（安全技术及工程专业论文）高应力高突区域煤巷快速掘进灾害防治技术研究.pdf

分类号 u d c 密 级 学校代码 劣j 凄理歹大署 学位论文 1 0 4 9 7 题 目高廛垄高塞匡邀龌鲞：迭速塑鲨塞室堕渔垫盔塑窒 英文一r e s e a r c h o nd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rs p e e d yd r i v a g e 题 目q 量q 丛旦照鱼垫匦g 照s 笪曼竖垫鱼旦i g 鱼q 坚! 坠旦坠! & 曼垒 一 研究生姓名盔3 憝 指导教师 姓每盗亚坐一职称立丝羔一学位一 4 3 0 0 7 0 副指导教师单位名称塑由垄墨盘堂邮编单位名称塑壶垄墨盘鲎邮编 4 5 4 0 0 0 申请学位级别墨茔谴学科专业名称塞全垫盔丛墨猩 论文提交日期2 q 羔q 生窆旦论文答辩日期2 q ! q 生兰! 月 2 0 1 0 年1 1 月 独创性声明 1 1 11 11 11 1i ii ii i ii iiii y 18 2 15 8 7 。 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：马衣乞轰导师( 签名) 荣磊水日期：矽以卜、f 中文摘要 首山一矿首采面处于高应力高突区域，因其具有采深大、地应力高、瓦斯含量高、 煤与瓦斯突出危险性大等特点，导致煤巷掘进速度极其缓慢，严重影响矿井采掘正常接 替和安全生产，探索一种适用于该区域煤巷快速掘进灾害防治的有效工艺技术迫在眉 睫。本课题采用理论分析、数值模拟、实验室实验以及现场工业性试验相结合的方法， 对高应力高突区域煤巷快速掘进灾害防治技术进行了全面深入地研究。 本课题主要研究内容如下： 1 基于岩石物理力学性质试验研究，采用h o c k - b r o w n 强度准则及w d c r s h o w i t s 经 验方法，对回采巷道岩体力学性质进行了研究；基于地质力学理论，对回采巷道围岩变 形特征进行了分析。 2 以锚杆支护围岩强度强化理论、锚杆锚索强力支护理论为指导，根据围岩变形 特征，建立了高应力高突区域回采巷道支护技术体系；采用离散元程序u d e c ，对不同 支护参数与支护形式对高应力巷道围岩变形的影响进行了数值模拟研究，确定了最优支 护方案。 3 以瓦斯地质理论为指导，分析了高应力高突区域地质构造形态及其对瓦斯赋存 的影响；以矿井瓦斯防治理论为指导，建立了以穿层深孔预裂爆破技术为核心的高应力 高突区域综合防突技术体系。 4 进行了现场工业性试验，工程实践表明，灾害防治技术可有效防止顶板事故及 突出事故的发生，煤巷掘进速度大幅提高，实现了高应力高突区域煤巷安全快速掘进。 本课题主要创新点如下： 1 根据首山一矿首采面回采巷道围岩变形特征，建立了高预应力高强锚杆、锚索 协调支护、预留断面的支护技术体系，该体系的成功应用使巷道两帮移近量降低4 1 9 ， 顶板下沉量降低5 2 4 ，高应力高突区域巷道围岩变形得到有效控制。 2 针对工作面回风巷与其高位巷掘进相互影响、揭露顶板极其破碎、支护异常困 难的现状，采用显式有限差分程序f l a c ，对两巷围岩应力变化规律进行了研究。研究 表明，回风巷与高位巷水平距离为1 0m 时，围岩应力叠加严重，致使两巷相互影响。及 时调整巷道布署，两巷距离扩为15m 后，支护条件相对简单，顶板完整性变好。 3 建立了以穿层深孔预裂爆破技术为主，前探地质深孔、超前排放钻孔、高位巷 穿层钻孔预抽、瓦斯自动监测系统为辅的综合防突技术体系。工程实践表明，该体系可 有效防治高应力高突区域煤巷突出，确保煤巷安全快速掘进。 4 课题研究成果实施效果显著，煤巷月平均掘进速度大幅提高，回风巷提高9 1 5 ， 运输巷提高5 9 5 ，创平项山矿区高应力高突区域煤巷掘进最高纪录。 关键词：高应力高突区域，煤巷，快速掘进，协调支护，突出防治 a b s t r a c t t h ef i r s tc o a lf a c ei ns h o u s h a nn o 1m i n el o c a t e si nh i g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s ta r e a c o a ld r i f ti nt h i sa r e ah a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g em i n i n gd e p t h ，h i g hg r o u n ds t r e s s ，h i g h g a sc o n t e n ta n dh i g ho u t b u r s td a n g e r , s oi t sd r i v i n gs p e e di sm o s ts l o w , a n dt h ew o r ko f e x c a v a t i o nr e p l a c e m e n ta n ds a f e t yp r o d u c t i o nh a sb e e na f f e c t e ds e r i o u s l yb yi t ，i ti sn e c e s s a r y t oe x p l o r ea ne f f e c t i v et e c h n o l o g ys u i t a b l ef o rp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gd i s a s t e rd u r i n gt h e d r i v i n gp r o c e s so fc o a ld r i f t i nh i 【g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s ta r e a t h e r e f o r e ，d i s a s t e r p r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rs p e e d yd r i v a g eo fc o a ld r i f ti nh i g l ls t r e s s a n dh i g h o u t b u r s t a r e ai ss t u d i e dr o u n d l yb ym e a n so ft h e o r e t i ca n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n di n d u s t r i a lt e s ti n t h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt e s tr e s u l t so fp h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c k , s u r r o u n d i n gr o c km a s s m e c h a n i c sp r o p e r t i e so fg a t e w a ya r er e s e a r c h e db ya d o p t i n gh o c k - b r o w ns t r e n g t hf a i l u r e c r i t e r i o na n dw ：d e r s h o w i t se m p i r i c a lm e t h o d ；b a s e do ng e o m e c h a n i c st h e o r y , s u r r o u n d i n g r o c kc o n t r o lf e a t u r e so fg a t e w a ya r ea n a l y z e d 2 u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h eb o l t i n gs u r r o u n d i n gs t r e n g t hr e f o r c e m e n tt h e o r ya n db o l t & a n c h o ri n t e n s i v es u p p o r tt h e o r y , s u p p o r ts y s t e mo fg a t e w a yi nh i g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s t a r e ai sf o u n d e da c c o r d i n gt os u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lf e a t u r e s ；t h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t u d yo fe f f e c to ns u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o no fh i g hs t r e s sc o a ld r i f tb yd i f f e r e n ts u p p o r t p a r a m e t e r sa n df o r m i sc a r r i e do u tb yd i s c r e t ee l e m e n tc o d eu d e c ，a n dt h ef i r s t - r a n k c o o r d i n a t i o ns u p p o r ts y s t e mo fb o l ta n dc a b l ei sf o u n d e du l t i m a t e l y 3 b a s e do ng a sg e o l o g yt h e o r y , g e o l o g i c a ls t r u c t u r ef o r ma n di t si n f l u e n c eo ng a s e x i s t e n c ea r ea n a l y z e d ；b a s e do ng a sp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt h e o r y , t h eg e n e r a lo u t b u r s t p r e v e n t i o ns y s t e mi sf o u n d e & w h o s ec o r ei sp r e s p l i t t i n gb l a s t i n gt e c h n o l o g yu s i n gb o r e h o l e t h r o u g hl a y e ro f h i g hl e v e ls u c t i o nr o a d w a y 4 t y p ea p p r o v a lt e s ti sc a r r i e do u ti ns h o u s h a nn o 1m i n e ，t e s tr e s u l t s i n d i c a t et h a t d i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y 啪p r e v e n tr o o fa c c i d e n ta n do u t b u r s ta c c i d e n t e f f e c t i v e l y , a n dd r i v es p e e do fc o a ld r i f ti n c r e a s e sg r e a t l y , s a f e t ya n ds p e e d yd f i v a g eo fc o a l d r i f ti nh i 曲s t r e s sa n dh i i g ho u t b u r s ta r e ai sa b l et or e a l i z e t h em a i ni n n o v a t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt os u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lf e a t u r e so fg a t e w a y , s u p p o r ts y s t e mi sf o u n d e d w h i c hi n c l u d e sc o o r d i n a t i o ns u p p o r tt e c h n o l o g yu s i n gb o l t & c a b l ew h i c hh a sh i i g hp r e s t r e s s a n dh i i g h i n t e n s i t y , a n ds e c t i o n s e ti na d v a n c e t h es y s t e mi s a p p l i e ds u c c e s s f u l l y , d i s p l a c e m e n to fr o a d w a y ss i d e sr e d u c e s4 1 9 ，s i n k i n gd i s p l a c e m e n to fr o o fr e d u c e s5 2 4 * 0 , a n ds u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o ni nh i 。g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s t a r e ai sc o n t r o l l e d e f f i c i e n t l y 2 a i ma tt h es i t u a t i o nt h a tr e t u r na i r w a ya n di t sh i g hl e v e ls u c t i o nr o a d w a yi n f l u e n c e e a c ho t h e r , u n c o v e r e dr o o fi sm o s tf r a g m e n t i z e d ，a n ds u p p o r tc o n d i t i o n sa r ev e r yd i f f i c u l t , s t u d yo nt h ec h a n g el a wo fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sb e t w e e na b o v e - m e n t i o n e dr o a d w a yi s c a r r i e do u tb yu s i n ge x p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c ep r o g r a mf l a c r e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a t s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s ss u p e r p o s e sb a d l yw h e nh o r i z o n t a lr a n g eo ft h et w or o a d w a yi s10m t h e r e f o r e ，r o a d w a yl a y o u ti sc h a n g e d ，s u p p o r tc o n d i t i o n sa n dr o o fi n t e g r a l i t yb e c o m ew e l l w h e nh o r i z o n t a lr a n g eo f t h et w or o a d w a yi s15m 3 t h eg e n e r a lo u t b u r s tp r e v e n t i o ns y s t e mi sf o u n d e d ，w h o s ec o r ei sp r e s p l i t t i n gb l a s t i n g t e c h n o l o g yu s i n gb o r e h o l et h r o u g hl a y e r o fh i g hl e v e ls u c t i o nr o a d w a y , b e y o n dt h a t ， g e o l o g i c a lb o r e h o l ef o ra d v a n c e dd e t e c t i o n ，a d v a n c i n gh o l eu s e df o rg a se x h a u s t , b o r e h o l e t h r o u g hl a y e ro fh i g hl e v e ls u c t i o nr o a d w a yf o rf o r e p u m p i n g ，a n dg a sa u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e ma r ei n c l u d e d e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mc a np r e v e n ta n dc o n t r o lc o a l a n dg a so u t b u r s ti nh i g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s ta r e a 4 r e s e a r c hf i n d i n g so ft h i sp a p e ri sa p p l i e ds u c c e s s f u l l y , m o n t h l ym e a nd r i v es p e e do f r e t u r na i r w a yi m p r o v e s91 5 t h a np r e v i o u ss p e e d ，a n dh a u l a g er o a d w a yi m p r o v e s5 9 5 d r i v es p e e dr e c o r do fc o a ld r i f ti nh i g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s ta r e ai np i n g d i n g s h a nm i n i n g a r e a i ss e t u p k e yw o r d s ：h i 【g hs t r e s sa n dh i g ho u t b u r s ta r e a , c o a ld r i f t ，s p e e d yd r i v a g e ，c o o r d i n a t i o n s u p p o r t , o u t b u r s tp r e v e n t i o na n dc o n t r o l 第1 章绪论。 目录 1 1 问题的提出l 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 巷道支护技术研究现状3 1 2 2 煤巷掘进防突技术研究现状6 1 3 课题的研究内容与研究方法10 1 3 1 研究内容1 0 1 3 2 研究方法11 第2 章回采巷道围岩变形特征及瓦斯地质规律研究。1 3 2 1 岩石物理力学性质试验研究13 2 1 1 采样地点及尺寸1 3 2 1 2 试验设备、仪器及材料l5 2 1 3 岩石试件的规格、加工精度、数量及含水状态1 6 2 1 4 岩石物理力学参数测定1 7 2 2 回采巷道地质力学分析。2 9 2 2 1 地质构造2 9 2 2 2 水文地质3l 2 2 3 巷道围岩条件3 1 2 2 4 地应力分析3 2 2 2 5 矿井地质条件类型3 2 2 2 6 回采巷道围岩控制关键影响因素分析3 3 2 2 7 岩体力学性质研究3 5 2 3 瓦斯地质规律研究3 9 2 3 1 瓦斯赋存规律研究3 9 2 3 2 煤层突出危险性分析4 0 2 4 回采巷道快速掘进影响因素分析4 2 2 5 ，j 、结4 2 第3 章高应力高突区域煤巷快速掘进支护技术研究 3 1 支护机理及初步技术方案。4 4 3 2 不同支护参数、形式对高应力巷道围岩变形的影响研究4 6 3 2 1 u d e c 软件简介4 6 3 2 2 模型计算参数的确定4 8 3 2 3 模拟方案的确定5 0 3 2 4 模拟结果分析5 0 3 3 高应力高突区域煤巷快速掘进支护技术研究6 6 3 3 1 锚杆、锚索支护技术研究6 6 3 3 2 锚杆与锚索协调支护分析7 l 3 3 3 施工技术要求7 l 3 z l ，j 、结7 2 第4 章高应力高突区域煤巷快速掘进防突技术研究7 3 4 1 防突技术措施7 3 4 1 1 前探地质深孔7 3 4 1 2 超前排放钻孔7 4 4 1 3 高位巷穿层钻孔预抽7 9 4 1 4 高位巷穿层深孔预裂爆破8 l 4 1 5 瓦斯自动监测系统8 4 4 2 防突措施效果检验。8 4 4 2 1 效果检验指标8 4 4 2 2 效果检验方法8 5 4 2 3 效果检验钻孔布置8 5 4 3 安全防护措施8 6 4 4d 、结9 0 第5 章高应力高突区域煤巷快速掘进灾害防治技术现场应用研究 9 2 5 1 高应力高突区域煤巷快速掘进支护技术现场应用研究9 2 5 1 1 高位巷与工作面回风巷围岩应力变化规律研究9 2 5 1 2 巷道围岩变形监测。1 0 3 5 2 高应力高突区域煤巷快速掘进防突技术现场应用研究1 1 4 5 2 1 执行防突措施的技术要求1 1 4 5 2 2 综合防突技术实施结果及分析1 1 6 5 2 3 穿层深孔预裂爆破防治高应力高突区域煤巷突出的试验研究。1 2 3 5 3 高应力高突区域煤巷快速掘进施工组织与管理1 2 7 5 4 高应力高突区域煤巷快速掘进灾害防治技术实施效果1 2 8 5 5 小结1 2 9 第6 章结论与展望 致谢二。 参考文献 攻读学位期间获得的科研成果 。1 3 3 。1 3 4 1 4 2 武汉理工大学博士学位论文 ”1 1 问题的提出 第1 章绪论 煤与瓦斯突出( 简称突出) 是煤矿中一种极其复杂的动力现象，它能在很 短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及碎煤，在煤体中形成 特殊形状的空洞，并形成一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等；喷出的 粉煤可以充填数百米长的巷道，喷出的瓦斯一粉煤流有时带有暴风般的性质， 瓦斯可以逆风流运行，充满数千米长的巷道【l 瑚1 ，甚至可能引起瓦斯爆炸与火灾 事故，导致生产中蝌2 】6 6 。因此，煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的严重自然 灾害之一。 自1 8 3 4 年3 月2 2 日法国鲁阿尔煤田伊萨克矿井发生世界上第一次有记载 的突出以来【2 】6 6 ，世界各主要产煤国家都发生过不同程度的突出，我国也是突出 灾害最严重的国家之一。煤与瓦斯突出因其发生原因复杂、影响因素众多、突 发性和破坏性极强而成为矿山安全领域中的重大研究课题之一。 与世界各主要产煤国家相比，我国的煤炭赋存条件差，主要依靠井工开采。 近年来，随着矿井开采规模的扩大，开采深度逐年增加，煤层瓦斯压力和瓦斯 含量逐渐增大，一些低瓦斯矿井或高瓦斯矿井逐步升级为突出矿井，突出次数 日渐增多，造成的灾害也日益严重。统计资料表明，煤巷掘进工作面突出次数 最多，约占突出总数的4 5 左右，其平均突出强度为6 8 9 吨次【1 5 。煤巷掘进过 程中频繁的突出成为危及职工生命安全的主要原因。此外，因掘进防突措施工 序复杂、工程量大，导致煤巷掘进速度缓慢，矿井采掘比例严重失调，严重突 出矿井更是采掘效率低下，经营状况举步维艰，直至破产关闭。目前，大多数 严重突出矿井的煤巷掘进速度仅为3 0 4 0i i l 月。研究煤巷掘进防突技术是突出防 治工作的重点，是突出矿井实现高产高效的关键，解决严重突出煤层掘进防突 技术难题既关系到煤矿职工的切身利益和煤矿安全、高效生产，同时又是振兴 煤炭经济的迫切要求。 首山一矿为平顶山煤业( 集团) 有限责任公司平( 煤) 宝( 钢) 公司新建 矿井，设计生产能力为2 4m f f a ，属煤与瓦斯突出矿井，于2 0 0 4 年8 月开工建设， 计划2 0 0 9 年7 月建成投产，其首采煤层为己1 5 煤层，首采工作面为己1 5 - 1 2 0 1 0 i 作 面。 武汉理工大学博士学位论文 己1 5 - 1 2 0 1 0 工作面紧邻白石山背斜，高沟逆断层位于其附近。该工作面标高 为6 6 0m 6 8 0m ，埋藏深度为7 9 0m - 8 1 0m 。己1 5 煤层结构单一，厚度为2 9 l 4 7 l m ，平均3 5 0m ；煤层倾角变化较大，在白石山背斜轴部坡度较平缓，约为0 。， 在运输巷里段坡度较大，约为1 l 。煤层直接顶板大部为中厚一厚层状泥岩、砂 质泥岩，局部为中厚层状细粒砂岩，厚度为0 6 2 9 6 0m ，一般为3 - 6m ，因己 l r l 2 0 1 0 工作面紧邻白石山背斜轴，断层裂隙发育，顶板岩石破碎，岩体完整性 差，岩性大部为i - 类，局部为i i 类；直接底板大部分为泥岩、砂质泥岩，厚 度为0 - 5 5 0m ，一般为0 5 0 - 4 0m ，平均3 4 3m ，局部为细粒砂岩，厚度为肛7 0 0 m ，平均4 6 3m ，底板饱和抗压强度平均为2 0 7m p a ，属松软类底板。5 0 0 2 # 见煤 钻孔资料显示：d x f 2 1 断层位于己1 5 - 1 2 0 1 0 工作面内，断层落差叫m ，倾角7 4 。， 控制程度较差，可能断至奥灰岩而具有较强导水性；此外，该工作面穿d f l 8 断层， 落差0 5m ，倾角7 0 。，控制程度可靠。综上所述，己1 5 - 1 2 0 1 0 工作面埋深大， 地质构造复杂，地应力集中，煤层松软破碎，且在煤巷施工过程中伴有煤炮声， 打钻时夹钻、顶钻、喷孔现象严重，由此可初步判定，该工作面处于高应力区 域。 己1 5 - 1 2 0 1 0 - 1 - 作面煤层瓦斯压力较大、瓦斯含量较高，煤的破坏类型为i i 、 、类，煤层瓦斯压力为1 3 8m p a ，煤层瓦斯含量为1 0 4 6m 3 t ，瓦斯放散初 速度为1 7 1 4 ，煤的坚固性系数为0 1 l ，根据煤层突出危险性单项指标判定p 】，该 区域为突出危险区。此外，在建井期间，首山一矿分别于2 0 0 6 年3 月1 日、2 0 0 6 年8 月1 日在位于己1 5 煤层下部l “m 处的己1 6 1 7 煤层和位于其上部的戊9 - l o 煤层发 生两次瓦斯动力现象。由此可初步判定，该工作面处于严重突出危险区域。 在高应力高突区域进行首采工作面的准备，顶板灾害及瓦斯突出灾害成为 影响煤巷掘进速度的主要因素，而煤巷掘进速度又将直接影响矿井能否按期投 产。如何提高己l y - - 1 2 0 1 0 - 1 - 作面煤巷的掘进速度，并有效防止顶板事故及煤与瓦 斯突出事故的发生，是首山一矿亟待解决的难题。为此，平顶山煤业( 集团) 有限责任公司将该课题列为2 0 0 8 - 2 0 0 9 年度重点科技攻关项目。 多年来，国内外众多科研人员在顶板支护技术及煤巷防突技术领域开展了 广泛的研究，取得了卓越的成就。但是，在高应力高突这种条件特殊的区域进 行煤巷掘进工作，常规的支护技术及防突技术存在很大的局限性，难以取得预 期效果，无法满足煤矿高产高效及安全生产的需求，探索一种针对高应力高突 区域煤巷快速掘进灾害防治的有效工艺技术迫在眉睫。为此，本课题将从回采 巷道支护的发展趋势、防治煤与瓦斯突出技术措施以及相互之间的协调配合等 2 武汉理工大学博士学位论文 方面着手，通过理论分析、数值模拟、实验室实验以及现场工业性试验，对“高 应力高突区域煤巷快速掘进灾害防治技术 这一课题进行全面深入地研究。 本课题研究成果将为首山一矿煤巷支护、瓦斯治理提供有力的理论支撑， 为回采工作面消除突出危险性拓展空间与时间，确保处于高应力高突区域的煤 巷安全、快速掘进，从而缓解采掘接替紧张的局面。同时，研究成果将为国内 其它类似条件矿井提供有益的参考和借鉴。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 巷道支护技术研究现状 巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术，安全、合理、有效的巷道支 护是保证矿井高产、高效的必要条件【4 j 。 煤巷支护经历了如下过程【5 1 ：木支护一砌碹支护一型钢支护一锚杆支护。近 年来，回采巷道锚杆支护技术发展极为迅速。与棚式支架支护相比，锚杆支护 显著提高了支护效果，降低了支护成本，减轻了工人劳动强度，改善了作业环 境，简化了采煤工作面端头区维护工艺，十分有利于采煤工作面的快速推进， 实现矿井的高产高划6 。 多年来，美国、澳大利亚、英国等国家对锚杆支护技术进行了比较全面的 研究 如2 2 1 ，取得了良好的支护效果，锚杆支护率达9 0 0 , 4 以上。但是，国外煤矿开 采深度小，地质条件简单，护巷煤柱宽度大，与我国煤矿巷道条件差别较大【6 j 。 我国煤矿于1 9 5 6 年开始在岩巷中使用锚杆支护技术，经历了低强度锚杆、 高强度锚杆及高预应力、强力锚杆支护的发展过程【5 一，至今已有5 4 年的历史。 我国煤巷锚杆支护技术的研究与应用主要经历了三个阶段【7 j ： 第一阶段：1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，主要进行了一些基础性研究和试验，煤巷锚杆支 护主要集中在少数几个矿区应用。 第二阶段：1 9 9 1 1 9 9 5 年，煤巷锚杆支护技术被国家列为“八五期间重点 项目，进行科技攻关，课题数量、研究深度及广度、现场试验推广面积等，都 明显大于第一阶段。但是，早期锚杆主要是机械锚固锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、 端部锚固树脂锚杆、快硬水泥锚杆及管缝式锚杆等，这些锚杆支护原理上仍属 于被动支护，只适应于简单地质条件f 5 1 ；由于支护强度与刚度低，缺乏科学的支 护理论和设计方法，支护材料、施工机具技术性能和配套性差，监测仪器不完 善，因而支护质量不能保证，出现过多起冒顶死亡事故1 6 j 。 3 武汉理工大学博士学位论文 第三阶段：1 9 9 6 年至今，在原煤炭部的组织下，我国引进了澳大利亚锚杆 支护技术，并在邢台矿务局进行了技术演示，对高强度锚杆支护技术的认可也 正是从此时开始的【2 3 】。通过引进技术与示范工程，高强螺纹钢锚杆并进行加长 或全长树脂锚固、动态支护设计方法、小孔径树脂锚固预应力锚索等新技术、 新方法、新材料【5 】在邢台、兖州、潞安、西山、新汶、铁法、淮南等矿区得到了 广泛的推广应用，躺】，取得了较好的支护效果和巨大的经济、社会效益。但是， 随着矿井开采深度加大，地质条件日趋复杂，高强锚杆支护无法适应深井复杂 巷道条件，支护效果较差，无法满足安全生产的需求。 近年来，针对深部高地应力巷道、受强烈采动影响的巷道、特大断面巷道 等复杂困难条件，国内外众多研究者开展了大量深入细致地研究 2 6 - - 4 3 。其中， 煤炭科学研究总院北京开采研究所取得重大突破，开发出了高预应力、强力锚 杆支护技术【4 卜4 3 1 ，实现了锚杆的主动、及时支护，充分发挥了锚杆的支护作用。 该项技术使巷道围岩变形、破坏程度大幅降低，巷道支护、安全状况得以根本 改变；同时，实现了高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的“三高一低” 的现代锚杆支护设计理念，在保证支护效果的前提下，巷道掘进速度与工效得 以显著提高【5 】。此外，中国矿业大学、河南理工大学等单位也进行了比较系统的 试验研究，如中国矿业大学在淮南开展的深部软岩巷道锚杆支护技术研究，河 南理工大学在邢台开展的千米深井巷道支护技术研究等项目，在深部高应力巷 道支护方面都作了许多有益的工作。 随着煤巷锚杆支护技术的快速发展，锚杆支护理论研究也取得较大进展。 除传统的悬吊、组合梁与加固拱外，还有围岩松动圈支护理论m ，4 5 】、围岩强度强 化理论【拍】等。归纳起来主要有3 种模式【5 】：被动悬吊破坏( 或潜在破坏) 范围 的煤岩体；在锚固区内形成梁、层、拱、壳等结构：改善锚固区围岩应力 状态与力学性能，控制围岩变形与破坏。研究表明，锚杆支护的本质作用以第3 种模式为主；同时发现，巷道开挖后立即支护，并施加足够高的锚杆、锚索预 应力，提高锚固体刚度非常重要 5 , 4 1 ，4 7 】。为有效解决深部及复杂困难巷道二次支 护或多次支护仍不能有效控制围岩变形与破坏这一难题，煤炭科学研究总院北 京开采研究所通过大量的理论研究、数值模拟及井下试验，提出了高预应力、 强力支护理论【4 2 4 3 1 ，其核心是强调锚杆、锚索预应力及其扩散对支护效果的决定 性作用，采用高预应力、强力锚杆组合支护，通过合理的支护设计，实现一次 支护。 ， 综合我国锚杆支护技术研究取得的成果，归纳为以下几点【6 ，4 8 j ： 4 武汉理工大学博士学位论文 ( 1 ) 提出了多种锚杆支护理论，包括新奥法支护理论的改进与完善、松动 圈支护理论、围岩强度强化理论、扩牡稳定理论、二次支护理论、高预应力、 强力支护理论、联合支护理论等，这些理论在不同的时期与不同条件下对生产 实践起到了积极的作用。 ( 2 ) 在高地压巷道围岩控制技术方面，有锚喷支护、u 型钢可缩性支架支 护、注浆加固、联合支护及卸压技术等多种形式。这些支护形式在高地应力、 破碎围岩巷道中得到了应用，取得了一定效果。 ( 3 ) 高强度锚杆、锚索支护技术得到大面积推广、应用，形成了锚杆支护 成套技术( 包括地质力学测试、支护设计、支护材料、施工机具与工艺、工程 质量监测与矿压监测) ，成为巷道支护的主要形式。 ( 4 ) 开发出巷道围岩地质力学快速原位测试系统，包括地应力、围岩强度 及围岩结构测定装置，实现了井下围岩地质力学参数的快速、经济及大面积测 量。 ( 5 ) 动态性、系统性、信息性的锚杆支护设计方法，如有限差分( f l a c ) 、 有限元( a n s y s 、a d i n a ) 、离散元( 切) e c ) 等数值计算软件已广泛应用于锚 杆支护设计，提高了设计的科学性、合理性与可靠性。 ( 6 ) 开发出高强度、高刚度树脂锚杆支护系统，实现了煤矿巷道支护材料 的跨越式发展。 ( 7 ) 形成了一套综掘机配单体锚杆钻机的煤巷快速施工工艺，使煤巷锚杆 支护单进水平有了较大提高。 ( 8 ) 研制出锚杆支护施工质量检测和矿压监测成套仪器。顶板离层指示仪、 测力锚杆、锚杆( 索) 测力计等监测仪器得到推广应用，在判断支护设计合理、 围岩稳定性与巷道安全性方面起到重要作用。 ( 9 ) 将锚固和注浆加固技术有机结合在一起，开发出多种形式的注浆锚杆、 注浆锚索及钻锚注一体化锚杆，兼有锚固与注浆加固功能，为破碎煤岩体等复 杂困难条件提供了有效的加固手段。 ( 1 0 ) 某些矿区针对自身具体情况，制定了适用于本矿区的煤巷锚杆支护 技术规范，促进了煤巷锚杆支护技术健康发展。 尽管煤巷锚杆支护技术研究取得了上述成果，但还远不能满足高地压巷道 围岩控制的要求。归纳起来，主要存在以下问题郴j ： ( 1 ) 目前，国内大部分深部与复杂困难巷道采用二次支护理论，即巷道支 护分两次进行，一次支护在保持巷道稳定的前提下，允许巷道有一定的变形以 5 武汉理工大学博士学位论文 释放压力；隔一定的时间后实施二次支护，保持巷道的长期稳定。但是这种理 论目前已遇到了极大的挑战，在千米深井巷道、强烈动压影响巷道、构造压力 影响带、软岩破碎带等地点，采用二次支护后仍出现变形破坏等问题，甚至需 要三次、四次支护，巷道周而复始的发生破坏，围岩变形长期得不到有效控制。 ( 2 ) 对于高地压巷道，尚缺乏有效的支护方法，导致巷道变形与破坏剧烈， 需多次维修与翻修。不仅支护成本高，掘进速度低，而且带来很多安全隐患， 严重制约采煤工作面的快速推进和矿井产量、效益的提高。 ( 3 ) 高地压巷道采用高强度锚杆、锚索支护技术时，出现了一系列问题： 锚杆预应力过低、强度不足、抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效，甚至 锚杆尾部被弹射出去等破坏现象；锚索直径小、强度低、延伸率低，与钻孔匹 配性差，经常出现锚索被拉断或整体滑动；钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉 断，护顶效果差。上述现象严重影响了巷道支护效果和安全程度。 ( 4 ) 由于锚杆、锚索强度和刚度偏低，不得不盲目地增加锚杆支护密度， 导致单位面积上锚杆、锚索数量多，间排距小，严重影响巷道掘进速度，造成 采掘接替紧张。 ( 5 ) 对组合构件( 钢筋托梁、钢带) 在锚杆支护系统中的重要作用认识不 足。组合构件的强度、刚度、护表面积不够，在巷道变形量大的地段经常出现 组合构件被剪断、压穿等现象，支护效果受到严重影响。 综上所述，现有锚杆支护技术已不能满足深部与复杂困难巷道支护要求， 巷道支护效果受到严重影响，顶板安全受到严重威胁。单纯依靠增加支护密度， 不仅不能解决实质性问题，而且显著影响巷道掘进速度。因此，有必要针对深 部与复杂困难巷道条件，开展全面系统的支护理论、设计方法、支护材料、施 工工艺等成套技术研究与实验，实现锚杆支护技术新的突破，从根本上改变巷 道支护状况，实现高效、安全支护。研究对于深部煤炭资源开采、巷道布置改 革、矿井的高产高效与安全具有不可替代的重要作用。 一 1 2 2 煤巷掘进防突技术研究现状 1 ) 煤与瓦