下降 隨著采深的增加，勘探強度加大，地壓、地溫升高，沖擊地壓及煤與瓦斯突出危險增大，相應的要采取一系列措施，如增加設備，加強支護等。同時，井下需要維修的巷道長度增加，到工作地點的距離和時間增加，提升高度大、時間長，主副井提升系統、排水系統環(huán)節(jié)增多，通風系統趨于復雜。這些都導致煤炭生產成本增加，噸煤成本生產費用提高，經濟效益迅速下降。 1.3 主要研究內容和預期達到的目標及研究意義 在已有研究成果的基礎之上，本文主要研究以下幾個問題： （1）深井巷道圍巖變形影響因素及其變形規(guī)律； （2）深井巷道圍巖變形機理； （3）深井巷道圍巖變形控制的支護對策及錨桿支護參數設計。 采取的研究方法：在廣泛閱讀收集資料的基礎上，采用力學理論分析綜合對比等方法，以期得出深部巷道圍巖變形的機理及其制約因素，進而得出巷道支護設計參數。隨著我國煤礦開采規(guī)模的擴大,開采深度的逐漸增加,深部開采已經成為煤礦生產的必然過程。深部開采中遇到的礦壓、地熱、瓦斯等主要技術問題日益增多,對當前的煤礦生產和今后礦井建設的影響日趨嚴重。因此,如何面對深部開采的復雜地質條件,及時解決深部開采所涉及的技術性問題，從長遠看，它將對安全、經濟、合理地開發(fā)深部煤炭資源有重要的戰(zhàn)略意義。 2 深井巷道壓力特點及變形規(guī)律 2.1 深井巷道礦壓顯現的基本特點 隨開采深度的增加產生巖石溫度增加，地壓增大，巖石破壞過程強化，巷道圍巖變形劇烈，沖擊地壓強度增大和頻度增加等自然現象。它將嚴重影響著煤礦的安全生產和經濟效益。深部煤層開采復雜化的主要影響因素是礦山壓力，在高應力作用下，圍巖移動更為劇烈，巷道產生變形和破壞也更為嚴重，巷道圍巖變形速度快、變形量大，巷道周邊變形范圍大；巷道對支架的工作特性要求高，初撐力、工作阻力和可縮量均大，即使開掘在底板巖石中的巷道，用拱形金屬支架和各種結構封閉式支護的巷道有時也有巨大變形。巷道從使用期間維護困難已發(fā)展到掘進期間維護困難，掘出后廢棄的巷道增多，巷道掘好后不久將失穩(wěn)，圍巖收縮變形較大，其巷道穩(wěn)定性隨深度增加而逐漸惡化，使深部巷道的維護費用劇增。 2.2 深井巷道圍巖變形規(guī)律 在重力、工程偏應力、地質構造、巖性、動壓等諸多因素的影響下，深井巖石巷道圍巖具有如下的變形規(guī)律: （1）深井巷道圍巖具有軟巖流變特性。 （2）深井巷道圍巖變形具有明顯的時間效應。 （3）深井動壓巷道圍巖自穩(wěn)時間短，收斂變形量大。 2.3 深井巷道變形特點 2.3.1 巷道變形量大 深井巷道礦壓顯現的顯著特點之一是巷道開挖就產生大的收斂變形量。這一特點是由深井巷道圍巖處于破裂狀態(tài)和深井巷道圍巖有較大的破裂范圍決定的。 圖2-1 頂底板移近量與開采深度的關系 圖2-2 巷道變形量隨采深變化的理論 前蘇聯的研究表明，隨開采深度加大，巷道變形量呈近似線性關系增大，從600m開始，開采深度每增加100m，巷道頂底板相對移近量平均增加 10%~11%，如圖 2-1所示。理論分析表明，深部開采的巷道變形量隨開采深度增大呈近似直線關系增大，如圖 2-2 所示，開采深度每增加 100m 的巷道變形增量與巖體強度有關。 2.3.2 掘巷初期變形速度大 深井巷道礦壓顯現的另一個顯著特點是，巷道剛掘出時的變形速度很大。巷道掘出后，變形速度隨時間的延續(xù)呈負指數曲線急劇衰減，經過一定時間后趨于穩(wěn)定，如圖2-3所示。巷道收斂變形主要是由于處于殘余強度狀態(tài)的破裂區(qū)圍巖破裂膨脹變形的結果。因此，深井巷道變形速度的上述規(guī)律表明：（1）巷道圍巖破裂區(qū)的形成經歷了一個時間過程(此時間過程的長短與圍巖破裂范圍即破裂區(qū)厚度有關)；（2）深井巷道圍巖破裂的發(fā)展速度在巷道剛開掘時較快，以后逐漸衰減，直至破裂區(qū)完全形成。 圖2-3 深井巷道變形速度特點 2.3.3 變形趨于穩(wěn)定的時間長和長期蠕變 變形趨于穩(wěn)定要經歷一個較長的時間過程是深井巷道礦壓顯現的又一大特點。從圖2-3可見，巷道的變形穩(wěn)定期(變形趨于穩(wěn)定經歷的時間)約兩個月。巷道變形穩(wěn)定期與圍巖破裂范圍大小有——破裂區(qū)厚度越大，巷道變形穩(wěn)定期越長。雖然深井巷道開掘后要經過較長時間變形才能趨于穩(wěn)定，但巷道的收斂變形大部分發(fā)生在開掘后較短的一段時間內。掘巷引起的巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定后，變形速度維持在一個較低水平。此后，巷道圍巖保持這一速度不斷變形，長時期處于蠕變狀態(tài)，直至受采動影響。 2.3.4 巷道底臌量大 底臌量大是深井巷道礦壓顯現的又一個顯著特點。而且，從國內外的有關報道看，深部開采的巷道底臌現象具有普遍性。據前蘇聯對部分深井資料的統計分析：（1）隨開采深度增大，易于產生底臌的巷道比重越來越大；（2）底臌量及其在頂底板相對移近量中所占的比重隨開采深度增大而增大。 2.3.5沖擊地壓發(fā)生的頻率和強度增大 理論研究和生產實踐都表明，礦山沖擊地壓的發(fā)生、發(fā)生的頻率和沖擊強度與開采深度有密切的關系。隨開采深度增加，煤、巖體因變形而積聚的能量呈二次方關系增加。因此，在深部開采條件下，煤、巖體中積聚了巨大的能量，當采礦活動引起的能量釋放速度大于煤、巖體破壞消耗的能量速度時，導致沖擊地壓的發(fā)生?？傊?，深部開采發(fā)生沖擊地壓的頻率大大增加，沖擊的強度顯著增大。深部開采的沖擊地壓問題在巖體強度較大的礦山更為突出。 2.4深井動壓巷道破壞機理 隨著開采深度的增加，巷道圍巖處于高地應力的作用之下，還要受到采動的影響，在淺部表現為硬巖的巖石會逐漸過渡到軟巖范疇，會呈現大地壓、難維護局面。此種意義上的圍巖變形主要指在重力作用下巷道圍巖的變形破壞。這種破壞具有與深度有關而與方向無關（構造應力作用時除外）的特點。剛性支護不能適應圍巖的無休止的流變變形。另一方面，巷道在開挖后，圍巖應力狀態(tài)發(fā)生了較大的改變，切向應力在巷道壁附近出現局部集中，距巷道壁愈遠則愈接近原巖應力狀態(tài)。這時巷道圍巖中任一點其應力狀態(tài)可用二階應力張量表示。而此二階應力張量可分解為兩部分，即球應力張量和偏應力張量。球應力張量不引起形變，它是一種三向均壓狀態(tài)。偏應力張量引起巷道圍巖的變形破壞，因此工程開挖引起的偏應力局部集中是深井巷道圍巖變形破壞的另一主要原因。巷道在掘進工程中，不可避免的要遇到地質構造，如斷層破碎帶、背斜、向斜軸、褶皺帶等，由于煤層群的開采，巷道圍巖還要受到重復采動的動壓影響，雖然有煤柱保護，但實踐證明，由于開采方法的不合理，巷道多數遭到破壞。研究表明，深井動壓巷道，特別是圍巖強度相對較弱的巷道，圍巖的主要破壞形式和變形機理為擠壓流動變形，其特點是巷道的圍巖為己經遭受過變形破壞的軟弱破碎巖體，在受采動影響或隨時間流變時，這些軟弱破碎圍巖的再變形破壞過程中的體積碎脹導致巷道發(fā)生大的變形。 2.5深井巷道圍巖破壞范圍的影響因素 圍巖普遍處于破裂狀態(tài)是深井巷道礦壓的主要持點之一。巷道圍巖破裂范圍——破裂區(qū)厚度是圍巖應力與圍巖強度共同作用的結果，可以作為評價深并巷道穩(wěn)定性和支護難易程度的指標。并且，圍巖破裂是深井巷道變形量大的根本原因，破裂區(qū)厚度是巷道變形量的主要決定因素。顯然，巷道圍巖破裂范圍——破裂區(qū)厚度是深井巷道礦壓控制的一個重要的基礎參數。 （1）開采深度的影響 ①隨開采深度增大，圍巖破裂區(qū)厚度開始時呈非線性增大，速度較快。以后逐漸變緩，呈近似線性關系增大； ②開采深度對圍巖破裂區(qū)厚度的影響程度與巖石力學性質關系密切：巖體強度越大，影響越小，反之，則影響越大。在一定的應力條件下，圍巖處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)，決定于其極限強度大??；而圍巖處于塑性狀態(tài)還是破裂狀態(tài)，則不僅取決于它的極限強度，而且取決于它的殘余強度和應變軟化程度，特別是殘余強度。分析表明，與巖體極限強度相比，殘余強度對巷道圍巖破裂區(qū)厚度的影響更為突出。 （２）極限強度的影響 在開采深度、巖體殘余強度和應變軟化程度等條件一定時，巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨巖體單向抗壓極限強度增大而減小。 （３）殘余強度的影響 圖2-4 破裂區(qū)厚度隨開采深度變化的規(guī)律 當巖體單向抗壓殘余強度 小于其極限強度σc 的5%~10%即 /σc<0.05~0.10時，巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨殘余強度的減小急劇增大；而當殘余強度大于極限強度σc的 20%，即/σc>0.20時，圍巖破裂區(qū)厚度的減小不明顯。巖石力學性質的實驗室試驗表明，巖石(體)的殘余強度一般遠小于其極限強度，因此，加固圍巖，提高其殘余強度應作為深井巷道礦壓控制的一個重要內容。 （４）應變軟化程度的影響 應變軟化系數是描述巖石破裂后強度隨應變增大衰減幅度大小的參數。應變軟化系數k越大說明巖石的應變軟化程度越大。當其它條件一定時，巖石的應變軟化程度越大即k越大。巷道圍巖破裂區(qū)厚度越大，反之，則越小。 （5）支護的影響 支護在巷道圍巖破裂中的作用是一個相當復雜的問題，這里主要從理論上討論支護阻力)Pi對深井巷道破裂范圍的影響。從理論上講．提高支護阻力可以減小巷道圍巖破裂范圍。圖2-5是繪制的Lb與Pi的理論曲線。從圖2-5可見：支護阻力Pi對破裂區(qū)厚度的影響很大，這種影響在支護阻力較小時尤為突出。 圖2-5 支護阻力對破裂區(qū)厚度的影響 得出支架不可能改變圍巖的狀態(tài)的結論，即支架不可能控制圍巖破裂的發(fā)生。因為： ①現有的支護(架)還沒有控制深并巷道圍巖使之不破裂的能力； ②支護不及時，不可能在圍巖破裂前實施支護措施； ③支架架設時與圍巖不能密切接觸．只有在圍巖產生較大變形并作用于支架時支護才能反作用于巷道圍巖，而此時圍巖已經破裂。 （6）開采的影響 開采對巷道圍巖破裂范圍的影響是顯著的。當其它條件一定對，開采相當于使巷道的埋深成倍增加，因而使圍巖破裂范圍明顯增大。 2.6 深井巷道的礦壓控制 2.6.1 優(yōu)化巷道布置 采準巷道的布置應避開煤柱集中應力、構造集中應力、采動應力的影響,選擇在巖性較為穩(wěn)定的巖石中。深部采區(qū)主要準備巷道應以巖巷為主或至少布置一條巖巷。隨著深度的增加，回采工作面推進后煤體塑性區(qū)增加，致使區(qū)段煤柱留設寬度隨之增加，為保證采區(qū)回收率，減少巷道維護，工作面回采巷道宜采用無煤柱護巷的形式。巷道施工在遇到以壓應力為主的褶曲、逆斷層時，巷道方向盡量與褶曲軸或斷層走向垂直或斜交；在遇到以拉應力為主的正斷層時，巷道方向則與斷層走向一致或斜交，從而達到減小礦壓顯現的目的?；夭上锏啦贾玫姆轿粦构ぷ髅骐x開斷層推進，使采區(qū)一翼內工作面同向推進。避免巷道相向掘進和巷道近距離平行布置，減少相交巷道(或避開銳角),從而減小應力集中，減少發(fā)生沖擊地壓的危險性。 2.6.2 改革巷道支護形式 對國內外大量深井開采礦井的研究表明，布置在中硬以下巖層中的巷道變形破壞嚴重，當采深在800~1000m以上時，在中硬及中硬以上巖層內布置的巷道，若采用傳統的支護方式，巷道維護仍很困難。因此，深井中，除要求合理布置巷道位置外，還應根據深井礦壓特點，巷道支護必須滿足既能加固圍巖又能提供較大的支護力、具有較大的可縮性和一定的初撐力等要求，根據圍巖狀況和巷道條件，采用不同的支護形式。目前，深井巷道應采用的主要支護及控制措施有以下幾方面： （1）在采準巷道中發(fā)展多種形式的U鋼可縮性支架，是解決圍巖高應力、大變形的有效支護形式。提高支架架設質量，加強壁后充填，改善支架受力狀況。 （２）發(fā)展以錨桿為主體的新型支護，即錨噴支護、錨梁網組合支護、錨桿與可縮性支架聯合支護以及可縮性錨桿等。合理選擇支護形式和參數，加強質量管理，完善檢測手段等是錨桿支護應用的重要問題。 （３）針對采準巷道不同時期，采動影響引起的不同圍巖移動特征，采用改變巷道支護方式、調節(jié)巷道支護強度的非等強多次支護工藝，對改善深井巷道的技術經濟效益有重要意義。 （４）錨噴網聯合支護在服務年限長，圍巖較穩(wěn)定的深井巷道中廣泛應用，這一支護形式能充分發(fā)揮圍巖自承能力，防止水及空氣對圍巖的風化作用。 2.7 深井回采工作面的礦壓控制措施 （1）對工作面前方已產生裂隙的煤、巖體，超前工作面注漿，注入樹脂類粘結劑，使其固化，提高煤巖體自身強度，保證其穩(wěn)定性；也可采用深孔樹脂錨桿加固頂板和煤壁。 （２）盡量縮小端面空頂距,減小無支護面積。若液壓支架前探梁有伸縮功能,更有利于新暴露頂板的及時維護,特別有利于片幫后裸露頂板的管理。 （３）提高前梁支撐力,及早地使支撐力與頂板壓力取得平衡,減小新暴露頂板的離層、撓曲機率。加強移架工序的管理,盡力減少破碎頂板的活動程度。 （４）對單體支柱工作面,頂梁上盡量鋪笆或金屬網,若有漏頂,應及時構頂填實,以防頂板失控,導致支架的失穩(wěn)。 （５）要有合理的開采順序和回采方向,避免應力疊加造成煤壁壓酥,頂板破壞。 （６）工作面上、下出口及上、下順槽超前支承壓力的應力疊加帶,應優(yōu)先選用穩(wěn)定性較好的十字鉸接頂梁支護系統。 （７）要踏實地做好測壓工作,掌握初次垮落、初次來壓、周期來壓步距、超前支承壓力的有害影響范圍、支柱載荷及巷道圍巖變形規(guī)律,以便針對性地做好量化管理。 3 深部巷道支護技術研究 3.1 深部開采支護技術 圍巖狀態(tài)是巷道礦壓控制的基礎。由于開采深度大，深井巷道圍巖普遍處于破裂狀態(tài)，這與中淺部開采有所不同。并且，現有支護不可能改變深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)．因此，深部開采巷道礦壓控制原則的確定和控制措施的采用都應建立在圍巖破裂狀態(tài)的基礎上。支護不能改變深并巷道圍巖破裂狀態(tài)的含義是支護不能控制圍巖破裂的發(fā)生，這有理論和實踐兩方面的原因。開采深度越大，巖體強度越小，欲控制圍巖不破裂從理論上應提供的支護阻力就越大，如圖3-1所示。從圖3-1可見，即使支架能提供1MPa的支護阻力，支架從理論上控制圍巖不破裂的可能性對于泥巖在開采深度超過260m時已不存在，砂頁巖只在開采深度小于490m、砂巖只在開采深度小于約900m時存在這種可能性。支護阻力越小、巷道圍巖強度越低．支架從理論上能控制圍巖不破裂的開采深度就越小。 圖3-1 Pmin與開采深度和巖性的關系 泥巖： σ c =3.8MPa；=0.2MPa；φ =25°；k =1 沙頁巖： σ c =9.8MPa；=0.49MP；φ =30°；k =1； 砂巖： σ c =19.6MPa；=0.98MPa；φ =35°；k =1 3.1.1 深井巷道控制的原則 巷道圍巖破裂范圍是深井巷道圍巖穩(wěn)定性、變形量大小和支護難易程度的決定因素。雖然深井巷道圍巖的破裂狀態(tài)不能改變，但采取包括支護在內的一切礦壓控制措施，控制圍巖破裂的發(fā)展、減小圍巖破裂范圍是可能的。 礦山壓力的任何控制措施都是建立在礦山壓力的影響因素基礎上的；影響圍巖破裂范圍的主要因素也就是影響深井巷道礦壓的主要因素。這些因素包括： （1）巷道所處應力場，包括開采深度和采動影響等； （2）巷道圍巖的力學性質，主要有巖體的極限強度、殘余強度和應變軟化程度，此外，巖體彈性模量對巷道變形有較大的影響； （3）巷道支護與維護方式等。 通常，開采深度是不可選擇的，只要人類繼續(xù)有對礦產資源的需求，開采就必然向深部發(fā)展，或遲或早。而其它因素的影響都可以通過采取適當的措施降低到一定程度，有的則完全可以消除它們的影響。例如，采用前進式采煤法可以避免超前支承壓力的影響．而掘前預采則可以完全消除采動的影響。 （1）深井巷道礦壓控制的總體原則 深井巷道礦壓控制總的原則是：采取一切可能的措施，減小巷道圍巖的破裂范圍。這是由深井巷道圍巖狀態(tài)的特點決定的。減小巷道圍巖破裂范圍可以采取多方面的技術措施，如圖3-2所示。這些技術措施歸根結底是通過降低應力和保證巷道圍巖有較高的強度或提高巖體強度，從而達到減小巷道圍巖破裂范圍、提高巷道穩(wěn)定性的目的。 圖3-2 巷道保護方式 1—無煤柱，2—小煤柱，3—大煤柱；Ⅰ—破裂區(qū)， Ⅱ—塑性區(qū)，Ⅲ—彈性(應力升高)區(qū)，Ⅳ—原巖應力區(qū) 選擇適當的巷道位置和巷道保護方法是深井巷道礦壓控制的基本要求和原則，合理的巷道支護是深井巷道礦壓控制的根本保證。通常，巖層卸壓和單純的巖層加固作為深并巷道礦壓控制的輔助措施。然而，在圍巖條件相當差的情況下，巖層加固是必須的；在巖層壓力很大的情況下，巖層卸壓是必需的；有時，巖層卸壓和巖層加固都是必要的。 深井巷道礦壓控制的難點依然是采準巷道，特別是不得不布置在煤層中的回采巷道，在深部開采條件下當受到數倍于原巖應力的支承壓力作用時將變得很難維護。改善煤層平巷的維護條件應采取多方面的措施，最根本的措施是改變開采體系，即改后退式回采為前進式回采。 后退式采煤法，由于區(qū)段平巷在工作面回采前一次掘出，在深部開采條件下掘巷時就會產生較大變形，受采煤工作面超前支承壓力的影響，巷道維護狀況將進一步惡化，產生嚴重變形甚至破壞，結果不得不翻修。采用前進式采煤體系時，區(qū)段平巷隨采隨掘，不僅維護時間短，而且不受工作面前方移動支承壓力的影響，對深部開采的煤層平巷維護比較有利。開采深度越大，前進式采煤體系的優(yōu)點越突出。 然而，需要指出的是，由于前進式采煤法必然要與沿空留巷相結合，而在厚煤層中沿空留巷通常比較困難，特別是在深部開采的條件下，因此前進式采煤法應首先在薄煤層和厚度較小的中厚煤層中推廣應用。 （2）深井巷道布置原則 同中淺部開采一樣，深部開采的巷道也應布置在： ①開采形成的應力降低區(qū)； ②強度高、整體性好的穩(wěn)定巖層中。 就巷道位置而言，不外乎巷道的埋藏深度、巷道與采場或其它巷道的相對位置以及巷道所處的巖層層位。開采深度是不可選擇的，因而從這種意義上說，巷道埋藏深度也不可選擇。然而，巷道與采空區(qū)的相對位置和巷道的巖層層位通常有較大的選擇余地。 巖石力學性質是影響深井巷道礦山壓力的一個主要方面。好的圍巖條件能在一定程度上甚至大大削弱開采深度和采動對深井巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，因為巷道圍巖穩(wěn)定性取決于圍巖應力與圍巖強度相互作用的結果，即圍巖狀態(tài)或圍巖破裂范圍。 煤礦開采的實踐也表明，若巷道圍巖為厚層砂巖或整體性好的石灰?guī)r，即使開采深度超過1000m，巷道變形量也很小，用一般支護方法也能成功地維護。相反，若巷道圍巖為節(jié)理裂隙發(fā)育、強度低的松散軟弱巖層，即使開采深度僅300~400 m，巷道變形量也很大，常規(guī)支護方法已很難維護。因此，可以認為，在深部開采條件下，巖性對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響比中、淺部開采突出。 巷道布置在開采形成的應力降低區(qū)內，不僅可以免受采動的影響，而且，由于應力降低區(qū)內的應力低于原巖應力，因此還可以在一定程度上減小開采深度的影響。 眾所周知，開采將在采場四周形成支承壓力，并向底板巖層中傳播．在煤層底板巖層中形成應力升高區(qū)。通常，開采形成的支承壓力是原巖應力的數倍，甚至十倍以上，與采動狀況、距離煤壁邊緣的距離和與采空區(qū)的相對位置等因素有關。顯然，開采的影響等價于開采深度的成倍增加，從而使巷道所處的應力成倍增大。在很大程度上可以說，采動對深井巷道維護的影響遠遠超過開采深度的影響。不過，開采深度不能選擇，而通過適當地確定巷道位置，可以避免或減小開采形成的支承壓力的影響。這就是將巷道布置在開采形成的應力降低區(qū)。 （3）無煤柱護巷原則 留煤柱和不留煤柱是巷道保護的兩種基本方式。在深部開采條件下，由于支承壓力峰值處距煤壁邊緣的距離x0和支承壓力的影響范圍 L 增大，因此，為了避免支承壓力的影響，留煤柱護巷勢必大大增大護巷煤柱寬度 (圖3-2 中第3種巷道布置方案)。然而理論分析和現場實踐都表明，要完全避免支承壓力的影響，在深井條件下煤柱寬度將達100~150m以上，如圖3-3和圖3-4所示。開采深度越大，煤體強度越低，不受支承壓力影響需要留的護巷煤柱寬度越大。毫無疑問，通過加大煤柱尺寸來改善深井巷道的維護條件效果并不理想，并且會造成煤炭資源的極大損失。 留煤柱護巷在實踐中較普遍的是留寬度較小的煤柱，這對深井巷道的維護極為不利。在深部開采條件下，若護巷煤柱的寬度為 10~20m，巷道將位于支承壓力峰值附近，甚至恰恰位于支承壓力峰值處(圖3-2中巷道位置2)。由于煤柱上作用的支承壓力向底板巖層中傳播，在煤柱下方的底板巖層中形成應力升高區(qū)，應力成倍增大，因此，留煤柱對底板巖巷或下部煤層巷道的維護極為不利。無煤柱護巷的實質是將巷道布置在應力降低區(qū)或使巷道處于低應力區(qū)，避免開采形成的數倍于原巖應力的支承壓力的影響，這對深井巷道維護較為有利。因此，無煤柱護巷應作為深井巷道礦壓控制的一條基本原則。 圖3-3 壓力與煤柱寬度的關系 圖3-4 巷道變形與煤柱寬度的關系 H=300m；H＝600m； 1—圍巖穩(wěn)定性好；2—圍巖穩(wěn)定性差 （4）巷道圍巖破裂區(qū)原則 它的內涵是，在深部開采條件下，支護不可能改變巷道圍巖的破裂狀態(tài)，因此應允許圍巖出現破裂區(qū)，即應允許支架工作在巷道圍巖特性曲線的破裂點之后。在深部開采條件下： ①有支護不可能提供足以阻止巷道圍巖破裂的支護阻力； ②支護無法在巷道圍巖破裂前施加影響，因為掘巷(炮掘爆破)時圍巖已開始破裂。 因此，與中、淺部開采不同，對于煤系地層，深部開采的巷道圍巖破裂是必然的，應該并且只能允許圍巖破裂。 按照現有的巷道支護理論(如圖3-5所示)，巷道支架的工作點應在圍巖破裂點之前。并且，當支架工作點位于圍巖破裂點之后時，支架將有可能承受較大的壓力。 圖 3-5 圍巖與支架相互作用關系 1—圍巖特性曲線；2—支架特性曲線；c—圍巖破裂點 綜上所述，應允許深井巷退圍巖破裂，但必須將破裂控制在一定范圍內。允許圍巖破裂有利于充分利用圍巖的自承能力，減小支架載荷。 （5）先柔后剛、二次支護原則 這一原則是由深井巷道的變形特點決定的。深井巷道剛掘進時，圍巖破裂發(fā)展很快，巷道變形速度大，壓力大，來壓快；以后變形速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，保持較低的變形速度而處于長期蠕變狀態(tài)，直至受到采動影響。為了適應深井巷道的上述變形特點，應采用先柔后剛的二次支護方式。 一次支護應允許巷道圍巖變形，具有一定“柔性”，以釋放大的變形壓力，充分利用圍巖的自承能力。理想的一次支護方式應既能適應掘巷初期巷道變形速度大的特點，又能加固巷道圍巖，盡早控制圍巖破裂的擴展。從這種意義上說、以加固圍巖為主的錨噴(網)支護是比以被動支護為特征的支架更理想的一次支護方式。 二次支護應能適應圍巖破裂區(qū)形成后巷道長期緩慢變形的特點，具有較大的剛性、以保證破裂區(qū)圍巖的穩(wěn)定性。此外，還要求支架(護)必須具有足夠大的可縮量。 3.1.2 巷道支護的主要形式 可縮性金屬支架； 錨桿支護； 錨索支護； 錨桿噴射混凝土支護（簡稱錨噴支護）； 錨桿、金屬網支護（簡稱錨網支護）； 錨桿、金屬網、噴射混凝土支護（簡稱錨噴網支護）； 錨桿、金屬網、鋼架、噴射混凝土支護（簡稱錨網噴架支護）； 錨桿、噴射混凝土和錨索聯合支護（簡稱錨噴索支護）； 錨桿、金屬網和錨索聯合支護（簡稱錨網索支護）； 錨桿、梁、金屬網聯合支護（簡稱錨梁網支護）； 錨桿、金屬網和可錨性金屬支架聯合支護（簡稱錨網架支護）； 錨桿、金屬網和桁架支護（簡稱錨網桁支護）； 錨、梁、網、噴、注漿聯合支護； 錨、網、噴、碹聯合支護等。 3.1.3 開拓巷道支護 礦井的斜井、大巷、硐室、石門等工程，多屬永久性工程，服務年限長，又稱為開拓巷道，因此對此巷道的支護要首先考慮以下3個主要因素：①巷道布置層位；②開采時動壓作用影響；③支護形式。 （1）對于巷道的開拓布置，避開人為的巷道破壞是非常重要的。巷道的布置選在穩(wěn)定和較穩(wěn)定的巖層中。 （2）在開采過程中，為巷道免受圍巖二次變形的破壞，最好在巷道掘進之前或掘進后就應該先采出位于巷道之上的一個煤層或一個亞階段，使巷道在卸壓區(qū)域中開掘和使用，其后開采其它區(qū)段對它不再有較大的影響，周圍的巖層也相應的保持了穩(wěn)定。 （3）巷道支護形式，在穩(wěn)定或較穩(wěn)定的圍巖中，以錨、網、噴結構形式支護最為理想。 （4）在不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定的巖層中，單靠一種支護形式難以取得滿意效果，因此可因地制宜的采取不同形式進行加固或聯合支護。 3.1.4 采區(qū)巷道支護 采區(qū)上山(下山)巷道多數采用煤、半煤巖掘進，一部分也可布置在煤層的底板，但其影響支護的關鍵是無煤柱開采，多回收煤柱而帶來的動壓破壞變形，這種情況在近距離煤層開采中尤為突出。因此，作為上山(下山)在巷道斷面與支護上，考慮首先要采用拱形斷面為宜,并留有一定的可縮系數,以保證巷道的使用斷面，支護上采用錨、網、噴支護,在上部回采工作跨采之前對上山(下山)巷道采用錨梁、Ｕ型棚可縮支架、錨索等強全螺紋全錨錨桿進行加固。當矩形斷面跨度超過3m時,在錨、背、網的基礎上,則必須再加外部支架進行支護,特別是上山(下山)片口更應如此,防止巖梁受拉斷裂冒頂。通過上述支護措施,便可達到巷道維護,不丟失煤柱資源和安全使用的目的。 3.1.5 采區(qū)工作面支護 采區(qū)工作面受回采工作面采動壓力作用破壞變形最為嚴重,它的支護好壞直接影響著生產和安全。解決這一問題,煤柱護巷已不能從根本上解決深部開采條件下的支護問題，軌運合一，采后留巷，也很難對采空區(qū)邊緣的巷道支護好。因此,以沿空擦邊送巷,取消保護煤柱,將對巷道支護起到巨大作用。在支護上采用組合式錨桿支護,即巷道以金屬網、W鋼帶背實,沿巷道兩肩窩和底角配備加長錨桿和異形托盤進行錨固,頂板再每隔一排錨桿間距打二排錨索加固。對于厚煤層開采的中下分層支護,因頂板處于假頂狀態(tài),故兩幫除錨、背、網外，還需要另增設框式可縮性支架。 3.1.6 回采工作面切眼支護 回采工作面除綜采切眼外，斷面較小,而且停放時間短,比較容易控制,一般的支護采用錨、背、網與增設單體支柱掛頂梁聯合支護即可。但在綜采工作面切眼支護上難度較大,它受斷面大,且支護的支架受安裝綜采支架的影響,以及原支護支架的回收因素。因此,如沒有相應對策,將難以保證安全。所以,對綜采切眼的支護應按照下列方法進行支護： （1）采用“錨、帶、網、支聯合支護,一次成巷,避免分次支護,刷大時造成冒頂事故,特別是對復合頂板,給二次擴幫支設支架帶來不安全因素。 （2）使用錨桿、金屬網、W鋼帶要緊跟掘進工作面,避免復合頂板離層現象,尤其是安裝綜采設備回收框式支架后,錨、帶、網將給安裝工作帶來安全保證。 （3）框式支架的兩根立柱,必須具備可縮性和初撐力,安裝時先支后回來調整兩立柱之間的距離,便于綜采支架安裝。 總之，降低應力，加固圍巖和在此基礎上采用符合圍巖變形規(guī)律的支護形式是深井巷道維護的基本方法。 3.2 可縮性金屬支架 3.2.1 U 型鋼拱形可縮性支架 U型鋼拱形可縮性支架結構比較簡單，承載能力大，可縮性較好，是U型鋼可縮性支架中使用最廣泛的一種，如圖 3-6所示。分為： （1）半圓拱可縮性支架； （2）三心拱直腿可縮性支架； （3）三心拱曲腿可縮性支架。 拱形U型鋼可縮性支架的優(yōu)點是：(1)支架受力均勻，特別是對非均勻載荷，不穩(wěn)定圍巖和動壓巷道有良好的適應性。(2)由于支架鉸接處彎矩較小，從而使支架承載能力提高了2~3倍。(3)支架的可縮性較好，支護效果好。 拱形U型鋼可縮性支架的缺點是：(1)在煤層開采厚度較小的情況下掘進巷道時，不利于保持巷道頂板的完整性和穩(wěn)定性，在工作面與巷道連接處比較難以安裝；(2)在非機械化掘進的條件下，拱形巷道斷面施工也比較困難。 3.2.2 U 型鋼環(huán)形可縮性支架 環(huán)形可縮性支架又稱封閉形可縮性支架，支架各節(jié)連接形成一個環(huán)形。封閉形支架與拱形、梯形支架的不同之處在于其底部是封閉的，其優(yōu)點是：由于支架本身是一個閉合體，其承載能力較拱形、梯形支架有較大的提高，支架變形損壞??；由于支架底部封閉，對巷道底臌有良好的控制作用，對巷道兩幫也有較強的控制能力。環(huán)形可縮性支架缺點是結構復雜、鋼材消耗多、成本高。通常只在圍巖松軟、采深大、壓力大、底臌嚴重、兩幫移近量很大的巷道才使用這種支架。環(huán)形可縮性支架的主要類型有馬蹄形、圓形、方環(huán)形、長環(huán)形等。 圖3-6 四節(jié)三心拱曲腿U型鋼可縮性支架 3.2.3 梯形可縮性金屬支架 梯形可縮性金屬支架一般采用礦用工字鋼制作的，它是一梁二柱結構。頂梁用礦用工字鋼制造，與剛性梯形支架的頂梁一樣不能收縮讓壓。柱腿由帶可縮性柱頭的兩節(jié)U型鋼組成。該支架只對頂壓有可縮性，梁柱接口長度150mm，柱腿扎角為80°（或自行調整）。 圖3-7 六節(jié)馬蹄形U型鋼可縮性支架 梯形可縮性支架在我國巷道金屬支架系列中采用兩種礦用工字鋼（11號、12號）和兩種U型鋼（25U、29U）。礦用工字鋼可縮性支架的力學性能是它垂直可縮，其承載能力小。它適用于圍巖較穩(wěn)定，頂壓較大，側壓較小，多用于巷道斷面小于18m2的炮采工作面的兩巷及綜采工作面回風平巷。 梯形可縮性金屬支架的特點：掘進施工簡便，斷面利用率高，有利于保持頂板完整性，巷道與工作面連接處支護作業(yè)簡單，但支架承載能力較小。因此梯形支架通常適用于開采深度不大、斷面較小、壓力不太大的巷道，也可用在圍巖變形較大的巷中。 3.2.4 可縮性金屬支架的選擇 拱形支架在我國使用廣泛，特別是在巷道圍巖變形量和壓力較大的情況下，使用拱形支架更有其優(yōu)越性。環(huán)形可縮性金屬支架的承載能力大，能有效地控制巷道底臌和兩幫移近，適宜在圍巖壓力大，特別是兩幫壓力大、底臌嚴重的巷道中使用。當側壓和底臌不甚嚴重、巷道壓力和圍巖變形亦不太大，并且巷道斷面積小于10 m2時，可使用梯形可縮性金屬支架。U型鋼可縮性金屬支架，我國煤礦已有許多架型，但在理論上比較成熟，現場使用效果較好的主要有8種，它們是：梯形可縮性支架、半圓拱可縮性支架、三心拱直腿可縮性支架、三心拱曲腿可縮性支架、多鉸摩擦可縮性支架、馬蹄形可縮性支架、圓形可縮性支架、方(長)環(huán)形可縮性支架，現將它們的力學特性及其適用條件見表3-1中。 表3-1 U型鋼可縮性金屬支架力學特性及其適用條件 支架架型 主要力學特性 適用條件 梯形可 縮性支架 垂直、側向均可縮，承載能力較小 圍巖較穩(wěn)定，頂壓較大，側壓較小，變形量中等（k=10%~25%），凈斷面小于 10m2的巷道(k巷道移近量) 半圓拱可 縮性支架 承載能力較大，特別是在均壓時 適用于回采巷道和集中皮帶機道連通的石門，圍巖壓力較大，較均勻或由一定的側壓，k=10%~35%的巷道 三心拱直腿 可縮性支架 承載能力較大，特別是在頂壓大時 適用于回采巷道和集中皮帶機道連通的石門，圍巖壓力較大，特別是頂壓較大，k=10%~35%的巷道 三心拱曲腿 可縮性支架 承載能力較大，具有一定抗側壓能力 適用于回采巷道和集中皮帶機道連通的石門，圍巖壓力較大，壓力較均勻，頂壓、側壓均較大，k=10%~35%的巷道 多鉸摩擦 可縮性支架 承載能力大， 能適應各方向來壓 圍巖壓力大，且不均勻或為動壓，k=10%~35%的巷道 馬蹄形可 縮性支架 承載能力大，有一定的抗底臌和兩幫移近的能力 圍巖松軟，移近量較大，特別是在底臌和兩幫移近較嚴重，k≤30%~35%的巷道 圓形可 縮性支架 承載能力大，抗底臌和兩幫移近的能力大，特別是在均壓時 圍巖松軟，移近量較大， 底臌和兩幫移近較嚴重，壓力較均勻，k≥30%~35%的巷道 方(長)環(huán)形 可縮性支架 承載能力大，抗底臌和兩幫移近的能力大，特別是在肩壓大，壓力不勻時 圍巖松軟，移近量較大，底臌和兩幫移近較嚴重，壓力不太均勻，k≥30%~35%的巷道 3.3 錨桿支護原理及設計方法 3.3.1 錨桿支護原理 錨桿支護對于防止巷道受沖擊地壓破壞具有如下明顯的優(yōu)越性: 錨桿支護屬于柔性支護, 它隨圍巖的整體位移而移動; 錨桿的支護作用受沖擊動力影響較小, 沖擊過后仍可保持其支護作用。與之相比, 棚式支架支護的巷道破壞嚴重。由見, 錨桿支護是沖擊地壓巷道的最佳支護方法之一。 錨桿對圍巖的基本作用是起到約束與抗剪作用, 提高圍巖的強度和承載能力。雖然錨桿可使其錨固范圍內煤巖體的力學特性有一定程度的改變, 但由于錨桿的長度有限,一般的錨固作用范圍在巷道周邊2m 深度左右, 而具有沖擊危險的極限平衡區(qū)一般位于2m 以外的范圍, 即錨桿對極限平衡區(qū)煤巖體力學性質的影響較小, 因此, 錨桿的支護作用不能起到避免沖擊地壓發(fā)生的預防作用, 而只能是在發(fā)生沖擊地壓時起到減輕對巷道圍巖破壞的作用。 錨桿支護對提高圍巖固有的極限強度沒有明顯的效果, 但對提高圍巖破壞后的殘余強度有顯著的作用。對于錨固范圍內的煤體（ 錨固體) , 錨桿的作用對其力學特性的影響可用煤體的應力過程曲線表示, 如圖1 所示。從圖中可見, 被錨固的煤體在破壞之前, 其能量儲存與非錨固煤體的基本相同, 但當破壞時, 由于具有沖擊傾向的未錨固煤體在瞬間強度變?yōu)榱悴⑨尫懦鏊袘兡芰?。而被錨固的煤體, 由于殘余強度提高, 煤體破壞時能量損失較少, 能量釋放過程減慢。據此,采用錨桿支護的煤體, 不但不會在煤體中造成高應力集中而提高煤體的沖擊傾向性, 反而可以降低煤體沖擊傾向性。因此, 在煤巷中不會因采用錨桿支護而在錨固范圍內( 2m內) 增加發(fā)生沖擊地壓的可能性。 圖1（應力) 應變全過程曲線 具有沖擊傾向的煤體破壞時, 主要是沿破壞面及節(jié)理面錯動, 使其強度迅速降低。當采用錨桿加固后, 被錨固的煤體在錨桿的約束和抗剪作用下, 可以有效地阻止震動破壞時產生的塊體沿破壞面或結構面錯動、滑移, 阻止了錨固體的松散, 保持錨固體的整體性, 從而提高了煤體破壞后的殘余強度,也就提高了煤體的承載能力。 當煤體發(fā)生沖擊時, 強烈的沖擊震動對煤體的破壞有極大影響。理論研究和試驗研究均表明, 沖擊震動對完整介質的強度影響較小, 而對介質中節(jié)理構造面強度的損失影響嚴重。如上所述, 由于錨桿最主要的作用就是阻止煤巖體沿破壞面及結構面破壞, 因此, 錨桿在沖擊地壓發(fā)生前、后均有保持錨固體的整體性和提高承載能力的作用。錨桿錨固范圍內煤體的整體性和承載能力的提高, 實際上增大了錨固體對深部極限平衡區(qū)的約束作用, 包括錨固體徑向應力的加大和煤體與頂底板交界面上摩擦阻力的提高。根據煤巷內沖擊地壓造成破壞機理, 錨固體約束作用的增大對深部極限平衡區(qū)具有兩方面影響。 圖2 干砂巖在不同側壓的三向應力狀態(tài)下變形曲線 從煤巖試件的三軸應力- 應變曲線( 如圖2 所示) 可知, 約束應力( 圍壓) 越大,試件軸向抗壓強度越高, 而且試件破壞由無約束的脆性破壞變?yōu)閼冘浕乃苄云茐?。同樣道? 巷道周邊錨桿錨固體約束作用的增大, 不僅提高了其外部極限平衡區(qū)的承載能力, 同時還可使該區(qū)煤體的沖擊傾向性降低, 具有減輕煤巷沖擊的作用。 煤巷沖擊破壞的主要形式是煤體沖擊破壞引起的碎脹性, 它是造成巷道嚴重變形或堵塞的主要原因。錨桿的作用不僅使錨固范圍內煤體保持較好的整體性, 降低自身的碎脹程度, 而且因其較大的約束作用, 可有效地抑制外圍極限平衡區(qū)煤體沖擊時引起煤塊拋射、碎脹等嚴重變形。因此, 錨固體的約束作用可阻止煤體沖擊造成破碎松散, 有效控制煤體碎脹引起的巷道變形和破壞。綜上所述, 具有沖擊地壓危險的煤巷錨桿支護, 是通過錨桿的約束、抗剪作用來提高被錨固體的承載能力和整體性, 進而提高錨固體對外圍極限平衡區(qū)煤體的約束作用,這種約束作用可以減輕沖擊地壓發(fā)生時的沖擊破壞程度, 降低煤體的碎脹松散性, 使巷道周邊破壞變形得到有效控制。 3.3.2 錨桿支護設計方法 （1）支護參數確定的依據 ①深部具有沖擊地壓煤巷現有支護狀況和礦壓觀測數據; ②巷道詳細的地質資料以及地質力學測試數據; 所以數值模擬分析結果;? 現有技術成果和工程實踐經驗。 （2）支護參數設計 ①錨桿長度L頂= L1+ D+ L2 ( 1) L幫= L1+ Z+ L3 ( 2) 式中: L頂——頂板錨桿長度, m; L幫——幫錨桿長度, m; L1——錨桿外露長度, 取01 1m; L2——頂板伸入松動圈外長度, 取01 25m; D——松動圈, m; Z——幫錨桿伸出非有效承載區(qū)的最小錨固深度, 取01 5m; L3——兩幫有效承載區(qū)深度, m。 兩幫有效承載區(qū)深度L3 用下列公式計算: ( 3)式中: f 煤——煤層普氏系數; B——巷道跨度, m。 由式( 1) 和( 2) 可分別計算出頂板錨桿和幫錨桿長度。 ②錨桿直徑 巷道頂和幫均選用高強高預緊力錨桿支護。所以依據公式 式中:) 錨桿桿體直徑 F）單根錨桿設計錨固力, Py ) 錨桿材料屈服強度, MPa。 ③錨固方式 根據有沖擊危險煤巷錨桿支護作用機理和《錨桿支護技術管理規(guī)定》選擇合適的錨固方式。 ④錨桿間排距 根據煤巷圍巖地質條件, 運用理論計算和工程類比法確定頂板錨桿間的排距。 3.4 錨噴支護 3.4.1 錨噴支護方法 錨噴支護是指聯合使用錨桿和噴混凝土或噴漿的支護。這類支護的特點是，通過加固圍巖、提高圍巖自撐能力來達到維護的目的。深井巷道錨噴支護能加固圍巖，提高圍巖強度，減小破裂區(qū)厚度。噴射混凝土，是將混凝土的混合料以高速噴射到巷道圍巖表面而形成的支架結構。其支護作用主要體現在：(1)加固作用 巷道掘進后及時噴上混凝土，封閉圍巖暴露面，防止風化；在有張開型裂隙的圍巖中，噴射混凝土充填到裂隙中起到粘結作用，從而提高了裂隙性圍巖的程度。(2)改善圍巖應力狀態(tài)，由于噴射混凝土層與圍巖全面緊密接觸，緩解了圍巖凸凹表面的應力集中程度；圍巖與噴層形成協調的力學系統，圍巖表面由支護前的雙向應力狀態(tài)，轉為三向應力狀態(tài)，提高了圍巖的穩(wěn)定程度。 3.4.2 錨噴支護的特點 錨噴支護能大量節(jié)約原材料，且簡單、易行、易機械化施工，施工速度快，其主要特點有： （1）支護及時迅速，在松軟巖層或松散破碎的巖層中，能較好的提供支護抗力，有效地防止圍巖松動、失穩(wěn)。 （2）保證支護結構與圍巖相互作用,共同承載,改善載荷分布,防止圍巖松動、惡化。 （3）錨噴支護可以增加支護結構的柔性和抗力,有利于控制圍巖的變形和壓力。 （4）錨噴支護可以及時封閉圍巖,有利于防水,防風化,也可以填塞裂縫,從而減小應力集中,增強巖體強度。 3.4.3 錨噴支護施工中應注意的事項 （1）光面爆破：采用合理的爆破參數, 實現光面爆破。使圍巖盡量保持完整, 可充分發(fā)揮巖體自身支承作用, 把圍巖從荷載變?yōu)槌休d, 變消極因素為積極因素, 變被動為主動。 （2）錨桿安裝：在層狀的巖石中, 錨桿應與層理面正交; 在非層理面巷道中, 錨桿應垂直于巷道輪廓線, 以此保證增強圍巖的整體性。必須按規(guī)范要求施工, 確保錨桿的安裝質量。 （3）混凝土噴射：嚴格按照噴射混凝土要求施工。注意墻的下部, 克服“穿裙露腳”毛病。 （4）二次支護：一次支護要有一定的強度來控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展, 充分發(fā)揮圍巖體的承載能力,同時還要有一定的讓壓功能, 釋放圍巖的變形能。當圍巖初期劇烈變形期過后, 適時進行二次支護。相比初期劇烈變形, 圍巖后期變形逐步減緩, 所以二次支護對錨桿延伸率的要求相比一次支護有所降低, 因此二次支護采用強度高的錨桿。 3.5 錨索支護 3.5.1 錨索支護方法 錨索支護是指在巷道圍巖鉆孔中安設錨索，并給錨索預加拉力的一種支護方法。預應力錨索，施工簡便，可以和多種支護措施相結合，如錨索支護，錨索梁支護，錨索金屬網支護，錨索金屬網噴漿支護等，其工期短、費用低，尤其對破損巷道加固，比其它方法更安全可靠，簡便快捷。近年來錨索支護迅速發(fā)展，在隧道施工以及礦山井巷支護已經得到廣泛應用。在頂板巖石比較松軟時，單一的錨桿往往不能有效的支護，容易造成錨桿的整體垮落，帶來嚴重的后果。而錨索具有錨固深度大、承載能力高、可施加較大的預緊力等特點，如果在錨桿支護的同時配以少量的錨索，就可以將錨固體懸吊于穩(wěn)定堅硬的老頂上，避免其離層及出現巷道頂板整體下沉或垮落。因此，在軟巖巷道中應用錨索支護，對于確保安全生產具有重大的意義。由此可見，錨索支護在軟巖巷道中具有更大的發(fā)展前途。 3.5.2 錨索支護作用機理 錨索支護的作用機理是：單體錨索是通過固定在巖體內的內錨頭和鎖定的外錨頭對錨索施加預應力，錨索產生拉張彈性變形。當圍巖有變形時，錨索的預拉力通過內、外錨頭以壓力方式作用在圍巖上，平衡圍巖的變形力，來維護巷道的穩(wěn)定。在煤礦巷道，錨桿、錨索大都是配合使用。當錨桿、錨索及時支護之后，形成錨桿、預應力錨索的加固群體。這樣，相鄰的錨桿、錨索的作用力相互疊加，組合成一個“承載層”(承載拱)，這個新的承載層厚度比單用錨桿成倍增加，能使圍巖發(fā)揮出更大的承載作用。如圖3-14所示。 3.5.3 錨索支護的特點 在煤礦巷道支護工程中采用預應力錨索，有如下六個特點：(1)錨索的錨固深度大，承載能力強，支護效果好。(2)錨索的補強作用，在復合頂板、大斷面硐室、交岔點處的支護中更明顯，尤其在頂板來壓大，層理發(fā)育的采準巷道中使用效果更佳。 (3)支護材料重量輕，體積小，工人勞動強度低。(4)錨索支護可大大減少巷道維修量，節(jié)約維護費用。(5)從安全生產角度及有利于頂板維護等方面來看，經濟上合理，技術上可行，具有較好的推廣價值。(6)錨索施工工藝靈活簡單，操作方便，安全可靠，可提高掘進速度。 圖 3-14 錨索錨桿群聯合加固作用原理 3.6 錨網支護 3.6.1 錨網支護對圍巖穩(wěn)定作用 金屬網的主要作用：(1)能夠有效控制錨桿之間非錨固巖層的變形，托住擠入巷道的巖石，防止碎裂巖體垮落；(2)將錨桿之間非錨固巖層載荷傳遞給錨桿；(3)金屬網托住已碎裂的巖石，雖然巷道周邊圍巖已破裂，由于碎石的碎脹作用和傳遞力的媒介作用，使巷道深部巖仍保持三向應力狀態(tài)，大大提高巖體的殘余強度?？傊^網支護能及時加固與阻止圍巖風化，改善圍巖應力狀態(tài)，提高了噴層的整體性，改善了抗拉性能，有效地阻止圍巖位移，如圖3-15所示。 圖3-15 錨網支護對圍巖穩(wěn)定作用 3.6.2 錨網支護的優(yōu)點： （1）錨網支護技術先進，解決了壓力大，無法支護的難題。 （2）在木材緊缺，鋼材、木材大幅漲價，煤礦資金緊張的情況下，錨網支護及時地解決了這個問題。 （3）減輕了職工的勞動強度，減少了輔助運輸環(huán)節(jié)，減少了采煤的回撤工作量，節(jié)省了人力物力。 （4）減少了支護對通風的阻力，減少了瓦斯積聚。 （5）減少了空頂，減少了頂板浮煤堆積，減少了巷道的發(fā)火。 （6）減少了巷道維修量。 （7）減少了巷道的物料堆積，有利于生產整潔。 4 結論 深部巷道支護是一個復雜的過程，一直是礦山防治研究的難點之一。本文采用理論分析和數值模擬等研究方法，以深部巷道變形機理及防治措施為主要研究內容，闡述了深部巷道礦壓顯現規(guī)律和深部巷道支護技術，得出以下結論： （1）煤礦深部開采主要存在的問題是隨采深的增加礦壓顯現加劇，巷道維護困難 。 （2）煤礦深井開采巷道礦壓顯現的主要特點巷道變形量大，掘巷初期變形速度大，巷道變形趨于穩(wěn)定的時間長，巷道的底臌量大等。 （3）煤礦深井巷道的礦壓控制應該著重考慮巷道的優(yōu)化布置和改善巷道的支護形式，充分發(fā)展以錨桿支護為主體的新型支護和錨噴、錨網、錨索、錨噴網等聯合支護形式。 （4）通過數值模擬得出對于深部巷道應采取錨索、錨桿等的聯合支護方式，支護效果好。 參考文獻 [1] 杜計平.煤礦深井開采的礦壓顯現及控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2000 [2]