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西安科技大学 硕士学位论文 复杂围岩大断面受损动压巷道修复技术研究 姓名李超 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师伍永平 论文题目复杂围岩大断面受损动压巷道修复技术研究 专业采矿工程 硕 士 生李超（签名） 指导教师伍永平（签名） 摘要 大佛寺煤矿 40106 综放工作面巷道底板为铝质泥岩，易遇水膨胀，围岩层理发育， 属于复合复杂围岩。该巷道因瓦斯爆炸冲击、水理作用及上区段综采工作面采动影响而 受损，原有支护系统基本失效，变形破坏严重，影响了矿井的正常生产。因此，研究复 杂围岩大断面受损动压巷道的修复支护技术，对大佛寺煤矿具有重要的现实意义。 本文以大佛寺煤矿 40106 综放工作面运输巷复杂围岩为研究对象，通过现场调研、 数值模拟、理论分析及现场矿压观测相结合的方法，研究了复杂围岩大断面受损动压巷 道变形破坏特征及破坏机理。根据巷道围岩稳定性控制原理，参照以往针对复杂围岩大 断面动压巷道支护实践，提出了“强顶、固帮、减跨补强、控底”修复思想及在原支护 基础上采用单体支柱配合锚网索修复技术方案。应用 FLAC2D有限元计算软件对巷道加 固前后围岩应力状态、变形特征进行了数值模拟分析，验证了支护方案的可靠性，并对 修复方案进行参数优化。现场应用及监测结果表明提出的修复方案可以较好地控制 40106 综放工作面运输巷的变形，保证巷道围岩的稳定性，取得了较好效果，为复杂围 岩大断面煤巷支护提供了参考。 关 键 词复杂围岩；动压巷道；破坏机理；巷道稳定性；修复技术 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubject StudyStudyStudyStudy onononon RepairRepairRepairRepair TechnologyTechnologyTechnologyTechnology ofofofof LargeLargeLargeLarge SectionSectionSectionSection andandandand DynamicDynamicDynamicDynamic MiningMiningMiningMining PressurePressurePressurePressure RoadwayRoadwayRoadwayRoadway inin inin ComplexComplexComplexComplexS S S Surroundingurroundingurroundingurrounding RockRockRockRock ConditionConditionConditionCondition SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty MiningMiningMiningMining EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName LiLiLiLiChaoChaoChaoChaoSignatureSignatureSignatureSignature InstructorInstructorInstructorInstructor WuWuWuWuYongYongYongYongPingPingPingPingSignatureSignatureSignatureSignature ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT The floor lithology of No. 40106 face roadway in Dafosi coal mine is aluminum mudstone which is easy water swelling，the surrounding rock of the roadway is bedding and joint development，so it belongs to multiplicity complex strata.Due to the gas exposition、 erosion effect of water and upper-sector face mining, the roadway has been deation and damage seriously, the support system of the existing roadway support system isfailure, leading to the mine can not normal production. Forallof these, to study the repair technology of the roadway has far actual significance to Dafosi coal mine. This articleisbased on transportation roadway’s complex surrounding rock of No.40106 full-mechanized caving face in Dafosi coal mine, through on-site geological survey, numerical simulation, the deation and failure characteristics and mechanism of roadways which are large section and damaged by dynamic pressure under complex surrounding conditionis analyzed. According to roadways’adjacent rock control theory, combined with the impact factors of rock stability and the current support experience of large section roadway damaged by dynamic pressure, a repair way of“reinforcing side、strong roof、reducing span and reinforcement,controlling floor“isproposed. The new support programisverified by FLAC2Dsimulation software to analyze the stress state and the deation characteristics of the surrounding rock supporting before and after, the results show that the supportisreliability, and it canachieveparameter optimization for the support scheme.Field practice and monitoring results suggest that the combined support scheme can better control deation of 40106 full-mechanized transportation roadway, guarantee the stability of the surrounding rock achieved good results, and it can be as a reference for large section roadways’s support problem. KeywordsKeywordsKeywordsKeywords Complex Surrounding RockDynamic Mining Pressure Roadway Failure MechanismRoadway StabilityRepairTechnology ThesisThesisThesisThesis Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文研究背景与意义 根据全球经济可持续发展和能源利用强度的发展趋势以及我国能源结构特点，我国 70以上的能源来自煤炭，能源构成状况在相当长时期不会发生大的变化。根据专家预 测，为保障我国国民经济正常发展， 2020、2050 年煤炭占一次能源的比重仍维持在 50～ 68之间，因此，煤炭的发展仍占主导地位。 我国煤巷采用原煤炭工业部颁布的缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方 案 ，复杂围岩条件下巷道围岩一般比较松软破碎、地应力大、受采动影响强烈，因而 巷道变形速度快，变形量很大，维护困难。近年来，国内对这类煤巷锚杆支护进行了大 量的研究，在理论和技术上都有了新的突破，但是由于各矿井地质、地形条件复杂多变 ， 相适应的研究方法及支护方案各异，因此，对于复杂围岩环境下的煤巷支护问题仍存在 很多不足，对于这种围岩的支护必须结合现场实际情况，选择与之相对应的支护方案。 复杂围岩条件煤巷支护与岩巷、其它地下工程支护相比，有其特殊性和困难性① 围岩松软，两帮煤的单轴抗压强度很低；②采深大、构造复杂、受采动影响强烈，地应 力很高；③围岩变形强烈，一般为岩巷的几倍至几十倍；④巷道服务时间短，支护结构 造价必须低廉。锚杆具有主动支护、有效强化围岩强度和保持围岩稳定、施工简单、成 本较低、安全可靠、改善作业环境等优点，现已成为世界各国巷道支护的一种主要形式 。 因此，煤巷锚杆支护是一种不同于岩巷及其它地下工程的特殊支护 [1]。 陕西彬长矿区大佛寺煤矿，是年产 300 万 t/a 的大型矿井，主要开采 4 号煤层，煤 层平均厚度 15m，赋存稳定，采用放顶煤开采，回采巷道均设于煤层中，留设 2m 底煤 进行布置。 2009 年 2 月该矿回采结束的 40104 综采工作面发生火灾，并出现多处瓦斯爆 炸，采用水淹矿井的办法灭火，致使 40106 准备工作面运输巷发生严重的变形及破坏。 根据现场调研，破坏后巷道宽度显著增大，最大宽度已经达到 9.4m，顶板下沉明显，巷 道底臌量最大达到 1500mm，两帮煤体破碎出露，顶板锚索松动，部分锚杆托梁掉落， 钢带弯曲破断，顶板及两帮交汇处煤壁破碎、掉落等。40106 综放工作面运输巷受到水 理、爆炸冲击作用外，还受到局部构造应力及采动影响，巷道围岩复杂，原有支护体系 基本失效。因此，该工作面运输巷道的修复是矿井快速生产亟待解决的问题，寻求合理 、 经济、安全、有效的支护形式也是矿井的首要任务。 针对如此复杂的围岩环境在我国是不常见的，因此，探索符合复杂围岩环境大断面 受损动压巷道修复技术对于我们可能面临的煤矿开采问题有重大意义，同时本论文的研 究将为复杂围岩大断面回采煤巷支护提出经验，为受损动压巷道围岩控制提供依据。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 煤巷支护理论国内外研究现状 1.2.1 锚杆支护理论 自从锚杆问世以来，人们一直把锚杆支护作用机理作为一个重点，进行了广泛、深 入的研究。到目前为止已经形成的煤巷锚杆支护理论主要有悬吊理论、组合梁理论、 减跨理论、加固拱压缩拱理论、围岩松动圈理论、最大水平应力理论和围岩强度理论 [2、3]。这些理论都是以一定的假说为基础，各自从不同的角度、不同的条件阐述锚杆支 护的作用机理，力学模型简单。计算方法简明易懂，适用于不同的围岩条件，得到了国 内外的承认和应用。其中，近年来提出的围岩强度强化理论，比较好地揭示了锚杆支护 的实质，扩大了锚杆支护技术的应用范围，特别是为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提供了 理论指导。 1 锚杆支护悬吊理论 悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层 上，以增强较软弱岩层的稳定性。这种支护理论应用比较广泛，但存在以下明显的局限 性 ①锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下，锚杆的支 护阻力等于破碎岩层的重量，而这种条件在巷道中并不多见； ②没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较 大时，顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，锚杆工作阻力必 须增大； ③当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎岩层 的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力； 总之， 悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力， 而是将锚固体与原岩体分开 ， 与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底[4]。 2锚杆支护组合梁理论[5] 组合梁理论认为如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠 锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力， 防止岩石沿层面滑动， 避免各岩层出现离层现象 ； 另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶 板的锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层组合梁。 组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比 较全面，但它存在以下缺陷 ①组合梁有效厚度很难确定。它涉及到影响锚杆支护的众多因素，目前还没有办法 较可靠的估计有效组合的厚度； 1 绪论 3 ②没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。在水平应力较大的 巷道中，水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。 3 锚杆减跨理论 减跨理论包括两方面的内容一是基于松散介质的自然冒落拱理论提出的锚杆下作 用原理，其依据是冒落拱高度与跨度成正比关系，认为利用锚杆的悬吊作用可增加顶板 岩层的支点，从而减小支点间的跨距，进而达到降低冒落拱高度、减小所需支护强度的 目的；二是基于梁或板的理论提出的锚杆作用原理，即当巷道顶板为层状岩层时，其变 形特性近似于梁或板的性质，此时锚杆的作用是缩短梁或板的跨距，以减小其中因横力 而产生的弯矩及因弯矩产生的弯曲应力，尤其是弯曲拉应力，从而提高顶板的稳定性。 从以上两种情况可以看出，减跨理论中锚杆的作用机理以及适用条件等同于悬吊理论， 即需要以稳定岩层或稳定岩层结构为依托。 4 锚杆支护加固拱理论 加固拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形 成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆 形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这 个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载[6]。在承压拱内的岩石径向及切向均 受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。 加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软弱煤层中得到广泛应用。但也同 样存在一些缺陷 ①加固拱厚度涉及的影响因素多，很难准确估计； ②加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要 取决于加固拱的稳定性，在该理论中没有考虑。 5 锚杆支护围岩松动圈理论[7、8] 围岩松动圈理论认为巷道开挖后，当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新 的裂纹，其分布区域类似圆形或椭圆形。围岩一旦产生松动圈，围岩的最大变形载荷是 松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中的岩石碎胀变形是支护的对象。 围岩松动圈的厚度主要是围岩强度与围岩应力的函数，是一个综合指标。围岩松动 圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。 根据围岩松动圈理论，将锚杆支护按机理分三种类型①小松动圈厚度小于 400mm，锚杆支护作用不明显，只需进行喷射混凝土支护； ②中松动圈厚度在 4001500mm，支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外；③ 大松动圈厚度大于 1500mm，锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢 复到接近原岩的强度并具有可缩性，采用加固拱理论设计锚杆参数。 6 锚杆支护最大水平应力理论 西安科技大学硕士学位论文 4 该理论认为 矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力， 水平应力具有明显的方向性 ， 最大水平应力一般为最小水平应力的 1.52.5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力 的影响，且有三个特点 ①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板的稳定性达到最好； ②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏就会偏向巷道的某一帮； ③与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。 在最大水平应力作用下，顶底板岩层易发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成 围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此 要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用[9]。 7 锚杆支护围岩强度理论[10] 主要有以下几点 ①锚杆锚固后围岩岩体力学性能得到了改善，提高了岩石强度、弹性模量 E、粘聚 力 c 和内摩擦角φ； ②系统布置锚杆可以提高岩体的物理力学参数，锚固体的粘聚力 c 提高较大，而内 摩擦角φ提高的幅度不大； ③锚杆锚固区域围岩具有正交异性，当锚杆沿着试件的轴向时，围岩的弹性模量 E 随着锚杆密度的增加而增大，围岩强度的提高主要是内摩擦角φ增加，而粘聚力 c 几乎 没有变化； ④合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应变特性，且不同弹性模量的 带锚岩体所表现的锚固效果不同； ⑤锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪强度有关，并从不同 角度提出了最佳的锚杆布置方案； ⑥锚固体的变形破坏符合莫尔一库仑准则； ⑦锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。 以上各种锚杆支护理论都是在不同的地质条件下提出来的，它们都从不同的侧面阐 述了锚杆支护围岩的作用机理。在实际的支护过程中，一般情况下是几种支护理论共同 作用，它们在很多情况下并不矛盾。 1.2.2 锚索支护理论 在锚固支护技术中，对于软岩及煤巷，仅仅使用锚杆一种支护形式显然是不能满足 巷道稳定性要求的。目前，针对回采巷道多数采用锚杆与锚索联合支护的支护形式，这 种形式提高了巷道的支护效果，减少了投资成本，为矿区提供了经济效益。 锚索与围岩的作用机理和锚杆相似，但相对于锚杆，锚索又有自身很大的优势。锚 索补强支护具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、锲固作用以及改善围岩强度作用以 1 绪论 5 外，与锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生的强大的悬吊作用，并且沿巷道纵轴线 形成连续的支撑点，以大预紧力减缓顶板变形扩张，改善巷道受力条件，使顶板得到有 效控制。 1.3 煤巷支护技术国内外研究现状 国内外煤矿巷道支护技术主要包括料石碹、混凝土碹、桁架锚杆、锚索、锚注、工 字钢、U 型钢可缩性支架和高强度混凝土弧板支架等。但回采巷道的支护形式中主要是 锚杆包括锚索、塑料网、金属网、W 钢带等的联合形式及 U 型钢可缩性支架支护。 1.3.1 锚杆支护技术发展现状 1 国外研究现状及发展 自从 19 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆支护方 法逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域，此后锚杆支护技术得以改进和 提高，锚杆支护理论也不断得到完善和发展。1912 年，德国谢列兹矿最先将锚杆支护技 术应用于地下巷道的围岩控制。20 世纪 40 年代以后，锚杆支护技术发展迅速，现已成 为世界主要产煤国家煤矿的主要支护形式，美国，澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道全 部采用锚杆支护，处于世界领先水平[11、12、13、14]。而英、德、俄罗斯等另外一些产煤国 家的锚杆支护则经历了一波三折的过程，特别是煤巷锚杆支护直到 80 年代以后才得到 陆续推广。 从世界范围来看，煤巷锚杆支护技术的主要发展历程是 ①1945～1950机械式锚杆的研究与应用阶段 ②1950～1960采矿业广泛应用机械式锚杆，并开始对锚杆进行系统的研究； ③1960～1970发明了树脂药卷，引发了锚杆支护技术的一次革命，树脂锚杆在矿 山得到广泛应用； ④1970～1980发明管缝式锚杆、涨壳式锚杆并应用，开始研究锚杆的设计方法， 长锚索产生； ⑤1980～1990混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树 脂锚固材料得到改进。 2 国内研究现状及发展 我国 1956 年开始在煤矿岩巷中使用锚杆，至今已有 40 多年的历史，60 年代锚杆支 护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技 术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段等还不够 完善，因而发展缓慢；80 年代开始在煤巷中使用锚杆，以后锚杆开始在我国得到了广泛 的应用，特别是进入 90 年代以来，锚杆支护更逐渐在各大煤矿得到全面的推广和应用， 西安科技大学硕士学位论文 6 锚杆支护在煤矿的支护比例逐渐提高，但在煤巷掘进中锚杆的支护比例仅 20.14，和 世界先进水平相比存在较大差距，因此在煤巷中发展锚杆支护有很大潜力。 我国回采巷道锚杆支护技术研究与应用主要经历了四个阶段[15] ①1956～80 年代中后期为起步阶段。 这一阶段主要进行一些基础性的研究和试验煤 巷锚杆支护应用主要集中在少数几个矿区，使用和推广范围较小； ②1991～1995 年为 “八五” 攻关阶段。国家把煤巷锚杆支护技术作为 “八五” 期间 重点项目进行攻关，无论是课题的数量、研究内容的深度和广度，还是现场试验推广的 面积，都明显大于第一阶段。经过 5 年攻关，取得一大批科研成果，锚杆支护用量明显 扩大； ③1996～1997 年的引进和消化阶段。在引进、吸收、和消化的基础上，结合我国的 具体国情，集中现场、科研院所及大中专院校的优势，经过两年大规模研究和试验，初 步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术； ④1998 至今的推广和提高阶段。国内各大矿区广泛推广应用，取得了显著的技术经 济效益， 煤巷锚杆支护的比例已达到20％以上， 少数矿区超过50％， 全国每年约有260km 的煤巷采用锚杆支护。 我国煤巷锚杆支护在实践中取得了不少宝贵经验主要表现在[16] 推广发展了单体锚 杆支护、锚梁网组合支护、桁架锚杆支护、软岩回采巷道锚杆支护、深井锚杆支护、沿 空掘巷锚杆支护、可伸长锚杆、电动、风动、液压锚杆钻机、锚杆支护监测仪器、锚杆 与金属支架联合支护等。 1.3.2 锚索支护技术发展现状 近年来，英国、澳大利亚等采矿业发达的国家，注重锚索技术的应用和发展，在复 杂围岩条件下为提高支护强度和效果，通常采用锚索做作为加强支护[17]。我国自 20 世 纪 60 年代引进这项技术以来发展迅速，目前在岩巷加固、煤巷加固、边坡治理、建筑 基坑护壁等工程上均有成功的应用。 锚索是采用有一定弯曲柔性的钢绞线通过预先钻出的钻孔以一定的方式锚固在围 岩深部，外露端由工作锚通过压紧托盘对围岩进行加固补强的一种手段。作为一种新型 可靠有效地加强支护形式， 锚索在巷道支护中占有重要地位。 锚索的特点是锚固深度大 、 承载能力强高，将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应 力，主动支护围岩，因而可获得比较理想的支护加固效果，其加固范围、支护强度、可 靠性是普通锚杆支护所无法比拟的[18]。 目前，预应力锚索在锚固技术中占有比较重要的地位，己从原来的岩巷扩展应用于 煤巷。尤其是深井煤巷、复杂围岩煤巷、围岩松散或受采动影响大的巷道、大硐室、切 眼、交叉点及构造带等需要加大支护长度和提高支护效果的地方，采用预应力锚索是非 1 绪论 7 常行之有效的方法[19]。 随着高产高效工作面，特别是综放的发展，煤层巷道中采用锚杆支护成为重要的技 术支柱。综放面回采巷道断面大、围岩松软变形大，采用单一的锚杆支护以难以适应。 在煤层巷道中采用锚杆与锚索联合支护，变得越来越普遍[20]。 1.3.3 U 型钢可缩性支架支护技术发展现状 U 型钢可缩性支架具有较好的断面形状和几何参数，且易于实现搭接后的缩让，当 围岩变形压力超过 U 型钢接头摩擦阻力时，接头发生收缩，围岩释放能量，巷道断面收 敛减少，形变压力降低，U 型钢支架停止收缩，所以U 型钢可缩性支架是一种既有足够 支护抗力能及时尽早支护，又有与围岩变形位移相适应的可缩性，以释放围岩能量减小 围岩压力，有效控制围岩的较好支护，所以金属可缩性支架在软岩支护中具有很大的市 场。但是，U 型钢支架的使用状况远远不能令人满意，这主要表现在以下几个方面 ①支护成本高，钢材消耗多，成为其广泛使用的最大障碍； ②支架的支护强度低，不能有效控制巷道变形，导致支架变形破坏严重、复用率很 低，极大地增加了巷道支护的成本； ③U 型钢可缩性支架的最大优点在于可缩，但在实际应用中，往往在其缩量很小时 就破坏，失去了可缩性的意义； ④U 型钢支架加工工艺较复杂，要求高。 1.3.4复杂围岩巷道支护技术研究现状 复杂围岩条件下的巷道一般比较破碎、地应力大、受采动影响强烈，因而巷道变形 速度快，变形量很大，维护困难。目前，复杂围岩巷道支护技术有 U 型钢可缩性支架支 护、工字钢棚、组合锚杆支护、桁架钢带组合锚杆金属网联合支护、预应力小孔锚索、 深孔注浆和注浆锚杆联合支护[2128]等。 巷道围岩深孔注浆支护一般是为了改善破碎、 软弱巷道围岩的环境， 提高围岩强度 。 其原理是利用浆液充填围岩内的裂隙，将破碎的岩体固结起来。当围岩特别破碎，裂隙 十分发育，巷道随掘随冒时可采取超前注浆，一般条件采取滞后注浆，注浆支护技术工 序繁多，而且操作不方便，只是在围岩十分破碎时而采用。 桁架组合锚杆联合支护，其简单结构就是由两根倾斜锚杆和一根或两根拉杆组成。 当上紧锚杆及拉杆的螺母后，在顶板岩层中形成了水平和垂直方向的挤压应力区，增强 了顶板岩层的抗弯能力，提高了顶板的稳定性。它适用于比较复杂和困难的条件，特别 是顶板较破碎的大断面巷道和悬顶面积大的交叉点。 预应力小孔锚索适应于大断面、地质破坏地段、直接顶软弱且较厚、高地应力、综 放沿空巷道等处加强。小孔径预应力锚索是适用于煤巷的一种施工简单、安全可靠的支 西安科技大学硕士学位论文 8 护技术。采用普通锚杆钻机打眼，孔径Ф28mm，孔深 710m，Ф15.24 单根钢绞线树脂 药卷加长锚固，承载能力可达 25kN。该技术施工设备及工艺简单，缩短了锚固体养护 和施工时间，实现锚索快速承载，价格低廉，是煤巷推广锚杆支护的一项重要保证措施 。 我国处理复杂围岩支护问题大多数是采用锚杆、锚索、锚索组联合支护方式。联合 支护充分发挥了悬吊作用，改善了顶板受力状况，形成了组合梁。它还限制了围岩的位 移，特别是控制了顶板表层岩石的位移，限制岩石裂隙节理的发展，从而保证锚杆、锚 索能正常的发挥作用，组合梁不致遭到破坏。联合支护将锚索、金属网、锚杆联系在一 起，使巷道顶板各部分受力均衡，避免和消除了因顶板支护状况的恶化而造成整个支护 失衡、失效等不良影响，能使之处于较好的支护状况。同时联合支护减少了巷道变形量 ， 减少了巷道维修费用，延长了巷道服务年限[29]。采用预应力锚索在我国部分矿井的大断 面巷道支护方面也得到了应用。 1.4 论文研究内容、方法及技术路线 1.4.1 研究内容及方法 本论文针对陕西煤业化工集团彬长矿区大佛寺煤矿40106综放工作面运输巷在受到 各种因素影响破坏后及工作面开采过程中巷道支护问题进行研究。主要采用理论分析、 数值模拟计算、矿压监测等相结合的研究方法，分析了巷道变形破坏特征及影响因素， 揭示了巷道围岩的变形规律以及围岩变形破坏机理，根据巷道围岩变形规律，提出巷道 修复技术方案，并对产生的几种方案进行数值模拟计算，通过现场观测确定巷道支护方 案的合理性。 1.4.2 技术路线 论文技术路线如图 1.1。 图 1.1 论文研究的技术路线 2 区域地质特征及围岩特性 9 2 区域地质特征及巷道围岩特性 2.1 区域地质特征及开采现状 2.1.1 地质特征 1 地质概况 陕西煤业化工集团彬长矿区大佛寺煤矿40106工作面是401采区东翼沿煤层走向布 置的第二个综采准备工作面。地理坐标范围X3880248～3880428，Y36496406～ 36498330。井下具体位置为西部为401采区四条大巷煤柱，东部为401与402采区边界 煤柱，北部为40104综采工作面灌浆巷， 南部为40108综放工作面。 该工作面走向长1924m， 倾向180m，面积326880m2，巷道顶板标高608.508m～662.394m；煤层底板标高603.4～ 659.4m。工作面内平均煤厚12.7m，施工按设计预留2m底煤，可采煤厚10.7m。 2 煤层特征 从工作面周边钻孔资料以及工作面巷道掘进过程中煤层揭露资料分析，该工作面开 采4号煤层，倾角为25，煤层厚度11.3～15.5m，平均12.7m。煤层结构较简单，含两 层夹矸，赋存较为稳定，其中下部夹矸厚度0.05～0.10m，其距煤层底板3.0～4.0m不等， 上部夹矸厚度0.20～0.40m，平均0.35m，岩性均以泥岩或炭质泥岩为主。 该4号煤为黑色半亮型，沥青光泽，层状构造，条带状结构，贝壳状或阶梯状断口， 硬度相对较大，f系数3.0左右。煤层综合柱状图如图2.1。 3 煤层顶底板岩性特征 伪顶该工作面煤层无明显的泥岩伪顶存在。 直接顶岩性为泥岩，深灰色，厚层状，具水平纹理，富含植物叶化石，中间夹粉 细砂岩薄层，厚度0.50～2.50m，一般1.53m左右，其抗压强度24.6MPa，属于易冒落中 等坚硬不稳定型。 老顶下部为粉砂岩，浅灰色，中夹灰白色细砂岩，含黄铁矿结核和植物化石，厚 度1.24～5.11m，一般3.18m；上部为中粒砂岩，钙质胶结，成分主要为石英长石含暗色 矿物质和云母片，厚度4.96～12.80m，平均8.88m，其抗压强度63.76MPa，属于中等坚 硬较稳定型。 伪底位于煤层底部，主要以炭质泥岩为主，局部中间夹有0.20～0.40m厚的煤层， 根据精查地质报告， 该层段不作为煤层对待， 而按其他分层对待， 该层段厚度1.0～1.85m， 一般1.43m。 直接底铝土质泥岩，浅灰色，光滑细腻，团块状，含鲕状黄铁矿结核，遇水极易 西安科技大学硕士学位论文 10 35409.88 6.876.4594 34 403.01 17.2216.5096 侏 罗 中 统 下 组 安 延 组 延 安 段 上 下 段 21348.090.600.5998 22349.321.231.1997 23350.130.810.8098 24351.321.191.1798 25352.321.001.00100 26354.792.472.3093 27362.307.516.4085 28 364.382.081.4087 29 367.002.622.2084 30 372.715.714.9587 31 377.564.854.7899 32 382.534.973.9078 33 385.793.263.1597 J12 J12y1 2 J12y 粗粒砂岩 3 煤 -1 铝土质泥岩 -2 3 煤 细砂岩 泥 岩 细粒砂岩 4上 煤 -1 细粒砂岩 -2 4上 煤 细粒砂岩 4上 煤 泥 岩 泥质粉砂岩 粗粒砂岩 砂质泥岩 泥 岩 中粒砂岩 砂质泥岩 泥 岩 泥 岩 4 煤 铝土质泥岩 浅灰褐色，光滑细腻，团块状，含鲕粒， 上部为浅灰色，含植物根系化石，顶部 0.15m为炭质泥岩。 长石石英砂岩，灰白色，巨厚层状，粗粒结构。 黑色，半亮型，条带状结构，内生裂隙发育。 深灰色，厚层状，具滑面，夹镜煤条带，含黄铁矿。 黑色，半暗型，含黄铁矿结核。 浅灰色，中厚层状，细粒砂状结构，含黄铁矿结核。 上0.75m为炭质泥岩，下部0.57m为砂质泥岩。 长石石英砂岩，浅灰色，中厚层状，细粒砂状结构，分 选中等，含植物化石与黄铁矿结核。夹多层泥岩薄层与 条带，具脉状层理，变形层理，底0.8m为泥岩 黑色，半亮型，条带状结构，内生裂隙发育。 黑灰色细粒砂岩。 黑色半暗型煤，条带状结构，含黄铁矿结构。 黑灰色细粒砂岩。 黑色半暗型煤，内生裂隙发育，含黄铁矿结构。 深灰色，厚层状，具水平层理，含丰富地植物化石。 浅灰色，中厚层状，中夹泥岩薄层，具脉状层理。 粗粒长石石英砂岩，灰白色，具厚层状，粗粒砾状结构，成份 为石英、长石，含少量云母，分选中等，中部含石英砾岩，半 坚硬，含大量植物茎干和黄铁矿结核，下部变细。 上1.70m为砂质泥岩，下部0.38m为薄煤。 深灰色，中厚层状，中上部夹细砂岩，含丰富的炭化 植物化石碎屑。 深灰色，中厚层状，夹砂岩薄层，具透镜状层理，含 植物化石与黄铁矿结核。 深灰色，厚层状，具水平层理，夹细砂岩条带，含叶 部化石，中部一层灰色粉砂岩。（373.25－373.40m） 长石石英砂岩，灰白色，巨厚层状，中粒砂状结构， 半坚硬，含黄铁矿结核。上部1.20m细砂岩夹泥岩。 深灰色，厚层状，具水平纹理，富含植物叶部化石， 夹粉细砂岩薄层。 黑色，半亮型，条带状结构，条痕黑色，性脆，内生 裂隙发育，结构简单，仅顶部夹矸一层。 0.15（0.50m砂岩）16.57 岩 石 名 称 采 长 m 采 取 率 ％ 编 号 统 岩 性 描 述 层 厚 m 累 深 m 倾 角 柱 状 层 序 号 地层系统 段 组系 13 331.012.512.1586 14 331.560.550.50 91 15332.761.201.1596 16333.160.400.40100 17336.662.70773.50 18337.981.321.3098 19345.857.877.3894 20347.491.64971.59 图2.1 煤层综合柱状图 2 区域地质特征及围岩特性 11 软化，厚度 1.53～6.60m，一般 4.07m，其抗压强度 29.4MPa，属于不坚硬不稳定型。 4 构造特征 根据工作面设计范围内煤层底板等高线变化趋势分析，该工作面地层整体向西北方 向倾斜，倾角 25，一般是 3左右。此外，从该工作面在掘进期间揭露的情况来看， 工作面内部没有大的断层构造存在，不会对工作面正常回采造成影响。但各巷道施工过 程中，局部节理裂隙发育，特别在工作面东部煤层节理裂隙相对更为发育，将会给顶板 管理带来一定的影响。 2.1.2 巷道周围工作面开采情况 40106 综放工作面为 40104 综采工作面的接续工作面，在还未进行 40106 综放工作 面开采时，40104 工作面就发生火灾，导致 40106 综放工作面巷道发生破坏。40106 综 放工作面位于 400m 水平，回采 4 号煤层，工作面走向长度从切眼至停采线 1800m，倾 斜长 180m，煤层平均厚度 12.7m，工作面深度平均深度为 400m，区段煤柱留设 50m。 该工作面割煤高度 3.0m，留设 2m 底煤，放顶煤厚度平均 7.7m，采放比为 12.56。 采煤方法 40104 工作面采用走向长壁综合机械化分层开采全部跨落采煤法；40106 工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全高全部跨落采煤法，巷道布置如图 2.2。 图2.2 40106综放工作面巷道布置图 2.2 复杂围岩大断面受损动压巷道基本特性 复杂围岩是指地质条件特殊或围岩环境发生显著改变异化，常规的施工或支护 维护方法无法满足安全要求的地下工程环境，主要由地应力、地质构造断层、节理、 裂隙、水理作用等综合因素的影响。对于复杂围岩环境条件的支护