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1、山西晋城无烟煤业集团有限责任公司15#煤预留巷道双采动影响下围岩控制技术研究项目实施方案晋煤集团古书院矿河南理工大学2012年9月25日 / 文档可自由编辑打印目 录1 项目的提出和主要研究内容11.1 立项背景11.2 国内外现有技术概况11.3 本项目的主要研究内容及目标52. 项目研究总体技术方案62.1预留巷道围岩物理力学参数测试62.2预留巷道围岩变形数值模拟实验72.3回采巷道围岩变形监测102.4超前支撑压力及侧向应力观测与分析112.5预留巷道现有支护效果综合分析142.6 152309工作面顶板弱化处理施工安全技术措施142.7 1523093巷沿煤柱侧切顶预裂爆破技术方案2
2、22.8 1523092预留巷道围岩锚索加固控制技术方案262.9 1523092预留巷道围岩注浆加固控制技术方案283. 地点、试验规模及研究进度334. 经济、社会效益及推广应用的前景33附图135附图235附图335附图4361 项目的提出和主要研究内容1.1 立项背景15#煤层现作为古书院矿的主采煤层，工作面采用“两进一回”布置方式进行回采，上一个工作面的回风巷在回采过程中保留下来，作为相邻下一个工作面的胶带巷。预留巷道服务两个工作面。在目前已回采过的工作面预留巷道受上个工作面的采动影响巷道出现不同程度的围岩变形，巷道失去二次使用的作用。例如：在回采151306工作面过程中151306
3、2巷（回风巷）受初次采动影响底臌达到0.51.2米，在回采151305工作面过程中， 1513062巷（胶带巷）受二次采动影响底臌达到0.81.5米，巷帮片帮严重，顶板变化不大。回采152307工作面过程中1523072巷（回风巷）受初次采动影响底臌达到0.51.2米，巷帮片帮严重，顶板变化不大。在回采152306工作面过程中， 1523072巷（胶带巷）受二次采动影响底臌达到0.71.5米，巷帮片帮严重，顶板变化不大。古书院矿围岩变形实拍照片如图1。通过已回采过工作面围岩变形情况，15#煤预留巷道围岩变形存在必然性，根据15#煤煤层地质条件，采用“两进一回”布置方式进行回采。预留巷道围岩变形
4、成为制约安全生产和采掘衔接的主要问题。 图1 古书院矿围岩变形实拍照片因此，开展研究项目“古书院矿15#煤预留巷道双采动影响下围岩控制技术研究”，治理该条件下巷道底臌、片帮问题，保证预留巷道在服务期间围岩的稳定性，保证安全生产和工作面的正常衔接，对于古书院矿实现高产高效有着重要意义。1.2 国内外现有技术概况长期以来，回采巷道围岩控制一直是人们所致力解决的一个热点问题，其目的是为了保证巷道的正常使用，为矿井安全生产创造必要条件。巷道的稳定性状况取决于围岩的地质力学条件、采掘技术条件及支护条件等。实际工程中的回采巷道大多不具备保持自稳状态的条件，因此，必须采取一定的围岩控制措施。底板管理是巷道围
5、岩控制的基础，井下测试表明，在底板不支护的软弱底板的回采巷道中，顶底板移近量的2/33/4是底臌引起的，底臌造成的巷道维修量要占维护总量的80%以上。为了使巷道断面保持一定的大小，保证生产能够进行，人们通常采用人工起底来处理底臌，这样不仅浪费人力、物力，严重影响安全生产，同时不能从根本上解决问题，需反复起底。国内外许多专家学者对煤矿巷道底臌机理和控制技术作了大量的研究工作，取得一些重要的研究成果。在底臌量得预测方面，切尔尼亚克利用数理统计法对大量实测数据进行了分析，得出了预测巷道底臌的经验公式。美国的K.Haramy把底板岩层看作两端固支的岩梁进行分析，讨论了底板岩层地应力状态及稳定性。此外还
6、有利用板壳理论建立了底板的压曲微分方程，非线性大变形连续体力学理论也已用来进行底臌量的计算。在底臌显现方面，姜耀东、陆士良根据巷道所处的地质条件、底板围岩性质和应力状态的差异、底板岩层鼓入巷道的方式将底臌分为：挤压流动性底臌；挠曲褶皱性底臌；遇水膨胀性底臌；剪切错动性底臌。王卫军、侯朝炯认为回采巷道的底臌以挤压流动性底臌和挠曲褶皱性底臌为主，随着工作面支承压力的增加，回采巷道的底臌量增加。巷道底臌的控制方法总结如下：虽然巷道底臌机理的研究相对缓慢，但目前国内外各种控制底臌措施的探索工作却十分活跃，试验成功了很多控制底臌的方法，归纳起来有以下几种方法：（1）加固法加固法就是对底臌巷道底板岩层进行
7、支护或增强其强度，从而提高底板岩层的稳定性，减小底臌量。它包括底板锚杆、底板注浆及封闭式支架等形式。底板锚杆。底板锚杆主要有两个作用，一是把浅部不稳定的岩层与下面稳定岩层联结在一起，二是通过底板锚杆在巷道底板形成组合岩梁，抑制下部岩层因扩容引起的裂隙张开及新裂隙的产生，同时，也可限制下部岩层向上鼓起，可起到一定的阻止底板向巷道内移动的作用。底板注浆。底板注浆主要用来加固底板破碎岩层，浆液主要有水泥浆、聚胺脂、高水材料等。浆液渗透到岩层裂隙间，增加了破碎岩石之间的粘聚力，在底板中形成一个强度比破碎岩层大的反拱，从而在一定程度上阻止了下部岩层向上鼓起，同时，由于加固区岩层抗变形能力增加，故该区岩石
8、的扩容、弯曲位移等会减少。封闭式支架。通过封闭式支架的底梁给底板岩层施加的反力提高了支架的整体支护阻力，也增加了支架控制底臌的支护阻力，改变底板岩层附近的应力状况，从而在一定程度上抑制底板岩层扩容、弯曲及膨胀变形的产生。加固法虽然可以起到一定的抑制底臌的作用，但在有强烈底臌趋势的巷道中不仅材料消耗大、支护费用高，而且并不能真正起到控制底臌的作用，原因在于加固法只能被动维护底板，在高应力、松软底板的条件下，封闭式支架底梁往往无法充分发挥其承载能力，致使向巷道内鼓起，失去控制底臌的能力；很多情况下，底板锚杆由于在松软底板岩层中锚固基础差而锚固力不足或延伸量不匹配而失效；底板注浆可提高底板浅部岩层的
9、强度，如注浆达不到底板岩层的破坏深度，则上部已加固岩层会被下部岩层顶起，因此，注浆控制底臌的作用也是有限的。（2）混凝土反拱混凝土反拱是一种适宜永久性巷道的底板支护措施，反拱具有较高而均匀一致作用于底板上的支护阻力。在巷道底板上按预定深度和形状挖出坑槽，再浇筑混凝土使其成为反拱。（3）卸压法卸压法与加固法控制底臌原理不同，主要通过切缝等一些方法改变巷道底板受力状况，使其处于应力降低区，从而保持底板稳定。国内外使用的卸压法包括底板切缝、钻孔、松动爆破及卸压煤柱等方法。 切缝。底板切缝可以将最大应力向围岩深部转移，使底板处于应力降低区，显著增加围岩的承载范围。底板切缝的卸压能力主要取决于切缝深度、
10、宽度及形状、切缝与开巷的间隔时间等。 打钻孔在底板打钻孔的卸压机理与切缝类似，此法可以归结为以下几点：A 底板打钻后，周边应力峰值显著减小，应力向围岩深部转移转移；B 打钻孔后，底板内形成一个卸压区，在开孔区域以外附近形成一个高压区，使更大范围的岩层承载，提高了围岩的自承能力；C 钻孔的直径、孔深以及数目都影响着钻孔的卸压性能。一般随着孔径、孔深及孔数目的增加，卸压效果越来越明显。 松动爆破在底板内进行松动爆破后，出现众多人为裂隙，使得底板附近的围岩与深部岩体脱离，原来处于高应力状态的岩层区卸载，将应力转移到围岩深部。另外，爆破后巷道形状发生了变化，以半圆拱形巷道为例，当未进行松动爆破时，在巷
11、道基角处会产生严重的应力集中现象，导致底板岩层失稳、破坏。当实施松动爆破后，巷道形状近似椭圆形，它消除了拱形巷道底部的基角，改善了巷道受力状态，减小了底臌。当然爆破后的底板仍需要加固，使加固部分对下面的岩层产生一定的阻力。否则，随着时间的推移，由于深部围岩的移动，会使底板重新鼓起。 卸压煤柱在回采巷道中运用卸压煤柱可以取得良好的效果。当工作面一侧的巷道没有卸压煤柱时，由于煤体内受应力集中作用，不仅使煤体严重向巷道内涌入，而且使底板承受过大的压应力而产生底臌。如果在工作面一侧的巷旁开一巷道，则回采巷道的受力状态就会发生很大变化，此时卸压煤柱的作用是传递应力，而不是承受应力。卸压煤柱压碎以后，可将
12、作用在其上的应力传递到较远的煤体上，使得卸压煤柱下的底板卸载，从而减小了巷道的底臌量。上述方法控制底臌的机理均在于将高应力向深部围岩转移，在底板形成应力降低区，从而减小底板的破坏范围，阻止底板向巷道内移动。它们都有各自的适用范围。底板切缝或打钻法在巷道两帮移近量小的情况下效果比较明显。相反，随着两帮移近量的增大，缝有可能闭合，起不到卸压作用。松动爆破工序比较复杂，有时还影响生产，所以在许多情况下不能采用。（4）巷旁充填法巷旁充填法控制底臌的原理与卸压煤柱相似，首先把巷道两帮一定范围内的煤采出，再填入充填材料，但充填材料的抗压强度不超过顶底板岩层，要求充填材料既有一定的支护阻力又有较好的让压性能
13、，使巷帮应力向深部转移，达到控制底臌的作用。（5）联合支护法根据具体条件，综合运用以上技术。联合法即将上述技术联合起来，一方面将巷道周边（特别是底板）的应力尽量向围岩深部转移，另一方面提高围岩的自承能力，并给予一定的支护力。联合法适合应力集中程度大、底臌严重的情形。加固巷道帮、角的措施有帮角注浆和帮角锚杆，其作用是： 减弱巷道角部应力集中程度，在两帮及角部形成自承能力较高的承载拱以控制两帮和底角围岩塑性区的发展； 提高巷道两帮与角部（尤其是底角）围岩的自承能力，减少两帮的变形；通过加固巷道帮、角，减少由于两帮破裂压缩下沉所造成的底臌、体积膨胀量、顶板的破裂和离层，从而减少巷道底臌和顶板下沉量。
14、目前，针对双采动影响下巷道围岩控制研究较少，几乎所有的回采巷道底臌控制技术都只能适应一定的条件。对一条特定的巷道来说，其底臌控制技术必须进行具体的分析。在选择底臌控制措施时，通常考虑两个因素：底臌控制效果和技术经济可行性，如果成本高昂，即使有着良好的底臌控制效果也不可能在矿山广泛推广应用。1.3 本项目的主要研究内容及目标1.3.1 主要研究内容针对古书院煤矿15#煤层预留巷道围岩变形的特点，对以下几方面的内容进行研究：（1）试验巷道的地质和生产条件详细调查；（2）研究巷道底板受力、变形特征；（3）试验巷道底臌原因及机理分析；（4）采用大型有限元分析数值计算软件，结合相似模拟，对受双采动影响的
15、试验巷道围岩应力、变形和破坏范围计算，分析各种因素对巷道底板稳定性的影响；（5）针对受双采动影响、严重底臌的预留巷道，研究制定科学合理的巷道围岩控制技术；（6）制定巷道井下施工和矿压监测方案；（7）指导日常监测，观测数据处理分析；（8）总结试验研究成果，编写课题研究报告。1.3.2 技术关键（1）沿工作面切眼欲裂爆破泄压围岩控制关键技术；（2）沿轨道巷欲裂爆破泄压控制底臌关键技术；（3）双采动影响下预留巷道围岩综合控制技术；（4）侧向钻孔应力监测及规律分析。1.3.3 主要技术经济指标（1）巷道两帮相对移近量控制在300mm以内；（2）顶底板相对移近量控制在300mm以内；（3）保证1523092巷道在两次回采期间的安全使用。1.3.4 项目研究技术路线项目研究手段主要包括方案设计，现场观测，内业数据处理与分析，理论分析，数值模拟等。项目研究技术路线如图2所示。图2 项目研究技术路线图2. 项目研究总体技术方案2.1预留巷道围岩物理力学参数测试现场采取煤样、岩样，测试其抗压强度、弹性模量、波速等物理力学参数，进行1523103巷道围岩稳定性评价、地质力学环境分析等。测试参数见表1。表1 煤岩样力学参数测试结果试件编号试件
