[01601625]近距离煤层群底板巷道围岩控制技术、装备研究及应用

贵州省大量赋存近距离煤层群资源。较之于单层煤开采,近距离煤层群开采的矿压显现规律更加复杂,围岩控制也难度更高。尤其是受煤田赋存以及开采布局和技术等因素影响,大量煤矿在采区两翼开采后,留下上、下山保护煤柱,煤层群开采后,复合煤柱内应力集中,并向深部底板围岩传递,大大劣化了底板巷道围岩的应力环境。为此,贵州理工学院巷道支护课题组在2013～2017年对贵州省几十家煤矿的巷道支护情况进行摸底排查。针对大量煤矿在煤柱下方布置的上、下山巷道、联络巷以及石门巷道群维护困难,返修率高的问题。从2015年开始,贵州理工学院、重庆大学、河南理工大学以及湾田煤矿等单位成立了《近距离煤层群开采复合煤岩柱下巷道控制技术研究及应用》课题组,以湾田煤矿首采区复合煤柱下巷道群围岩失稳为背景,在借鉴前人研究成果的基础上,综合采用调查研究、理论分析、数值模拟、现场观测等方法对复合煤柱下巷道围岩失稳机理、控制机理以及支护技术等关键问题进行研究。最终,成功实现了对复合煤柱下方巷道围岩的失稳治理以及关键施工装备研发,取得了可观的经济和社会效益。主要研究结论如下： （1）对煤矿巷道进行地质力学评估及矿压观测,基本弄清了巷道围岩地质力学特点及变形规律,为合理选取巷道支护形式和支护参数奠定了基础。总结了湾田煤矿巷道支护存在问题,主要包含基本生产及地质资料情况不明、锚杆支护形式设计不合理、锚杆支护参数计不合理、锚杆支护材料选择和施工机具设备配套、锚杆支护施工工艺和施工质量指标不明、无矿压监测等几个方面。 （2）揭示了近距离煤层群开采煤柱下应力传递规律以及巷道破坏机理。近距离煤层群开采过程中,煤柱承受的载荷会随着开采煤层的增多而升高,基于计算得到的煤柱集中应力,建立煤柱下应力传播力学模型,研究得到了不同煤柱载荷下的应力分布特征,并对圆形巷道在不同载荷下的围岩应力分布进行研究,结合矩形巷道数值模拟结果,提出控制巷道帮、角是治理巷道底鼓的关键; （3）确定了煤层群开采过程中煤柱及底板巷道围岩应力演化路径。结合湾田煤矿首采区煤层群开采实际,建立了FLAC数值模型,通过对模型中应力分布特征、塑性区演化以及巷道收敛变形特征进行研究,揭示了多工作面开采对不同位置下山巷道的采动效应,明确1408～1458水平内巷道破坏最为严重,其次为1458～1480水平巷道; （4）建立工作面调斜跨巷开采理论模型。基于工作面调斜后采场顶板呈直角梯形形态,建立了直角梯形薄板力学模型并给出了解析解。结合顶板弯拉破坏和剪切破坏准则,确定了调斜采场顶板破断判据,为实现基本顶（关键层）破断研究的定量预报提供理论基础。 （5）提出了近距离煤层群跨石门开采下的巷内分区支护技术。基于煤层群开采底板破坏深度、承载层厚度以及巷道顶板破坏高度计算得到煤柱下临界安全岩柱厚度,以此为依据,实现跨采期间石门巷道进行加强支护和常规支护的科学分区,确定运输石门加强支护距离为23m; （6）进行了水对岩石软化实验,得出高含水率岩层注浆不适宜使用水泥注浆;开发出适用于巷道底板及帮角注浆孔、锚索孔施工的360度旋转钻机,解决了巷道下行孔施工困难问题,使巷道支护技术和工艺能够得到实现,是理论与技术的有机结合。 （7）提出再造承载拱理论,并对承载拱的厚度进行了理论计算,得出巷道有效注浆厚度为7.91m,对破坏巷道进行注浆加固,恢复巷道围岩完整性,然后对巷道全断面进行高预应力强力锚索支护,使浅部围岩形成具有抗冲击破坏的强力壳体,充分发挥巷道围岩自身承载能力,最大限度地控制围岩塑性区域向深部发展,保证锚固体长期处于稳定状态。