[00904922]不同类型巷道围岩支护松动圈测定及应用研究

通过川煤集团下属26对矿井75条回采巷道、21条非回采巷道围岩松动圈的现场测试和计算机数值模拟研究，综合分析了测试巷道的围岩性质及破坏特征；再根据大松动圈支护理论、高预紧力锚杆（索）作用机理及非对称支护技术，针对川煤集团下属矿井不同断面类型的巷道提出了大松动圈围岩支护参数，并对川煤集团下属矿井以后新掘回采巷道的断面形状、支护参数及掘进方式等提出了技术要求。综合前面的研究结果，得到如下主要研究结论： （1）巷道顶板岩性及完整性。对所测试回采巷道直接顶岩性统计分析发现，顶板岩体多为硬度较小的泥岩、泥质粉砂岩，少数为粉砂岩，煤层顶板多为松软、破碎类岩体，抗震及遇水抗软化能力差。另外，对巷道顶板围岩完整性的打分评估结果显示，川煤集团下属矿井回采巷道的顶板多属于中等及中等以下围岩，完整性差。 （2）松动圈发育分布规律。利用现场实测资料、数值模拟结果和理论计算，获得了川煤集团下属各矿典型巷道的松动圈分布断面图，包含了回采巷道断面形状、断面尺寸、巷道围岩岩性、煤层倾角、松动圈分布范围及形状等内容；分析发现巷道围岩松动圈主要呈近似椭圆形分布、近似圆形分布及异形分布。近似椭圆形松动圈主要出现在煤层倾角较大的巷道，椭圆长轴沿煤层倾斜方向或者近似沿煤层倾斜方向，椭圆短轴沿垂直层面方向。具有近似椭圆形松动圈的巷道数量大，占研究巷道的56%。研究表明，当煤层倾角较大时，巷道断面形状对松动圈分布形状影响程度较小。近似圆形松动圈主要分布在煤层倾角较小，巷道断面接近矩形的巷道中。在煤层倾角较大时，也存在近似圆形对称分布的松动圈，形成原因较为复杂。异形分布松动圈可能主要是顶底板岩体完整性相差大、节理裂隙分布不均匀等造成的，也可能存在现场测试误差的原因。 （3）巷道围岩变形破坏特征。可以将松动圈测试回采巷道的断面形状分为矩形断面、倒梯形断面、异形断面、拱形断面、斜拱形断面及梯形断面等六种断面形式。利用3DEC离散元程序对巷道围岩的破坏区域进行了理论计算，发现松动圈测试巷道的顶板及两帮表面及浅部煤岩体主要为剪切-拉伸破坏，深部为剪切破坏，塑性区发展较深，破坏范围大。总体而言，巷道宽度越大，顶板破坏及变形越大；两帮的高度尺寸越大，两帮破坏及变形也越严重，甚至臌出；当巷道为煤岩体互层巷道时，煤体将沿层面滑移；在煤层倾斜方向，煤体破坏深度整体上大于岩体破坏深度。 从巷道围岩变形破坏过程可以看出，拱形、斜拱形断面及异形断面相对较稳定，倒梯形断面次之，矩形和梯形断面最差。回采巷道大多呈现出非对称破坏形式。 （4）巷道围岩控制对象及对策。结合巷道围岩岩性、顶板完整性、理论分析结果及松动圈测试数据，绘制了所测试巷道围岩松动圈分布图，得到顶板及两帮松动圈发展深度。研究结果表明，大部分回采巷道围岩的松动圈已穿过直接顶，发展到老顶；低帮松动圈发展到顶板，高帮松动圈发展到低板。巷道顶板及两帮松动圈深度值均大于1.5m。根据松动圈支护理论，川煤集团所测试回采巷道围岩的松动圈全部为大松动圈。根据有关研究成果，松动圈范围内的煤岩体及其碎胀力应是巷道支护、控制的对象。根据回采巷道非对称破坏特点，应采取非对称支护技术。 （5）测试回采巷道支护。根据巷道围岩大松动圈组合拱支护理论，结合高应力锚杆、锚索联合支护理论及非对称支护技术，对所测试75条回采巷道分别提出了相应的支护方案。在各种方案中，特别要求顶板及高帮锚杆长度大于低帮锚杆长度，锚杆采用加长锚固、髙预应力支护。由于非回采巷道基本成对称破坏形态，支护参数可以考虑对称形式布置。同时，提出了巷道围岩支护原则及断层区域、松软围岩应采取减小锚杆间排距、增加工字钢架棚、喷浆等特殊支护措施。 （6）新掘巷道支护。分析巷道断面形状数量及其与煤层倾角关系后发现，倒梯形断面使用数量最高，多集中在倾角36°以下煤层；拱形断面、斜拱形断面、梯形断面及异形断面其次，多在倾斜、急倾斜煤层使用；仅个别回采巷道采用了矩形断面。结合上述断面-倾角关系、顶板及两帮围岩破坏规律、回采巷道服务周期等特点，为了满足综合机械化开采要求，按照每个公司煤层编号，建议煤层倾角α≤30°、30°<α≤50°及α>50°的情况分别采取倒梯形断面、异形断面及拱形断面。另外，根据炮掘、综掘对巷道围岩破坏作用程度，要求巷道优先选择综掘工艺，禁止“三软”巷道采用炮掘工艺。最后，以煤层为单位对回采巷道进行了支护设计。 依托该项目申请国家发明专利2项，实用新型专利1项： （1）国家发明专利：一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法； （2）国家发明专利：一种自适应式巷旁充填装置及配套施工方法； （3）实用新型专利：一种沿空留巷挡矸装置。 该项目科技成果于2014年1月开始在攀煤公司、广能公司、芙蓉公司、达竹公司及广旺公司煤矿广泛推广应用。煤巷及半煤岩巷采用围岩松动圈大小来确定巷道支护参数，巷道的支护强度及效果已有明显改观，巷道变形得到可靠控制，巷道顶板更加安全；同时，前期支护条件的改善，也给巷道后期沿空留巷创造了有利条件；另外，也确保巷道断面及后期沿空留巷巷道正常通风，减少了工作面瓦斯超限事故。利用该科技成果不仅提高了矿井生产效率，也取得了不少经济效益。