【正文】 山西晉城無煙煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下 圍巖控制技術(shù) 研究 項目實施方案 晉煤集團(tuán) 古書院 礦 河南理工大學(xué) 20xx年 9月 25日 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下圍巖控制技術(shù) I 目 錄 1 項目的提出和主要研究內(nèi)容 .......................................................................................................... 1 立項背景 ............................................................................................................................... 1 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)概況 ........................................................................................................... 1 本項目的主要研究內(nèi)容及目標(biāo) ........................................................................................... 5 2. 項目研究總體技術(shù)方案 ................................................................................................................. 6 預(yù)留巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)測試 ........................................................................................ 6 預(yù)留巷道圍巖變形數(shù)值模擬實驗 ........................................................................................ 7 回采巷道圍巖變形監(jiān)測 ...................................................................................................... 10 超前支撐壓力及側(cè)向應(yīng)力觀測與分析 .............................................................................. 11 預(yù)留巷道現(xiàn)有支護(hù)效果綜合分析 ...................................................................................... 14 152309 工作面頂板弱化處理施工安全技術(shù)措施 ............................................................. 14 1523093 巷沿煤柱側(cè)切頂預(yù)裂爆破技術(shù)方案 ................................................................... 22 1523092 預(yù)留巷道 圍巖錨索加固控制技術(shù)方案 ............................................................... 26 1523092 預(yù)留巷道 圍巖注漿加固控制技術(shù)方 案 ............................................................... 28 3. 地點、試驗規(guī)模及研究進(jìn)度 ....................................................................................................... 33 4. 經(jīng)濟(jì)、社會效益及推廣應(yīng)用的前景 ........................................................................................... 33 附圖 1................................................................................................................................................. 35 附圖 2................................................................................................................................................. 35 附圖 3................................................................................................................................................. 35 附圖 4................................................................................................................................................. 36 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下圍巖控制技術(shù) 1 1 項目的提出和主要研究內(nèi)容 立 項背景 15煤層現(xiàn)作為古書院礦的主采煤層，工作面采用“兩進(jìn)一回”布置方式進(jìn)行回采，上一個工作面的回風(fēng)巷在回采過程中保留下來，作為相鄰下一個工作面的膠帶巷。預(yù)留巷道服務(wù)兩個工作面。在目前已回采過的工作面預(yù)留巷道受上個工作面的采動影響巷道出現(xiàn)不同程度的圍巖變形，巷道失去二次使用的作用。例如：在回采 151306 工作面過程中 1513062 巷（回風(fēng)巷）受初次采動影響底臌達(dá)到 ～ 米，在回采 151305 工作面過程中， 1513062 巷（膠帶巷）受二次采動影響底臌達(dá)到 ～ 米，巷幫片幫嚴(yán)重，頂板變化不大 ?；夭?152307 工作面過程中 1523072 巷（回風(fēng)巷）受初次采動影響底臌達(dá)到 ～ 米，巷幫片幫嚴(yán)重，頂板變化不大。在回采 152306 工作面過程中， 1523072 巷（膠帶巷）受二次采動影響底臌達(dá)到 ～ 米，巷幫片幫嚴(yán)重，頂板變化不大。 古書院礦圍巖變形實拍照片如圖 1。 通過已回采過工作面圍巖變形情況， 15煤預(yù)留巷道圍巖變形存在必然性，根據(jù) 15煤煤層地質(zhì)條件，采用“兩進(jìn)一回”布置方式進(jìn)行回采。預(yù)留巷道圍巖變形成為制約安全生產(chǎn)和采掘銜接的主要問題。 圖 1 古書院礦圍巖變形實拍照片 因此 ，開展研究項目“古書院礦 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下圍巖控制技術(shù)研究”，治理該條件下巷道底臌、片幫問題，保證預(yù)留巷道在服務(wù)期間圍巖的穩(wěn)定性，保證安全生產(chǎn)和工作面的正常銜接，對于古書院礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效有著重要意義。 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)概況 長期以來，回采巷道圍巖控制一直是人們所致力解決的一個熱點問題，其目的是為了保 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下圍巖控制技術(shù) 2 證巷道的正常使用，為礦井安全生產(chǎn)創(chuàng)造必要條件。巷道的穩(wěn)定性狀況取決于圍巖的地質(zhì)力學(xué)條件、采掘技術(shù)條件及支護(hù)條件等。實際工程中的回采巷道大多不具備保持自穩(wěn)狀態(tài)的條件，因此，必須采取一定的圍巖控制措施 。 底板 管理 是巷道 圍巖控制 的基礎(chǔ)，井下測試表明，在底板不支護(hù)的軟弱底板的回采巷道中，頂?shù)装逡平?的 2/3～ 3/4 是底臌引起的，底臌造成的巷道維修量要占維護(hù)總量的 80%以上。為了使巷道斷面保持一定的大小，保證生產(chǎn)能夠進(jìn)行，人們通常采用人工起底來處理底臌，這樣不僅浪費人力、物力，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，同時不能從根本上解決問題，需反復(fù)起底。 國內(nèi)外許多專家學(xué)者對煤礦巷道底臌機(jī)理和控制技術(shù)作了大量的研究工作，取得 一些重要的研究成果 。 在底臌量得預(yù)測方面，切爾尼亞克利用數(shù)理統(tǒng)計法對大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了預(yù)測巷道底 臌的經(jīng)驗公式。美國的 把底板巖層看作兩端固支的巖梁進(jìn)行分析，討論了底板巖層地應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定性。此外還有利用板殼理論建立了底板的壓曲微分方程，非線性大變形連續(xù)體力學(xué)理論也已用來進(jìn)行底臌量的計算。 在底臌顯現(xiàn)方面，姜耀東、陸士良根據(jù)巷道所處的地質(zhì)條件、底板圍巖性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的差異、底板巖層鼓入巷道的方式將底臌分為： ① 擠壓流動性底臌； ② 撓曲褶皺性底臌； ③遇水膨脹性底臌； ④ 剪切錯動性 底臌。王衛(wèi)軍、侯朝炯認(rèn)為回采巷道的底臌以擠壓流動性底臌和撓曲褶皺性底臌為主，隨著工作面支承壓力的增加，回采巷道的底臌量增加。巷道底臌的控制方法 總結(jié)如下： 雖然巷道底臌機(jī)理的研究相對緩慢，但目前國內(nèi)外各種控制底臌措施的探索工 作卻十分活躍，試驗成功了很多控制底臌的方法，歸納起來有以下幾種方法： （ 1）加固法 加固法就是對底臌巷道底板巖層進(jìn)行支護(hù)或增強(qiáng)其強(qiáng)度，從而提高底板巖層的穩(wěn)定性，減小底臌量。它包括底板錨桿、底板注漿及封閉式支架等形式。 ① 底板錨桿。底板錨桿主要有兩個作用，一是 把淺部不穩(wěn)定的巖層與下面穩(wěn)定巖層聯(lián)結(jié)在一起，二是通過底板錨桿在巷道底板形成組合巖梁，抑制下部巖層因擴(kuò)容引起的裂隙張開及新裂隙的產(chǎn)生，同時，也可限制下部巖層向上鼓起，可起到一定的阻止底板向巷道內(nèi)移動的作用。 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下圍巖控制技術(shù) 3 ② 底板注漿。底板注漿主要用來加固底板破碎巖層，漿液主要有水泥漿、聚胺脂、高水材料等。漿液滲透到巖層裂隙間，增加了破碎巖石之間的粘聚力，在底板中形成一個強(qiáng)度比破碎巖層大的反拱，從而在一定程度上阻止了下部巖層向上鼓起，同時，由于加固區(qū)巖層抗變形能力增加，故該區(qū)巖石的擴(kuò)容、彎曲位移 等會減少。 ③ 封閉式支架。通過封閉式支架的底梁給底板巖層施加的反力提高了支架的整體支護(hù)阻力，也增加了支架控制底臌的支護(hù)阻力，改變底板巖層附近的應(yīng)力狀況，從而在一定程度上抑制底板巖層擴(kuò)容、彎曲及膨脹變形的產(chǎn)生。 加固法雖然可以起到一定的抑制底臌的作用，但在有強(qiáng)烈底臌趨勢的巷道中不僅材料消耗大、支護(hù)費用高，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動維護(hù)底板，在高應(yīng)力、松軟底板的條件下，封閉式支架底梁往往無法充分發(fā)揮其承載能力，致使向巷道內(nèi)鼓起，失去控制底臌的能力；很多 情況下，底板錨桿由于在松軟底板巖層中錨固基礎(chǔ)差而錨固力不足或延伸量不匹配而失效；底板注漿可提高底板淺部巖層的強(qiáng)度，如注漿達(dá)不到底板巖層的破壞深度，則上部已加固巖層會被下部巖層頂起，因此，注漿控制底臌的作用也是有限的。 （ 2）混凝土反拱 混凝土反拱是一種適宜永久性巷道的底板支護(hù)措施，反拱具有較高而均勻一致作用于底板上的支護(hù)阻力。在巷道底板上按預(yù)定深度和形狀挖出坑槽，再澆筑混凝土使其成為反拱。 （ 3）卸壓法 卸壓法與加固法控制底臌原理不同，主要通過切縫等一些方法改變巷道底板受 力狀況，使其處于應(yīng)力降低區(qū)，從而保 持底板穩(wěn)定。國內(nèi)外使用的卸壓法包括底板切縫、鉆孔、松動爆破及卸壓煤柱等方法。 ① 切縫。底板切縫可以將最大應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，使底板處于應(yīng)力降低區(qū)，顯著增加圍巖的承載范圍。底板切縫的卸壓能力主要取決于切縫深度、寬度及形狀、切縫與開巷的間隔時間等。 ② 打鉆孔 在底板打鉆孔的卸壓機(jī)理與切縫類似，此法可以歸結(jié)為以下幾點： A 底板打鉆后，周邊應(yīng)力峰值顯著減小，應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移； B 打鉆孔后，底板內(nèi)形成一個卸壓區(qū)，在開孔區(qū)域以外附近形成一個高壓區(qū) ，使更大范圍的巖層承載，提高了圍巖的自承能力； 15煤預(yù)留巷道雙采動影響下圍巖控制技術(shù) 4 C 鉆孔的直徑、孔深以及數(shù)目都影響著鉆孔的卸壓性能。一般隨著孔徑、孔深及孔數(shù)目的增加，卸壓效果越來越明顯。 ③ 松動爆破 在底板內(nèi)進(jìn)行松動爆破后，出現(xiàn)眾多人為裂隙，使得底板附近的圍巖與深部巖體脫離，原來處于高應(yīng)力狀態(tài)的巖層區(qū)卸載，將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部。另外，爆破后巷道形狀發(fā)生了變化，以半圓拱形巷道為例，當(dāng)未進(jìn)行松動爆破時，在巷道基角處會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致底板巖層失穩(wěn)、破壞。當(dāng)實施松動爆破后，巷道形狀近似橢圓形，它消除了拱 形巷道底部的基角，改善了巷道受力狀態(tài)，減小了底臌。當(dāng)然爆破后的底板仍需要加固，使加固部分對下面的巖層產(chǎn)生一定的阻力。否則，隨著時間的推移，由于深部圍巖的移動，會使底板重新鼓起。 ④ 卸壓煤柱 在回采巷道中運用卸壓煤柱可以取得良好的效果。當(dāng)工作面一側(cè)的巷道沒有卸壓煤柱時，由于煤體內(nèi)受應(yīng)力集中作用，不僅使煤體嚴(yán)重向巷道內(nèi)涌入，而且使底板承受過大的壓應(yīng)