【正文】 .............44 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 .................................................................................................................45 錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì) ....................................................................................................................46 小結(jié) ..........................................................................................................................525 設(shè)計(jì)方案應(yīng)用效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究 .............................................................................55 實(shí)驗(yàn)工作面的基本情況 ..........................................................................................55VII / 87 工作面位置及地質(zhì)概況 ...........................................................................................................55 瓦斯賦存及水文地質(zhì)情況 .......................................................................................................55 頂板離層檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置及觀測(cè)方法 ......................................................................55 綜合監(jiān)測(cè) ...................................................................................................................................55 日常監(jiān)測(cè) ...................................................................................................................................57 巷道圍巖位移監(jiān)測(cè) ..................................................................................................57 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 ......................................................................................................58 表面位移觀測(cè)結(jié)果及分析 .......................................................................................................58 頂板離層觀測(cè)結(jié)果及分析 .......................................................................................................63 兩幫離層觀測(cè)結(jié)果及分析 .......................................................................................................65 小結(jié) ..........................................................................................................................676 沿空掘巷安全保障技術(shù) .............................................................................................69 沿空掘巷防治采空區(qū)瓦斯技術(shù) ..............................................................................69 沿空掘巷防老空水技術(shù) ..........................................................................................697 結(jié)論 ..............................................................................................................................73參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................75學(xué)位論文集 .....................................................................................................................79 1 / 871 緒論 研究的背景和意義平煤集團(tuán)八礦錨桿支護(hù)在集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)和科研院所、大專院校及生產(chǎn)制造廠家的支持配合下，從無到有，逐步發(fā)展壯大，積累了八礦錨桿支護(hù)的一整套經(jīng)驗(yàn)方法。認(rèn)為煤柱留寬以 為宜。采用相似模擬實(shí)驗(yàn)研究復(fù)雜條件下煤層開采側(cè)向支承壓力分布，得出深部開采條件下，支承壓力的影響范圍較淺部更大，應(yīng)力集中系數(shù)更高；初次跨落步距較大，根據(jù)工作面?zhèn)认蝽敯褰Y(jié)構(gòu)和頂板支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特點(diǎn)，將側(cè)向分為 4個(gè)區(qū)域。I / 87摘 要隨著礦井開采深度的增加以及煤層傾角的增大，回采巷道，特別是靠近采空區(qū)一側(cè)的巷道礦壓顯現(xiàn)特征與淺部的緩傾斜煤層呈現(xiàn)明顯不同，同時(shí)區(qū)段巷道壓力較大、維護(hù)困難，巷道維護(hù)問題已成為制約生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，為此，本文結(jié)合平煤天安八礦實(shí)際情況，對(duì)深部回采巷道礦壓特征進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)沿空掘巷留煤柱寬度及錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。采用 FLAC3D 數(shù)值模擬軟件模擬煤層傾角對(duì)側(cè)向支承壓力的影響，得出隨著煤層傾角的增大，側(cè)向應(yīng)力峰值及卸壓區(qū)的范圍均減小，且角度越大峰值下降幅度越大。采用錨桿支護(hù)理論，相似模擬及數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合八礦地質(zhì)條件，對(duì)沿空掘巷留煤柱寬度及錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，在己 1511150 回風(fēng)巷布置測(cè)站，觀測(cè)頂?shù)装?、兩幫移近量及離層情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明位移量及離層情況較小，且過幾天后穩(wěn)定，說明優(yōu)化后效果明顯。目前，平煤八礦煤巷錨桿支護(hù)率達(dá) 60%以上，錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用在丁組煤層、戊組煤層，支護(hù)效果都很好。而且八礦采區(qū)巷道系統(tǒng)復(fù)雜，隨著礦井開采深度的增加以及煤層傾角的增大，回采巷道，特別是靠近采空區(qū)一側(cè)的巷道礦壓顯現(xiàn)特征與淺部的緩傾斜煤層呈現(xiàn)明顯不同，導(dǎo)致區(qū)段巷道位置確定缺乏科學(xué)依據(jù)，采用傳統(tǒng)的加棚支護(hù)和普通錨桿支護(hù)及常規(guī)的施工方法已不能滿足安全生產(chǎn)的需要。為了合理布置巷道，盡可能減少相鄰開采形成的側(cè)支承壓力對(duì)下區(qū)段巷道的影響，很有必要對(duì)八礦特定復(fù)雜條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)研究，并結(jié)合其它安全生產(chǎn)要求，提出科學(xué)合理的區(qū)段煤柱參數(shù)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 深部工程的發(fā)展趨勢(shì)至于“深部”的概念，世界各國的采礦界一致認(rèn)為，深部開采是由于礦床埋深較深，而使生產(chǎn)出現(xiàn)一些在淺部礦床開采時(shí)很少遇到的技術(shù)難題的礦山開采。另外，世界上主要采礦國家的專家學(xué)者針對(duì)本國的地下工程引起的巖石力學(xué)問題，各自定義了其深部范圍，比如日本把深井的“臨界深度”界定為600m；英國和波蘭則將其界定為 750m；德國將埋深超過 800～1000m 的礦井成為深井，將埋深超過 1200m 的礦井稱為超深井開采；南非、加拿大等采礦業(yè)發(fā)達(dá)的國家，礦井深度達(dá)到 800～1000m 才稱為深井開采 [15]，我國深部開采的深度通常被界定為：煤礦 800～1500m，金屬礦山 1200～2022m [68]。深井巷道礦山壓力控制是深部開采面臨的急待解決的重大技術(shù)課題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國外煤礦礦井開采深度增長速度為 8～12m/a，平均遞增速度10m/a。在俄羅斯，僅頓巴斯礦區(qū)就有 30 個(gè)礦井的采深達(dá)到 1200m～1350m。20 世紀(jì) 50 年代，我國的立井深度平均不到 200m，而 90 年代平均己達(dá)600m，相當(dāng)于平均每年以 l0m 的速度向深部延伸。早在“八五 ”期間，國內(nèi)新建的 65 個(gè)礦井的平均深度就己達(dá) 588m，其中深度在 1000m 以上的井筒就有 12 個(gè)。此外，新汶礦區(qū)的大部分礦山己轉(zhuǎn)入深部開采，平均開采深度達(dá) 900m 以上，如孫村煤礦（1055m） ，華豐煤礦（1070m） 。研究表明，隨著井深的增加，深部巖層壓力迅速增長，給深井建設(shè)和開采造成了嚴(yán)重困難，其中支架折損、支護(hù)破壞、巷道失穩(wěn)就是一個(gè)最直接的后果。我國在這方面的研究起步較晚，與我國煤礦深井開采的現(xiàn)狀不適應(yīng)，一些礦井進(jìn)入深部開采后在巷道布置和開采部署上仍沿用淺部的方法和理論。3 / 87 沿空掘巷上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的研究綜述國內(nèi)外對(duì)采場(chǎng)上覆巖層破斷特征和活動(dòng)規(guī)律開展了大量的研究 [9～11] ，提出了采場(chǎng)上覆巖層的關(guān)鍵層理論、基本頂及關(guān)鍵層的斷裂規(guī)律，S－R 穩(wěn)定性原理等。針對(duì)沿空掘巷圍巖力學(xué)環(huán)境和維護(hù)特點(diǎn)，對(duì)巷道上覆巖層穩(wěn)定狀況、沿工作面傾斜方向上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律研究很少。文獻(xiàn)[119]將基本頂沿傾斜方向形成的結(jié)構(gòu)作為沿空掘巷圍巖的大結(jié)構(gòu)，基本頂在工作面端頭形成的弧三角形塊視為巷道上方的關(guān)鍵塊，定性分析了關(guān)鍵塊在巷道不同從階段的穩(wěn)定性，認(rèn)為關(guān)鍵塊在不同階段是穩(wěn)定的，為沿空掘巷創(chuàng)造了良好的外部力學(xué)環(huán)境。護(hù)巷煤柱寬度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響主要有兩個(gè)方面，一是煤柱寬度影響巷道圍巖應(yīng)力；二是煤柱寬度影響巷道圍巖完整性。②留設(shè)窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支撐作用極小，增加了巷道跨度和懸頂距，巷道壓力增大、維護(hù)困難。④留窄煤柱改善巷道掘進(jìn)條件，對(duì)加快掘進(jìn)速度以及隔離采空區(qū)是有利的。文獻(xiàn)對(duì)煤柱寬度做了詳細(xì)的評(píng)述，并提出用智能決策系統(tǒng)和人工神經(jīng)元網(wǎng)格選擇煤柱寬度的方法。 錨桿支護(hù)原理及技術(shù)的研究綜述支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，失去了錨桿支護(hù)理論的工作，取得了許多重要的成果，如傳統(tǒng)的懸吊理論、組合梁理念、壓縮拱理論、圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論、最大水平應(yīng)力理論等 [28]，它們解釋了特定條件下的錨桿支護(hù)機(jī)理，對(duì)錨桿支護(hù)的作用有了不同程度的認(rèn)識(shí)，至今對(duì)特定條件巷道的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)仍然具有指導(dǎo)意義，近幾年國內(nèi)外開展了錨桿支護(hù)提高巷道圍巖力學(xué)性能的研究，認(rèn)為：系統(tǒng)布置錨桿可以提高錨固體的極限強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)磨擦角等力學(xué)參數(shù)，錨桿支護(hù)可以改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變特性，錨固效果與錨桿長度、密度及錨桿材料性質(zhì)有關(guān)，錨固效果隨巖體強(qiáng)度提高而減小，系統(tǒng)布置錨桿的圍巖可看作力學(xué)參數(shù)提高而均化的巖體等。錨桿上的剪力指向相背的分界點(diǎn)，稱為中性點(diǎn)。由中性點(diǎn)想錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)力逐漸減小。董方庭等 [30](1994)在對(duì)巷道圍巖狀態(tài)進(jìn)行深入研究后提出了圍巖松動(dòng)圈巷道支護(hù)理論。巷道支護(hù)的主要對(duì)象是圍巖的松動(dòng)圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中產(chǎn)生的碎脹變形力，錨桿承受拉力的來源在于松動(dòng)圈的發(fā)生與發(fā)展，根據(jù)松動(dòng)圈厚度值的大小，將其分為小、中、大三類。前蘇聯(lián)的煤礦科學(xué)研究院提出了一套計(jì)算錨桿支護(hù)參數(shù)的能量原理 [3233]。在有錨桿支護(hù)的情況下，巖體的彈塑性位移受到錨桿阻擋，其能量表現(xiàn)為阻擋功能，阻止圍巖應(yīng)變能的繼續(xù)釋放?；谏鲜鲇^點(diǎn)，該院推到了一些計(jì)算公式，并將其簡化為圖表形式。蔣樹萍 [34]也從能量的角度討論過錨桿的合理布置問題。以平煤天安八礦己二采區(qū)地質(zhì)條件為依據(jù)，以鄰近礦井的實(shí)際觀測(cè)資料為參照，采用類比與相似材料模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究八礦己組煤層開采時(shí)該條件下側(cè)支承壓力的分布規(guī)律，為今后多煤層采區(qū)巷道布置提供參考。(3) 平煤八礦深部沿空掘巷斷面、支護(hù)方式及參數(shù)，以及施工工藝優(yōu)化研究平煤八礦淺部錨網(wǎng)支護(hù)得到了大面積的推廣，并取得了良好的成效，也積累的豐富的經(jīng)驗(yàn)，但在深部復(fù)雜的開采技術(shù)條件下，不能照搬照抄，必須結(jié)合深部實(shí)際的開采情況，從巷道斷面設(shè)計(jì)、支護(hù)方式及參數(shù)，以及巷道施工工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。(5) 沿空掘巷支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)在回采巷道內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)巷道頂?shù)装逑鄬?duì)變形、兩幫相對(duì)移近量等參數(shù)，對(duì)巷道的支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)和分析煤柱尺寸、巷道支護(hù)方式及參數(shù)的適宜性，并修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。首先采用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究傾角對(duì)側(cè)向支承壓力的影響，然后采用相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究八礦特定條件下側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，再次基礎(chǔ)上，對(duì)深部回采巷道斷面、煤柱尺寸、巷道支護(hù)方式及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，并對(duì)巷道的支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)巷道的