【正文】 段。 大量巷道冒頂事故都發(fā)生在頂板賦存條件的變化過渡階段，多是由于對掘進頭前方的細微地質(zhì)構造和巖層厚度變化、水文條件變化不清楚，沒有及時采取針對性措施造成的。 構造應力場異常礦井和采動應力場疊加的高應力采區(qū)是頂板災害尤其是頂板動力災害的多發(fā)區(qū)。礦區(qū) 14 對生產(chǎn)礦井，年產(chǎn)原煤 20xx 萬噸左右，年進尺 20 萬米以上。為改善巷道支護狀況，降低支護成本，保證安全生產(chǎn)，自 1998 年以來，在所屬礦井全面推廣煤巷錨桿支護技術，取得突破性進展。針對煤層巷道圍巖復雜多變的狀況，煤巷錨桿支護作為一種新的工藝，如何保證施工安全，結合近年的生產(chǎn)實踐做一探討。如小斷層、頂板裂隙發(fā)育或近距離煤層的層間距變小，頂板錨桿錨固點附近有煤線或有明顯的巖層弱面存在。如巷道變形量大、片幫、錨桿失效、 頂板離層并有明顯的彎曲下沉等。特別是小班施工時對頂板變化不進行觀測，也不及時匯報，工程技術人員無法及時掌握和了解現(xiàn)場的變化，未采取及時有效的措施來應對。 3) 生產(chǎn)管理中存在質(zhì)量控制問題。 常見頂板事故類型 煤礦頂板事故時有發(fā)生，總結分析了常見頂板事故類型及原因，并對巷道支護理論與技術以及軟弱夾層頂板巷道的研究現(xiàn)狀進行闡述。 (3)擠壓垮冒型： ① 水平應力擠壓頂板離層垮冒； ② 采空區(qū)邊緣巖層移動擠壓巷道頂板離層垮冒； ③ 地下水持續(xù)作用頂板引起的頂板擠壓垮冒。頂板為鑲嵌型結構、碎裂結構，并發(fā)育有多組軟弱結構面，其貫通性好，將巖體切割破碎，頂板整體強度低，開挖后自穩(wěn)能力差。 (4)應力環(huán)境影響。 (2)推垮型： ① 大傾角巷道推垮型； ② 強采動 影響、圍巖應力異常、地質(zhì)條件惡化造成推垮型頂板事故。 (2)推垮型是由于平行于巷道頂板巖層層面的頂板力推倒穩(wěn)定性 差的巷道支架而引發(fā)的頂板事故。研究內(nèi)容和預期目標如下： 1) 深部巷道圍巖基礎條件研究和類別確定，包括典型深部軟巖巷道圍巖賦存條件及物理力學性能測試，深入開展典型深部軟巖巷道地質(zhì)力學評估及圍巖穩(wěn)定性評價，并確定其維護特征及類別。 5) 深部巷道施工控制技術和工業(yè)性試驗研究，包括動態(tài)過程控制技術、分步加固的施工工藝技術研究和具體條件的工業(yè)性試驗研究。 閘河礦區(qū) 1）朔里煤礦 采掘活動主要分布在六煤層、三煤層、五煤層中。 2）石臺煤礦 石臺煤礦現(xiàn)有三個開采水平，相比較而言， 一水平 (250 m)礦山壓力顯現(xiàn)不明顯，二水平 (450 m)較明顯，三水平 (650 m)較突出，總體來說，礦井開采水平對石臺煤礦支護效果并不存在根本性的影響，支護方式仍沿用傳統(tǒng)的架棚、錨噴，基本能夠滿足安全生產(chǎn)需要，不同的是架棚支護形式中 U 型鋼棚的用量比重呈逐步上升趨勢，工字鋼棚用量略有減少。 8102 風巷及機巷平均埋深 582m，地壓顯現(xiàn)明顯，煤層普氏系數(shù)僅為 。 7 煤、 8 煤層回采巷道特別是沿空掘進巷道的圍巖穩(wěn)定性極差，巷道變形量大，前掘后修，架棚巷道主要表現(xiàn)為鋼梁彎曲、失穩(wěn)變形，棚腿鉆底或赤腳、底鼓嚴重和頂板下沉。 (a) 巷道底鼓 (b)巷道變形情況 圖 21 朱仙莊礦二水平巷道圍巖變形 巷道主體工程位于斷層群內(nèi)，縱跨十多層巖層，層位結構極其復雜，層理紊亂，裂隙十分發(fā)育，巖石強度很低，屬于典型的松軟破碎巖層。 Ⅱ 5 回風上山巷道主體工程位于斷層群內(nèi)，縱穿十多個巖層，支護難度極大。） 彈性模量 (MPa) 10 煤 底板 103 10 煤 頂板 103 7 煤 底板 103 7 煤 頂板 103 4）蘆嶺煤礦 目前開采的煤層有 10 煤層 二采區(qū) 8 煤層頂板較為平整，穩(wěn)定性較好，裂隙不太發(fā)育，屬 II 類頂板，局部為III 類頂板。 9 煤層屬于 “三軟 ”煤層，煤層的普式硬度系數(shù)一般小于 ，頂板一般為泥巖或者砂質(zhì)泥巖，遇水易膨脹，容易造成底臌，巷道幫、頂損壞，巷道壓力 增大，支護難度加大，巷道維護量增大； 采空區(qū)老塘水對 9 煤層巷道掘進影響較大，水不但影響巷道環(huán)境，而且影響支護強度、質(zhì)量，造成巷道的底臌量大，壓力大，巷道容易冒頂、片幫，同時還受到采動影響，巷道維護極其困難。 淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 13 礦區(qū) 生產(chǎn) 礦井開采水平 表 23 礦區(qū)生產(chǎn)礦井開采水平 列表 礦區(qū)及礦井 序號 礦井 水平個數(shù)及位置 主采煤層 煤巷支護形式 巖巷主要支護形式 第一水平 第二水平 第三水平 閘河礦區(qū) 1 袁莊 150m 290m 450m 下山 31， 32， 4，6 工字鋼 U 型鋼 2 朱莊 150m 250m 420m 下山 4， 5， 6 工字鋼 +錨桿 U 型鋼 3 朔里 200m 上下山 3， 5， 6 工字鋼 +錨桿 U 型鋼 4 石臺 250m 450m 450m 下山 3 工字鋼 U 型鋼 5 岱河 250m 350m 350m 下山 3， 4， 5 工字鋼 U 型鋼 6 楊莊 170m 330m 500m 5， 6 工字鋼 +錨桿 U 型鋼 臨渙礦區(qū) 7 臨渙 450m 450m 下山 650m 在建 7， 8， 9， 10 U 型鋼 U 型鋼 8 海孜 475m 700m 3， 4， 7， 8，9， 10 工字鋼 +錨桿 U 型鋼 9 童亭 500m 上山 500m 下山 陳樓 塊段400m 7， 8， 10 工字鋼 +錨桿 U 型鋼 10 許疃 500m 32， 71， 72，8 工字鋼+U 型鋼 U 型鋼 +錨桿 宿縣礦區(qū) 11 朱仙 莊 435m 680m 二水平在 建 8， 10 U 型鋼 +錨桿 U 型鋼 12 蘆嶺 400m 590m 900m 8， 9， 10 U 型鋼 U 型鋼 13 桃園 520m 800m 已做好 5， 7， 8， 10 U 型鋼 +錨桿 U 型鋼 +錨桿 14 祁南 550m 800m 3， 6， 7， 10 U 型鋼 +錨桿 U 型鋼 +錨桿 15 孫疃 545m 7， 10 U 型鋼 +錨桿 U 型鋼 +錨桿 16 楊柳 569m 10 錨桿 +U型鋼 U 型鋼 +錨桿 亳州礦區(qū) 17 渦北 640m 8 U 型鋼 U 型鋼 18 劉店 641m 10 U 型鋼 U 型鋼 籌備礦井 19 青東 585m 81， 82 20 袁店 1 748m 3， 10 21 袁店 2 560m 7， 8 淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 14 小結 （ 1） 從淮北礦區(qū)的圍巖條件、開采水平、 地質(zhì)力學特征、 礦壓顯現(xiàn)特征可知，礦區(qū)內(nèi)圍巖賦存條件十分復雜 、 多變 ， 地質(zhì)條件的多 變性 給圍巖分類工作帶來很 多不確定因素 。) 由工作面地質(zhì)說明書給出，或在井下直接量取 7 煤層的單向抗壓強度 ζcc (MPa) 在井下直接測取，或利用煤樣在實驗室測定 8 巷道埋深 H (m) 地表到巷道的垂直距離 9 原巖應力大小與方向 井下實測 10 再生應力大小和方向 安裝再生應力傳感器進行實測和監(jiān)測或通過數(shù)值模擬軟件計算得出 11 地質(zhì)構造情況描述 工作面地質(zhì)說明書 12 水文情況描述 工作面地質(zhì)說明書 13 煤柱寬度 X (m) 煤柱的實際寬度 14 錨桿在頂板中的可錨性能 Pr (kN) 現(xiàn)場短錨固拉拔試驗的拉拔力 Pr (kN) 15 錨桿在煤層中的可錨性能 Pr (kN) 現(xiàn)場短錨固拉拔試驗的拉拔力 Pr (kN) 16 巷道幾何形狀與尺寸 滿足現(xiàn)場要求 淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 16 地質(zhì)力學評估主要包括 3 部分內(nèi)容： (1)圍巖應力 原巖應力實測以及圍巖力學參數(shù)測試是煤巷錨桿支護的基礎性實測工作，支護設計所需的地應力參數(shù)必須通過現(xiàn)場實測獲得。 (3)圍巖的可錨性 短錨固拉拔試驗是錨桿支護的常規(guī)實測項目 (見表 32)，用于評價巷道圍巖的可錨性。 礦區(qū)煤巷圍巖分類 （ 1）分類方法介紹 淮北礦業(yè)集團主要開采 4 個煤田，地質(zhì)類別跨度大 ，影響巷道穩(wěn)定的因素復雜多變，因而煤巷支護設計不得不更多地依賴于巷道圍巖穩(wěn)定性分類系統(tǒng)。由此確定兩個單項指標：第一，頂板賦存狀態(tài)，它決定了巷道的基本支護方式，對安全可靠性影響大，必須準確把握；第二，煤層硬度，它對巷道的最終變形量影響很大，在很大程度上決定著支護效果。在取得豐富的基淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 18 礎性實測資料和深化理論研究的基礎上，進一步研究定量分析方法，使圍巖穩(wěn)定性分類更具科學性、合理性和可操作 性。圍巖條件的復雜性、多變性是影響礦區(qū)巷道圍巖穩(wěn) 定性與支護難度的關鍵因素。 劃分指標的選取與 分類步驟 在實際中，可供選擇的影響巷道圍巖分類的指標往往很多，如考慮地質(zhì)因素、受力源、圍巖物理力學性質(zhì)、開采技術條件等，全面考慮各種影響因素是不現(xiàn)實的，但分類指標的選取不是任意的，所選分類指標的必須具備以以下特性： ① 有代表性，指標間有明顯的差異性，每個指標應能反映對象的某一方面的特征一定的普遍適應性； ② 可測性，具體指標的選定還要考慮研究對象和目的，使指標具有可測性： ③ 獨立性，同一層次的各指標間盡量不相互重疊，相互間不存在因果關系： ④ 綜合性，選定的指標體系應能綜合反映對象各方面的特性或特征。巷道開挖后，圍巖不僅是淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 20 外部荷 載的傳遞介質(zhì)，同時還承受外部巖體傳來的荷載，對巷道空間起到保護作用。因此，巷道頂板強度 Rc 頂 、幫部強度 Rc 幫 、底板強度 Rc 底 對巷道圍巖穩(wěn)定起到直接作用。由廣義虎克定律可知側壓力同樣也與上覆巖體的高度成正比，即圍巖中的應力與巖體所處的深度成正比。 課題采用巷道圍巖基 本承載能力作為礦區(qū)巷道圍巖分類的基本指標。 表 34 巖巷 基本 承載能力分級表 頂板承載能力系數(shù) 幫部承載 能力系數(shù) 底板承載能力系數(shù) 1K ≥4 2K ≥4 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ ≤ 2K ＜ 4 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ 2K ＜ 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ ≤ 1K ＜ 4 2K ≥4 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ ≤ 2K ＜ 4 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ 2K ＜ 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ 1K ＜ 2K ≥4 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ ≤ 2K ＜ 4 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ 淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 22 2K ＜ 3K ≥4 ≤ 3K ＜ 4 3K ＜ （ 2）煤巷承載能力分級 根據(jù)煤巷頂、煤體、底的不同承載能力對其基本承載能力進行分級，其中，煤體的承載能力系數(shù)按其普 氏 系數(shù) f 選擇，具體分級如下表所示。 （ 2）圍巖可注性 通過注漿可以將破碎圍巖重新膠結成整體，改善圍巖的結構及其物理力學性質(zhì)，既提高圍巖自身的承載能力，又為錨桿提供了可 靠的著力基礎，使錨桿對松散圍巖的錨固作用得以發(fā)揮。 附加應力指標 （ 1）采動影響 此處主要考慮巖巷受工作面的采動影響，而回采巷道受工作 面回采影響一般只需超前工作面巷內(nèi)加強支護即可，不影響煤巷的圍巖分類。構造應力的基本特點是以水平力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性。 淮北礦區(qū)巷道圍巖分類 、巷道斷面選擇 及 控制技術 按 上述 表格進行 巷道圍巖穩(wěn)定性劃分后， 出現(xiàn)了不同 詳細的圍巖類別，進行歸納整理如 以 下 兩 表所示，即淮北礦區(qū)巷道圍巖分類的初步結果，并給出對應的支護對策與方案。因此在構造區(qū)域，構造應力是影響巷道圍巖穩(wěn)定 的一個重要因素。 淮 北礦區(qū)深部開采巷道地壓控制及頂板災害防治關鍵應用技術開發(fā)研究 結題 報告 24 （ 2）構造應力 構造應力是由于地殼構造運動在巖體中引起的應力。決定圍巖可注性的因素主要包括圍巖的裂隙發(fā)育程度、泥質(zhì)巖體所占比例、巖體的遇水膨脹性等。 圍巖工程性質(zhì)指標 圍巖工程性質(zhì)是來量化巷道圍巖在支護工程施工中表現(xiàn)出的工程特性以及對支護手段的適應性，主要包括以下指標： （ 1）圍巖可錨性 若圍巖的可錨性差，錨桿沒有好的著力基礎，其錨固力會得不到有效發(fā)揮，因此圍巖可錨性的好壞決定著錨桿支護效能的發(fā)揮。 按照巷道圍巖實際受力情況及工程經(jīng)驗，認為 K 的取值與圍巖承載能力之間的對應關系如下： K ≥4，圍巖承載能力較高，圍巖穩(wěn)定性最好； ≤K ＜ 4，圍巖承載能力一般，圍