【正文】 表 37 圍巖附加應力指標分級表 采動影響 構造應力 弱 明顯 不明顯 一般 明顯 不明顯 強烈 明顯 不明顯 將巷道圍巖穩(wěn)定性等級 M 按照上 表 繼續(xù)進行選擇，得到巷道圍巖穩(wěn)定性的 最終 等級劃分 W。廣義地說，構造應力包括地質構造發(fā)生過程中，在地下巖體內所產生的應力，以及由于已結束的地質構造運動殘留于巖體內部的應力。 表 36 圍巖工程性質分級表 可錨性 可注性 較 好 可注 不可注 一般 可注 不可注 較 差 可注 不可注 將 巷道圍巖基本承載能力等級 S 按照上 表 繼續(xù)進行選擇，得到 巷道 圍巖 穩(wěn)定性的進一步等級劃分 M。圍巖可錨性以巖體的裂隙發(fā)育程度、錨固范圍內泥質巖體比例等做為衡量該指標的參考因素。 如前所述，圍巖的穩(wěn)定性不僅與頂板強度有關，而且與底板、兩幫巖體強度有關，因此巷道圍巖的基本承載能力系數 K 共選取 3 個，分別是巷道頂板、幫部、底板的承載能力系數，分別取為： 1K 、 2K 、 3K ，其表達式為 : 1 cRK H?? 頂 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 21 2 cRK H?? 幫 3 cRK H?? 底 （ 1）巖巷承載能力分級 根據巖巷頂、幫、底 的不同承載能力對其基本承載能力進行分級， 具體分級如下表所示。 雖然巷道圍巖強度和其所處應力狀態(tài)都直接決定著巷道圍巖的穩(wěn)定性，且這個兩個指標滿足獨立性的要求，但是在巷道圍巖分類中其中任意一個指標都不能準確反映巷道圍巖所處狀態(tài)，因為圍巖所處狀態(tài)不但由其本身強度決定，也要由其所受應力狀態(tài)決定，即這兩個指標不具有綜合性?；幢钡V區(qū)的構造應力并不是很明顯，因此在不考慮地質構造影響的前提下，可以認 為巖體中垂直壓力與上覆巖體的高度成正比。圍巖的穩(wěn)定性不僅與頂板強度有關，而且與底板、兩幫巖體強度有關。 基本指標 巖石的單軸抗壓強度能夠反映圍巖的力學、物理性質。由于 劃分指標 及具體選擇結果過多， 使用過程 中， 人工選擇教繁瑣，通過 編制 分類判定程序，輸入某一具體條件， 通過判定程序 按照給出的判定條件 迅速 確定其圍巖分類。礦區(qū)開采深度主要集中在 400~600m，即使在同樣采深條件下，由于巷道圍巖的復雜多樣性，使巷道的支護難度呈現出不同難度， 已有的巷道圍巖分類方法較多，分類的指標也不盡相同，前期也做過較多的淮北礦區(qū)的巷道圍巖分類，但由于礦區(qū)地質條件過于復雜化和多樣化，已有的分類方法對礦區(qū)巷道圍巖分類缺乏針對性和有效性。 淮北礦區(qū)煤巷圍巖穩(wěn)定性實用分類按定性分類實行，見表 35。結合實際情況，礦區(qū)資料比較全面的鉆孔柱狀圖等圍巖賦存結構和特征圖，比較直觀或容易獲得的是煤體硬度 ，根據已有實踐，確定影響煤巷穩(wěn)定及錨桿支護選型的最主要和敏感因素為煤體的強度和頂板層狀巖體賦存狀態(tài)，而采深、傾角、構造、巷道位置等指標可作為輔助指標處理。 表 32 短錨固拉拔試驗記錄表 巷道名稱 錨桿 序號 時間 巖性 錨桿長度 (m) 錨桿直徑 (mm) 孔徑 (mm) 錨固長度 (mm) 藥卷直徑 (mm) 拉拔力 (kN) 試驗人： 記錄人： 測試日期： 年 月 日 地質力學評估有兩個目的，第一，判斷出能否采用錨桿類支護的基本結論，應明確地表述巷道支護的難易程度，影響安全的地質特征，不能確定的地質因素并推斷其演變趨勢；應突出頂板的巖層結構和地下水的情況；第二，為圍巖分類提供一份全面的地質力學資料，便于開展圍巖分類。 (2)巖石力學性質 巷道支護設計所需的巖石力學參數包括單向抗壓強度、層面力學特性、巖石變形模量 、水分含量、富含粘土質巖層的潮濕敏感性等均可通過現場采取巖樣進行巖石力學試驗。 表 31 地質力學評估的內 容 序號 原始資料 說明與測取 1 2 倍巷道寬度范圍內頂板不同巖層層數與厚度 (m) 由鄰近鉆孔柱狀圖和已采工作面資料確定 2 各層節(jié)理裂隙間距 D1 (m) 指沿結構面法線方向上的平均間距，在巷道內或類似 條件巷道內測取 3 巖層的分層厚度 D2 (m) 指分層厚度的平均值 4 巖石的單向抗壓強度 ζcr (MPa) 在井下直接測取，或利用巖樣在實驗室測定 5 煤層厚度 hc (m) 根據實際情況取值 6 煤層傾角 α (176?；夭善陂g巷道兩幫最大移近量 1000~1200 mm，頂底板移近量 700~900 mm，造成工作面不得不提前改棚、臥底，影響工作面推進。 Ⅱ 一采區(qū) 10 煤層為 I 類頂板。 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 12 表 22 孫疃礦 10 煤、 7 煤頂底板巖層力學參數 巖層 名稱 抗壓強度 (MPa) 抗拉強度(MPa) 抗剪強度 (MPa) 內聚力 （ MPa） 內摩擦角 （ 176。二水平已掘巷道返修率極高，維修工程量大。 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 10 表 21 許疃礦煤層頂底板巖石物理力學性質測試 結果 樣品編號 層位 巖性 采樣地點 物 理 性 質 試 驗 力 學 性 質 實 驗 比重 kg/m3 容重 kg/m3 空隙率 % 抗壓強度 /MPa 抗拉強度 /MPa 變形參數 平均值 變化范圍 平均值 變化范圍 彈性模量 /GPa 變形模量 /GPa 泊松比 XT01 32煤老頂 灰色粗砂巖 3234 軌道巷 2824 2782 ～ ～ XT02 32煤直接頂 灰色砂質泥巖 3234軌道巷 2720 2621 ～ ～ XT03 32煤直接底 深灰色泥巖 3233 機巷 2565 2442 ～ ～ XT05 32煤直接頂 灰色細砂巖 3234 風巷 2732 2685 ～ ～ XT06 32煤直接底 深灰色泥巖 3234 風巷 2598 2536 ～ XT08 32煤直接頂 灰黑色泥巖 3233 風巷 2458 2401 ～ ～ XT10 82煤頂板 灰色粗砂巖 8223 2809 2754 ～ ～ XT13 82煤底板 深灰色泥巖 8223 2536 2466 ～ ～ XT17 71煤底板 深灰色泥巖 7124 風巷 2517 2432 ～ ～ XT18 71煤頂板 淺灰色粗砂巖 7124 風巷 2622 2594 ～ ～ XT20 72煤底板 灰黑色泥巖 7215 2499 2429 ～ ～ XT22 71煤底板 深灰色泥巖 7114 2544 2433 ～ ～ XT23 71煤頂板 灰色泥巖 7114 2568 2504 ～ ～ XT24 32煤直接頂 灰色泥巖 3234 風巷 2816 2740 ～ ～ XT25 32煤老底 淺灰色粗砂巖 3234 風巷 2630 2602 ～ ～ XT27 32煤老底 淺灰色粗砂巖 3234 風巷 2813 2722 ～ ～ 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 11 宿縣礦區(qū) 1）朱仙莊煤礦 朱仙莊煤礦南部二水平（一水平 400 m，二水平 680 m）開拓與延伸巷道普遍采用半封閉棚式 U29 型鋼配合錨噴支護形式，棚距 600 mm，局部加密至 500mm，但因地壓大、巖性 差、斷層與構造地質條件復雜，造成二水平已施工巷道普遍存在噴層開裂、卡纜斷裂、支架腿子扭曲、頂梁尖角變形、幫部劇烈位移變形、底板破裂鼓起等，破壞情況如圖 21 所示。從已有的類似條件看，該類巷道掘進期間即表現為四周來壓。 其 8102 綜放工作面 基本 頂為細 ~中砂巖，厚度 ~ m，平均 米，灰白色中厚層狀，以石英長石為主，硅鐵質膠結 ， 裂隙發(fā)育。 在背斜軸部，傾伏端，仰起端，由于應力集中，區(qū)域性和派生構造裂隙縱橫交錯，將巖石切割得支離破碎，再加上淋水的出現，無論何種巖石組成頂板，均屬于不穩(wěn)定型。 礦區(qū) 生產 礦井 圍巖 賦存 條件 項目針對淮北礦區(qū)幾個典型條件礦井的巷道圍巖 巖性、 地質力學 特性 進行調研，以便于準確評估淮北礦區(qū)圍巖賦存條件。 4) 新型礦壓觀測儀器的確定、礦壓觀測及動態(tài)監(jiān)控技術研究，包括圍巖變形、錨桿受力等常規(guī)觀測及大范圍的圍巖狀態(tài)測試技術和方法。 研究內容 和研究目標 研究工作主要在 淮北礦區(qū)開展，分析各個 礦井 煤巖層 條件跟蹤研究，在 兩 年內分三階段完成：第一階段 ，全面調研礦區(qū)內各個礦井的主要開采煤層條件，主要開采水平、礦壓顯現特征， 圍繞典型條件 開展 分類；第二階段 ，針對淮北礦區(qū)的圍巖特點， 提出并研究頂板 安全及 穩(wěn)定的判斷條件和支護對策；第三階段通過工 程應用修改和完善穩(wěn)定條件和支護對策。 棚式支護巷道事故發(fā)生主要原因總結為以下幾點： (1)壓垮型是因垂直于巷道頂板巖層層面的作用力壓斷或壓壞支撐力不夠、剛度不足的巷道支架而導致的頂板離層垮冒事故。 2)棚式支護巷道頂板事故的主要類型與原因 當前棚式支護巷道發(fā)生的主要事故類型如下： (1)壓垮型： ① 大斷面巷道頂板巖石壓垮型； ② 復合頂板、滑移面巖層壓垮型。頂板為極易離層性復合頂板，存在薄及中厚巖層交互組成，并有 ~ 米以下較弱巖層或煤層，受地質構造運動影響，巖體與原巖體之間多為光滑結構面，掘巷后頂板就會發(fā)生較大范圍的離層垮冒，若該范圍較小，通常發(fā)生錨桿錨固區(qū)整體垮冒；假如該范圍非常大，錨桿錨固 區(qū)外存在明顯的軟弱夾層，使得錨桿錨固區(qū)上方巖體整體垮冒，特別是一般錨索被拉斷，發(fā)生大面積頂板垮落。 (2)頂板結構破碎。 (2)整體垮冒 型： ① 掘進工作面復合、鑲嵌型圍巖墜矸整體垮冒； ② 錨桿錨固區(qū)內離層頂板整體垮冒； ③ 錨桿錨固區(qū)外離層頂板整體垮冒。煤層錨桿支護巷道的后期維護責任不明，職責不清，維修不及時。在選取支護方案時，過多地考慮了支護成本，而人為地降低了支護等級。 冒頂事故的原因進行了詳細分析，并總結如下： 1) 對巷道地質條件的變化掌握不清。 3) 巷道冒頂前大多有明顯的預兆。 2) 冒頂地段一般都是地質條件發(fā)生變化的地點。在推廣過程中，也發(fā)生了多起冒頂事故。支護成本高，鋼材投入量大，一般年投入支撐鋼 2 萬噸左右。 礦區(qū)頂板災害狀況 淮北礦業(yè)集團位于安徽省北部，開采石炭二疊系石盒子組及山西組的煤層，所采煤層均為典型的 “三軟 ”煤層。由于對深部巷道地壓的規(guī)律性認識不夠清楚，深部巷道頂板更大范圍巖體進入破裂區(qū)使頂板的離層垮冒傾向性更大，因而防止頂板的垮冒、保證頂板的安全難度更大，所有這些都需要提高礦壓的監(jiān)測、頂板的及時防 控技術水平，開發(fā)研究對支護質量的檢測、地質小構造、巖層厚度及結構的探測技術和儀器，建立錨桿支護質量與安全評價體系，開展施工質量檢測內容、監(jiān)測手段以及動態(tài)連續(xù)監(jiān)測與預警的研究。目前，還沒有單體液壓支柱工作面工程地質評價與頂板危險性分級的研究，缺乏系統完善的頂板穩(wěn)定性控制的動態(tài)設計及事故隱患診斷、預警的專家系統，缺乏利用現代電子信息技術開發(fā)的簡便、可靠、快速的診斷儀器。在厚層堅硬頂 板和覆巖鄰近松散承壓含水層條件下，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 2 頂板的大面積突然失穩(wěn)垮落不僅產生對支架的動力沖擊，造成大量支架壓死和損壞事故，還會引起礦震、誘發(fā)煤和瓦斯突出、突水等連鎖災害事故。因此，在當前我國礦山安全形勢依然非常嚴峻的情況下，重視頂板災害事故的控制，開展頂板災害防治關鍵技術的科技攻關已是當務之急，是我國煤礦和非煤礦山安全高效開采的迫切要求。如由于頂板發(fā)生冒落會全部或部分堵塞巷道，造成通風系統紊亂，進而會誘發(fā) 瓦斯及運輸事故 。因此，有效控制頂板事故和瓦斯事故，將有效遏制煤礦災害，從根本上改變煤礦的安全生產狀況。目前，全國煤礦頂板災害事故死亡人數居高不下，并且已超過瓦斯災害事故死亡人數，居煤礦各類災害事故之首。據統計， 199720xx 的 10 年間，煤礦頂板災害事故死亡人數占煤礦總死亡人數的 ％，煤礦瓦斯災害事故死亡人數占煤礦總死亡人數的 ％。近年來，國家加大了煤礦瓦斯災害防治的技術攻關和綜合治理力度，瓦斯災害已初步得到遏制，瓦斯災害事故死亡人數及所占比例明顯下降，取得了明顯成效。同樣，由于頂板的失穩(wěn)冒落，破壞了煤巖體的相對應力平衡，從而容易誘發(fā)工作面和巷道周圍的頂板動力災害。 復雜地質條件是礦山頂板災害事故的重要根源。上述頂板災害事故的發(fā)生，除了在支架合理選型方面缺乏與復雜地質條件的適應性和針對性外，主要是缺乏對復雜地質條件致災的工程地質評價和分類的研究，在松軟頂板硬化和堅硬頂板弱化技術上現有的技術還不能滿足頂板災害防控的要求，缺少有效的監(jiān)測預警手