复杂条件下大断面巷道顶板冒落失稳分析.pdf

第 2 6卷 第 4期 2 0 0 9年 1 2月 采 矿与 安全 工程 学报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 6 No ． 4 De c ．2 00 9 文 章 编 号 1 6 7 3 - 3 3 6 3 2 0 0 9 0 4 0 4 2 3 0 5 复杂条件下大断面巷道顶板 冒落失稳分析 曾佑 富 ，伍永平 ， 来 兴平 ，魏 成。 1 ．西安科技 大学 能源学院 ， 教育部西 部矿山开采及灾害控制重点实验室 ，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ．神华宁煤有限责任公 司 枣泉煤矿 ，宁夏 银川 7 5 0 0 0 1 摘要以枣泉煤矿 1 2 2 0 5首采面胶 带运输巷顶板 冒落控制为背景 ， 采用弹性力 学理论计算和数 值分析方法， 对复杂条件下大断面巷道顶板 冒落失稳机理进行分析． 结果表 明 由锚杆控 制的锚 固 区的膨胀 性软岩 遇 水发 生膨胀 变 形 ， 泥 化 ， 导致锚 杆拉 断 ， 黏 结 失效 ， “ 小结 构 ” 失稳． 地 下水 使 锚索孔壁围岩强度 降低 ， 孔径扩大， 致使锚索锚 固失效发生脱落 ； 支护形式不耦合 ， 支护参数不合 理 ， 导致 锚杆 、 锚 索不 能共 同承载 发 生变形 ， 锚 索载 荷 应 力 集 中 ， 锚 索锚 固 端发 生 剪切 破 坏 ， 锚 索 被拔 出、 脱 落甚 至产 生剪切破 坏 ， “ 大结构” 失稳 ． 最后 提 出了 多介 质 结 构耦 合 控 制技 术控 制 巷 道 顶板 围岩 稳定 性 ， 并在 生产 实践 中取得 了 良好 的防 治效 果． 关键 词 大断 面 ； 顶 板 冒落 ；多介 质 结构耦 合控 制技 术 中图分类 号 T D 3 2 2 ． 4 文献标 识码 A An a l y s i s o f Ro o f Ca v i n g I n s t a b i l i t y M e c h a n i s m o f La r g e S e c t i o n Ro a d wa y Un d e r Co mp l e x Co n d i t i o n s ZENG You f u ，W U Yo ng p i n g ，LAI Xi ng p i ng ，W EI Che n g 1 ． S c h o o l o f En e r g y En g i n e e r i n g，Ch i n a E d u c a t i o n a l M i n i s t r y Ke y La b o r a t o r y o f W e s t e r n S a f e M i n i n g a n d H a z a r d Co nt r o l ，Xi ’ a n Uni v e r s i t y of S c i e n c e a nd Te c hno l og y，Xi ’ 3 n，Sha a nxi 7 10 05 4，Chi na； 2 ． Z a o q u a n C o a l M i n e，S h e n h u a Ni n g x i a C o a l I n d u s t r y Gr o u p Co ． L t d ． ，Yi n c h u a n ，Ni n g x i a 7 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r r o o f c o l l a p s e c o n t r o l o f t h e b e l t c o n v e y i n g r o a d wa y o f No ． 1 2 2 0 5 wo r k i n g f a c e i n Z a o q u a n c o a l mi n e ，t h e me c h a n i s m o f r o o f c o l l a p s e a n d d e s t a b i l i z a t i o n o f l a r g e s e c t i o n r o a d wa y un de r c o mpl e x c o n di t i on s i s nu m e r i c a l l y a n a l y z e d by e l a s t i c i t y me c ha n i c s t he or y ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s ma l l s t r u c t u r e i n s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k i s c a u s e d b y b o l t t e n s i l e a n d c o h e s i on f a i l ur e be c a u s e t h e s of t r oc k i n a nc ho r a g e z on e i s s wol l e n a nd m e l t e d whe n i t e n c o un t e r s wa t e r ．Th e l a r g e s t r u c t u r e i n s t a b i l i t y i s c a u s e d b y t h e a n c h o r c a b l e a n c h o r a g e i n v a l i d a t i o n，t h e a n c h o r c a b l e a b s c i s s i o n，t h e n o n c o u p l i n g s t r u c t u r e ，a n d t h e i r r a t i o n a l p a r a me t e r s o f a n c h o r c a ～ bl e ．Non c ou pl i n g o f a nc ho r c a bl e a nd bo l t s u pp or t pa r a m e t e r s ma y l e a d t o s he a r f a i l ur e o f t he a n c h o r a g e ．Fi n a l l y ，t h e mu l t i me d i a s t r u c t u r e c o u p l i n g c o n t r o l t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d t o c o n ～ t r o l t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t a b i l i t y o f r o a d wa y r o o f a n d h a s o b t a i n e d a g o o d c o n t r o l e f f i c i e n c y i n t he p r od uc t i o n pr a c t i c e ． Ke y wo r d s l a r g e s e c t i o n s ；r o o f c o l l a p s e ；mu l t i me d i a s t r u c t u r e c o u p l i n g c o n t r o 1 t e c h n o l o g y 当前 ， 我国采掘工作面顶板伤亡事故的比重仍 然保持在 4 5 左右 ． 近年来 ， 随着 回采工作面 防 治顶板事故的技术和装备逐步提高 ， 使工作面顶板 事故逐步下降 ． 相对之下 ， 由于 随着开采深度加 收稿 日期 2 0 0 9一 O 22 3 基 金项 目国家 自然科 学基金项 目 1 0 4 0 2 0 3 3 作者简介 曾佑富 1 9 7 7 一 ， 男 ， 湖南省邵 阳市人 ， 博士 ， 从事岩石力学与岩层控 制方面的研究 E - ma i l s i n a n x u e s t y a h o o ． c o m． c n T e l 1 3 7 2 0 5 8 7 7 1 7 采矿与安全工程学报 第 2 6卷 深 ， 巷道断面加大， 地质构造、 水理作用和工程力的 扰动等因素造成巷道围岩环境发生显著改变 ， 巷道 支护技术和装备投入以及理论研究相对较弱 ， 使巷 道顶板事故发生率呈相对上升趋势l_ 3 ] ． 据统计 ， 在 2 0 0 5年 2月 一2 0 0 6年 6月期 间， 神华宁煤集团枣 泉煤矿 1 2 2 0 5首采面胶带运输巷就发生 了 3次大 冒顶事故 ， 最大的冒落区 长 宽 高 为 1 5 m 5 ． 5 m7 ． 1 m， 给矿井安全生产造成极大的危害 ， 因此 ， 应从多角度和深层次剖析研究 冒顶事故发生 的原 因_ 4 ] ， 加 强对 顶 板 稳 定 性 的控 制 ， 减 少 巷 道 顶 板事故的发生． 目前 ， 对复杂 围岩环境井巷工程支 护 维护 来说， 联合支护是大多数工程实践中采取 的主要方式． 但由于受复杂围岩环境的认识水平所 限和对联合 支护特性研究 的局 限性， 在 生产实践 中， 联合支护仍然存在安全隐患和经济不合理性等 问题 ． 因此 ， 如何 在 安全 、 合 理 的前 提下 ， 对 复 杂 围 岩环境井巷工程稳定性进行有效控制已成为煤矿 安 全生产 的 当务之 急． 本 文 以枣泉 煤矿 1 2 2 0 5 首 采 面胶带运输巷顶板 冒落控制为背景， 对复杂条件下 大断面巷道顶板 冒落失稳机理进行研究， 提出能较 好地解决复杂条件下井巷工程支护问题 的“ 多介质 结构耦合控制技术” ． 1 工程地质概况 枣泉煤矿 1 2 2 0 5首采面胶带运输巷位于二煤 上分层 ， 沿煤层底板布置 ， 断面形状为异形 ， 巷道顶 板留有 1 ． 2 m煤皮 ， 直接顶为炭质泥岩， 厚 2 ． 7 m， 基本顶为细粒砂岩 ， 厚 4 ． 5 m， 底板和两帮分 别处 于煤层 之 中 ， 见 图 1 ． 地层 岩石名称 岩层柱状 层厚／ m 煤岩性特征 4 5 灰色， 深灰色， 水平层理， 细粒砂岩 块状 中 碳质细砂岩 _ 。 _ H 。 - _ ．， 灰黑色， 碳质含量自 下而 I ⋯ - I - 2 1 侏 上逐渐增高，含沥青质 i _ ． _ ． _ | 灰黑色 ，片状， 波状层面， 罗 碳质泥岩 一 _ - | ． 一 2 4 _ 11_ ． 滑面完攘性不好， 易脱层 统 碳质泥岩 ＼ 一 _ ● _ 一 延 0 3 灰黑色， 松软破碎 安 黑色， 半暗型， 参差状断 口， 组 二煤 下部为半亮型， 沥青丝绢 8 3 光泽， 结构单一， 稳定性好， 中下部偶见1 - 2 层5 0 m 以内夹矸， 碳质细砂岩为 一 。、 主 碳质 泥岩 1 一 ● I ● 一 O 5 灰黑色，遇水变软 ＼ 碳质粉砂岩 3 0 灰青色 ，稍硬 图 1 二煤综合 柱状图 Fi g ． 1 Co l u m n a r s e c t i o n o f t h e No ． 2 c o a l s e a m 从 图 1可知 ， 巷 道 地 质 构造 复 杂 多 变 ， 在 采 掘 过程 中将穿过 DF 7正断层 走 向为 2 1 8 。 ， 倾 向为 1 2 8 。 ， 倾角为 7 2 。 ， 落 差约 为 1 ． 5 ～ 1 ． 8 m ， 且 在 D F 7断层内将穿越大约 2 4 m左右的断层破碎带； 在巷道 9 9 0 m至 9 6 0 m处有一上巷宽下巷窄的无 煤 区斜穿 过 1 2 2 0 5面 ； 巷道 上覆 岩层 内富 含地下 水 和孔隙水 ； 再加上工程力的扰动和采动影响等因素 导致采用的支护方法无法满足矿井 安全 高效生产 的要 求 ， 属 于典 型 的复 杂 围岩 环境 [ 5 大 断面 巷道 ． 2 1 2 2 0 5面胶带运输巷变形破坏 特点 1 2 2 0 5面 胶 带 运 输 巷 采 用 的 主 要 支 护 形 式 为 锚 网索联合支护， 在工作 面采掘过程 中， 大部分区 域 内巷道围岩稳定性控制较好 ， 但在巷道局部区域 围岩仍发生 了严重的变形破坏． 巷道围岩变形破坏 主要有 以下 2个 特点 1 呈 局域 性 变形 破 坏 ， 主 要 集 中在存在复杂 围岩环境处或巷道之间的交叉点 ； 2 先顶板离层 、 下沉、 脱落， 甚至 冒落， 继而引发两 帮 内鼓 片 帮 、 底鼓等矿 压显现． 2 0 0 5年 2月 一 2 0 0 6年 6月 ， 1 2 2 0 5面胶带 运输 巷就 发 生 了 3次 大 的顶板 冒落事故 ， 冒高约为 4 ． 5 ～7 ． 1 m， 见图 2 ， 长 度最大值 已达到 1 5 m， 严重威胁煤矿的安全生产． 从 1 2 2 0 5面胶带运输巷顶板 冒落的现场调研 和所 收集的有关资料发现 ， 顶板上覆岩层富含地下水 、 支护形式不耦合和支护参数不合理是导致顶板 冒 落失稳的主要影响因素． 如何防治地下水 ， 调整 和 优化支护形式及参数是解决 1 2 2 0 5工作面胶带运 输巷顶板 冒落失稳的关键． a 顶板冒落现场 b 顶板冒落形态素描 图 2 1 2 2 0 5胶带运输巷顶板 冒落现场与形态素描 Fi g ． 2 Th e s c e n e a n d p e n c i l s k e t c h o f r o o f c o l l a p s e i n t h e No ． 1 2 2 0 5 b e l t c o n v e y i n g r o a d wa y 第 4 期 曾佑 富等 复杂条件 下大断面巷道顶板 冒落失稳分析 3 复杂 围岩环 境巷道冒顶失稳机理分析 3 ． 1 冒顶 失稳 力学模 型 的建 立 由于锚杆对巷道顶部岩层离层 的产生起着一 定的阻碍作用， 增大了岩层间的摩擦力 ， 与锚杆本 身的抗剪作用共同阻止岩层间产生相对错动 ， 从而 将 巷道 顶板 锚 固范 围 内 的各 岩 层 夹 紧 形 成一 个 较 厚的组合梁 ] ． 这种厚组合岩层在上覆岩层载荷 的 作用下 ， 其最大弯 曲应变和应力都将大大减小 ， 组 合梁的挠度也减小 ， 且组合梁越厚， 其最大应力 、 应 变和挠度越小 ， 因此 ， 可认为组合梁是 一个强化后 的“ 新岩层” ， 也叫“ 小结构” ． 然后通过锚索 的补强 加固作用 ， 将“ 小结构” 悬 吊到顶板深部稳定岩层 中 形成“ 大结构” ． 对于组合梁， 一般是从顶板表面层 开始破坏失稳 ， 并逐渐 向上扩展． 通 常位 于表面 的 第 1层岩层稳定 性最差 ， 最易发生屈 曲破坏 ， 1层 发生屈曲破坏后 与第 2层分离 ； 第 2层成 为表面 层 ， 受力状态与第 l 层相似 ， 如满足屈 曲破坏条件 将发生屈 曲破坏 ； 第 3 层又成为表面层 ， 如此循环， 直到某一岩层不满足屈 曲破坏条件为止， 因此 ， 顶 板下部表面层是影响“ 小结构” 稳定的关键部位． 防 止顶板岩层发生冒落失稳 ， 须首先保证顶板表面层 岩体的稳定 ， 由此可见 ， 研究整个“ 大结构” 的稳定 就转为对顶板下部表面层稳定 的研究 ， 假设巷道顶 板上覆岩层对组合梁表面层施加均布荷载 的作 用 ， 组合梁表面层 由两帮稳定煤壁支撑 ， 在均布荷 载和锚索 杆 提供的支护强度作用下保持稳定 图 3 ． 图 3简化 巷 遭 顶板 力 学 模 型 Fi g．3 The pr e di ge s t i n g me c ha ni c s mo d e l o f r o a d wa y ’ S r o o f 由于顶板下部表面层是厚度只有 1 ． 2 m 的二 煤层 ， 可近似为弹性体的薄板 ； 对于表面层来说 ， 单 根锚杆提供 的支护强度远小于单根锚索提供 的支 护强度 ， 可忽略不计 ； 考虑到巷道走 向长度远大于 巷道跨度 ， 可近似地认为顶板表面层处于平面应变 状态． 根据弹性力学理论 ， 可将组合梁表面层简化 为“ 简支梁” 模型 ， 组合梁表面层 以简支梁 的形式放 置在两帮的煤壁上 ， 中部以两根锚索锚入深部稳定 岩 石 中 ， 见 图 4 ． a 表面层简化模型 g D D b --tX超静 定梁计算模 型 图 4 表面层简化与计算 F 4 Th e p r e d i g e s t i n g a n d c a l c u l a t i o n mo d e l o f t h e s u r f a c e s e a m 由图 4 a可知 ， 锚索的作用相 当于对组合梁 中 部增加 了 2个约束 ， 即增加 了 2根支撑链杆 ， 形成 “ 二次超静定梁” 模 型见 图 4 b ， 由于模型荷载呈对 称分布， 可取对称半结构进行计算与分析 j ． 得 号 1 1 L_ 2 J 面 1 一 ， L 2 a＼1 I 百一』 可 ’ △ lp 号 警 1 号 } 可 1 一 ， 4 q a。 3 q gn。 一 3 q a 。 ＼1 ＼ 9 6 ／ E ，‘ 由一次超静定结构的力法方程 Xl l 1 A1 。一 0 ， 即 x 击 击一 0 ， 得 x 一 ， 对 D 点 取矩 ， 得 c 一 警 一 警． 式 中 为单位力单独 作用下 B， C点沿 X 方 向 的位移 ； △ 为荷 载单独 作用下 B， C点沿 X 方 向 的位移 ； X 为多余未知作用力 ； E1为梁 的抗弯 刚 度 ， 其 中 E为弹性模量 ， 工为惯性距 ； q为梁上均布 荷载； a为支座 B， C间的距离 ， 取 2 m； L为梁的跨 度 ， 为 5 ． 6 m； 由结构 力学 中力法 可 以解得支座 B， C支 撑 反力 为 y 一 c一 ， 4 2 6 采矿 与安 全工 程学报 第 2 6 卷 式 中 y 。 ， y 。为 支座 B， C支 撑反 力． 为防止巷道顶板发生冒落 顶 事故， 单根锚索 必须提供最小支护强度为 F i 导 Y B 一导 1 ． 9 1 q 一导 1 ． 9 1 7 ， 厶 厶 厶 式中 F ⋯为锚索提供的最小支护强度， k N／ m； b为 锚索排距 ， 取 2 ． 0 m； 7为上覆岩层 的平 均容重 ， 取 2 5 k N／ m。 ； h为潜 在 的 冒落 高度 ． 综上所述 ， 要使巷道顶板不发生 冒落失稳， 首 先得保证 “ 小结构” 组合梁 的稳 定 ， 是 主承载结 构 ， 因此 ， 锚杆在保证“ 大、 小结构” 稳定 中始终起主 导作用 ， 锚索起着补强加固的作用 ； 当锚索额定锚 固强度和单根锚索对顶板提供 的支护力小 于 F 时， 就可能发生巷道顶板 冒落失稳． 3 ． 2 巷道 顶 板 冒落 失 稳机理 数值 模拟 为了检验对复杂条件下大断面巷道顶板 冒落 失稳的力学模型计算所得到的结论是否正确可靠 ， 采用有限差分计算程序 F L AC 。 对枣泉煤矿 1 2 2 0 5 面胶带运输巷顶板冒落失稳过程进行数值模拟 ， 见 图 5 ． 图 5 F L AC 平 面数值模型 Fi g ． 5 Nu me r i c a l mo d e l o f F I AC 。 数值模拟结果表明， 与弹性力学理论分析所得 到 的结果基 本一 致 ． 3 ． 3 1 2 2 0 5胶 带 运输 巷顶 板 冒落失 稳机 理分 析 1 2 2 0 5面 胶 带 运 输 巷 的 主要 支 护 形 式 为锚 网 索 联合 支护 ， 即通过锚 杆 对巷 道顶 板锚 固范 围 内的 岩层进行“ 组合梁” 加固 ， 通过锚索把下部不稳定岩 层 悬 吊于顶 板深 部稳 定岩 层 中进行 “ 补强 ” 加 固 ， 在 顶板整个锚 固区域 内同时形成 “ 小结 构” 和“ 大结 构” ． 在整个 支护体 系中， 锚杆通 过与 围岩相互作 用 ， 起 着 主 导 承 载 作 用， 锚 索起 着 补 强 支 护 作 用 ． 由于锚杆杆体采用端锚式锚固， 另一端通过托 盘和螺母对顶板施加拉应力， 利用两端的约束作用 而产生工作阻力 ， 其锚 固的实效性很大程度上依赖 于锚杆两端岩 体的稳定性 ， 一旦锚 杆两端松动破 坏 ， 必然导致锚杆失效． 锚杆要充分发挥其作用 ， 必 须保证两端的正常作用和杆体不发生屈服或破断， 而巷道顶板上覆岩层锚 杆控制范 围内缺乏坚硬稳 定 岩 层 ， 岩 层可 锚性 较差 ， 使“ 小结 构” 失 稳 ； 由于锚 索与锚杆刚度不同， 延伸率不 同， 锚索 的初锚力一 般条件下较高 ， 在整个支护过程 中， 锚索 的变形量 与顶板下沉量不相 匹配 ， 锚杆 、 锚索始终不能 同步 承载、 共同支护 ， 导致支护初期 的荷载集 中于锚索， 使锚索锚固段发生黏结破坏 ， 锚索被拔出、 脱落甚 至产生剪切破坏， 使“ 大结构” 失稳． 1 2 2 0 5面 胶 带 运 输 巷 顶 板 冒落 失 稳 的 另 一 重 要 原 因是顶 板 上覆岩 层 富含地 下水 ， 面广且 分布 不 均 ． 在 巷道支 护 过 程 中 ， 锚 索 穿越 隔水 层 进 入 含 水 层后， 因锚固端不能完全封 闭含水层孔段 ， 致使含 水 层 中的水顺 着 锚 索 孔 道 穿 过 隔水 层 进 入 由锚 杆 控 制 的锚 固岩层 中 ， 见 图 6 ． 图 6地 F水 沿 锚 索 孔 “F泄 ” F i g ． 6 Th e s u b s u r f a c e f l o w a l o n g t h e c a b l e h o l e 由图 6可知， 造成 锚 固区的岩 体强度急剧下 降， 岩石和结构面的摩擦系数和变形模量减小 ， 甚 至发生泥化崩解或体积膨胀． 最终导致以下两种严 重后 果 1 由锚 杆控 制 的 以炭 质 泥 岩 、 砂 质泥 岩 为 主的岩体产生膨胀变形 ， 锚杆杆体应力急剧增加 ， 使锚杆拉断 ， 锚固段黏结失效 ； 另外 ， 在水和氧气的 化学作用下 ， 托盘和金属杆体发生锈蚀 ， 在碎胀力 和膨胀力引起 的较大拉力作用下 ， 托盘首先压裂 ， 导致顶板岩层对锚杆的约束作用丧失 ， 锚杆 、 锚杆 群锚 固失效． 以上两种情 况均有 可能导致 “ 小结 构” 失稳见图 7 a ． 2 地下水沿锚索孔壁下泄 ， 因其 冲浸作用使锚索孔壁围岩软化、 强度降低 ， 孑 L 径扩 大 ， 致使锚索锚固区黏结力减弱 ， 锚索脱落 ， “ 大结 构 ” 失稳 见 图 7 b ． 嗣 a “ 小结构” b “ 大结构” 图 7 “ 大 、 小结构” 失稳 Fi g ． 7 Th e i n s t a b i l i t y o f l a r g e s t r u c t u r e a n d s ma [ 1 s t r u c t u r e 在锚杆 、 锚索先后失效 的情况下， 围岩 自稳 能 第 4期 曾佑富等 复杂条件下大断面巷道顶板 冒落失稳分 析 力无法承担上覆岩层的重量 ， “ 组合梁” 转由两帮支 撑 ， 造成 巷道 顶角 剪 应力 增 加 ， 而强 度 最 低 的 两 帮 和应力集 中程度最 高的角部恰恰是巷道支护的最 薄弱环节． 顶板岩层发生严重离层 、 弯曲下沉 ， 在巷 道的顶角形成剪切力 ， 当剪切力大于岩层 的抗剪强 度 ， 特别是剪切力大 于各垂直节理 滑面 的摩擦力 时 ， 顶板岩层在两帮处或垂直节理滑面处发生剪切 破坏． 一旦巷道顶 角处发生剪切破坏， 且 向上发育 并相交 ， 就会发生顶板切落， 造成大面积 冒落 ， 见图 2 4 大断面巷道顶板 冒落失稳的 防治措施 4 ． 1 多 介质结构 耦 合控 制技术 原理 多介质结构耦合控制技术是根据 围岩控制技 术的“ 大、 小结构理论” ， 针对复杂 围岩环境 条件下 围岩应 力状 态 、 物 理 力 学 性 质 、 变 形 破 坏 特 征 以及 相 关 因素发 生系 统 性 改变 提 出 的新 的 地下 工程 围 岩控制技术． “ 小结构” 是指巷道围岩应力峰值点附 近， 以塑性硬化区和软化区煤 岩体 ， 破碎 区锚 固岩 体 、 注浆体、 锚杆及支架等多介质结构耦合形成 的 人工结构体 ， 为主承载结构 ； “ 大结构” 是指 “ 小结 构” 、 将锚索悬 吊于顶板深部稳定岩层 中的部分岩 体及锚索等多介质结构共同耦合形成 的承载结构． 其关键是通过不同介质间材料性能、 结构性能耦合 形 成一 种不 同于 单一材 料 或结构 的 复合支 护 系统 ， 以该支护系统表现出的多选择性能与复杂 围岩环 境表现出的复杂受力 、 变形和移动特征相互耦合 ， 形成“ 复杂耦合系统” ， 改造复杂围岩环境的工程特 性[ 】 引， 从而在安全 、 合理的前提下 ， 实现对 复杂 围 岩环境地下工程稳定性的有效控制， 正在成为解决 复 杂 围岩环境 井巷 工 程 地 下 工 程 支 护 问题 的一 条新 途径 ． 4 ． 2 1 2 2 0 5运 巷顶板 冒落失 稳 的防治措 施 由上述分析可知， 顶板上覆岩层富含地下水、 支护形式不耦合和支护参数不合理是造成枣泉煤 矿 1 2 2 0 5工作面胶带运输巷顶板 冒落失稳 的主要 原因． 根据多介质结构耦合控制技术原理对 1 2 2 0 5 工作面胶带运输巷复杂 围岩环境处或巷道之 间的 交叉点进行重点防治， 并取得 了比较满意的支护效 果和经济效益． 具体的防治措施如下 1 顶板上覆岩层富含地下水的防治 顶板上覆岩层富含地下水 的具体防治措施 ① 在安装锚索的过程 中， 增加锚 固剂节数来增加锚 固 端的长度以达到封闭含水层孔段 ； 同时 ， 在 隔水层 区段 内， 锚索杆体上安设锚索堵水器 锚索堵水器 采用防腐遇水易膨胀高分子材料， 其直径与锚索孔 径 相配 ， 长 度 约 为 1 5 0 ～ 2 0 0 mm ， 防止 水 沿 锚 索 孔下泄 ， 增强 了锚索的可锚性． ② 采用注浆加 固的 方法对破碎带、 断层及裂 隙发育区域进行加 固， 封 堵 由裂隙所形成的“ 导水通道” ， 防治地下水对顶板 岩体 的侵蚀 ， 提高顶板 围岩强度． 2 优化 支 护形式 及 参数 通过现场试验 、 实验室物理模拟和数值分析的 方法不断调整和优化支护形式与支护参数． 为使各 种介质结构间达到相互耦合 ， 形成一个复杂耦合系 统 ， 对原支护形式进行以下的调整 ① 调整锚索支 护强度和增加锚索系统的延伸率 ， 实现锚杆 、 锚 索 在整个支护过程 中同步承载、 共 同支护， 防止锚 索 发生突然破断； ② 增设注浆锚杆加固围岩 ， 由原来 的端 锚改 为全 长锚 固或 加长 锚 固 ， 提 高 围岩强 度及 自承 能力 ， 加 强锚 杆与 围岩 的锚 固作用 ； ③ 锚 杆 和 锚索 托盘 上加 设木 托盘 ， 并 采用 工字 钢作 为锚 索 托 梁 ， 紧固端头用锁具锁固， 以增 强锚索 杆 对 巷道 顶板 的稳 定性 控 制 ． ④ 金 属 网外 加 铺 钢 筋 梯 和架 设钢 棚 ， 以增加 支 撑顶部 岩 层和 围岩 成拱 作用 ． 5 结 论 1 复杂条件下大断面巷道顶板稳定性控制过 程 中 ， 锚 杆在保 证 “ 大 、 小 结 构 ” 稳 定 中始终 起 主导 作用， 锚索起着补强加固“ 大结构” 的作用 ； 当锚索 额定锚固强度和单根锚索对顶板提供的支护力小 于 F 时， 就可能发生巷道顶板 冒落失稳． 2 复杂条件下大断面巷道顶板 冒落失稳的主 要原 因是 顶板 上覆 岩 层 富含 的 地 下水 沿锚 索 孔 壁 下泄造成锚索 杆 作用失效 ， “ 大 、 小结构” 失稳 ， 和 支护形式不耦合 、 支护参数不合理导致锚索载荷集 中， 锚 固段黏结破坏 ， 锚索被拔出、 脱落甚至产生剪 切破 坏 ， “ 大结 构” 失 稳． 3 根据 多介 质结 构耦 合控 制 技 术原 理 进 行 防 治顶板上覆岩层富含的地下水 ， 调整和优化其支护 形式及参数， 实践证 明 多介质结构耦合控制技术 能够对复杂条件下大断面巷道顶板稳定性进行有 效地控 制 ， 具 有 较 好 的 经 济 效 益 和 广 阔 的 应 用 前 景 ， 为 解决 复杂 围岩 环境 井 巷工程 支 护 问题 提 供 了 一 条新 途径 ． 参考 文献 [ 1 ] 宋振骐 ， 蒋 宇静 ， 杨增夫 ， 等．煤矿 重大事故 预测和 控 制的动力信息基础 的研究 [ M] ．北京 煤炭工 业 出版 社， 2 0 0 3 ． 下转 第 4 3 2页 4 3 2 采矿与安全工程学报 第 2 6卷 t r i a l pr o du c t i on o f ga o l i n i n t he r e c e nt No n Me t a l l i c Mi n e s ，2 0 0 1 ， 2 4 6 1 O 一 1 3 [ 4 ] 孟德君．煤系高岭土开采技术研究 [ D ] 理工大学能源与安全工程学院 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] I- 6 ] [ 7 ] d e c a d e [ J ] 淮南 安徽 刘生优， 孟德君．煤系地层高岭土开采技术探讨[ J ] ． 西部探矿工程 ， 2 0 0 2 2 7 0 7 5 ． L I U S h e n g y o u，MENG De j u n ．Pr o b e i n t o e x p l o i t a t i o n t e c h n o l o g y o f c o a l s e r i e s k a o l i n f J ] ．We s t - C h i n a Ex p l o r a t i o n En g i n e e r i n g，2 0 0 2 2 7 0 7 5 ． 王志江．煤系高 岭土开 发利用 中存 在 的问题 与对策 [ J ] ． 资源开发 与市场 ， 1 9 9 6 4 3 - 9 ． W ANG Z h i j i a n g ．Th e p r o b l e ms a n d s o l u t i o n s f o r e x p l o i t i n g c o a l s e r i e s g a o l i n l- J ] ．R e s o u r c e D e v e l o p me n t 8 L Ma r k e t ，1 9 9 6 4 3 - 9 ． 茹 为 玉．高岭 土 的剥 片 技 术 [ J ] ．矿 产 综 合 利 用 ， 1 9 8 8 ， 2 2 1 2 3 2 5 ． R U We i y u ．P e e l i n g t e c h n o l o g y o f k a o l i n [ J ] ．Mu l t i pu r p os e U t i l i z a t i o n of M i n er a l Re s o ur c e s， 19 8 8，22 1 2 3 - 2 5 ． [ 8 ] 宗琦 ， 李永 池 ， 徐颖 ．炮 孔水 耦合 装药爆 破孔 壁 冲击压 力 研究 [ J ] ．水 动力 学 研 究 进 展 ，2 0 0 4 ，1 9 5 6 1 0 - 6 1 5 ． Z 0NG Qi ，I I Yo n g c h i ， XU Yi n g ．P r e l i mi n a r y d i s 一 [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] c us s i o n o n s ho c k pr e s s ur e o n h ol e wa l l whe n wa t e r c o u p l e c h a r g e b l a s t i n g i n t h e h o l e [ J ] ．J o u r n a l o f Hy d r o d y n a mi c s ，2 0 0 4，1 9 5 6 1 0 - 6 1 5 ． 宗琦 ， 王从 平．岩 石松 动 爆破 炮 孔密 集 系数 研究 [ J ] ．爆破 ， 2 0 0 1 ， 1 8 1 1 - 4 ． Z ONG Qi ，W ANG Co n g p i n g ．I n v e s t i g a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f l a r g e s p a c i n g l o o s e b l a s t i n g i n r o c k l- J ] ． B l a s t i n g，2 0 0 I ， l 8 1 1 - 4 ． 李春茂 ， 樊少 武．复杂地 质条 件下综 采工 作面 深孔 松动爆破技术 r J ] ． 煤炭 科学 技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 5 3 3 35 ． I l Chu n ma o，FAN Sh a o ～ wu． Appl i c a t i o n o f v i br a t i o n b l a s t i n g t e c h n o l o g y wi t h d e e p b o r e h o l e s t o f u l l y me c ha n i z e d l o ngwa l l mi ni n g f a c e un de r c o mpl i c at e d mi n i n g t e c h n o l o g y l- J ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 7， 3 5 5 3 3 - 3 5 ． 高尔新 ， 杨仁树．爆破 工程 l- M] ．徐 州 中国矿业 大 学出版社 ， 1 9 9 9 ． [