松碎条件下联合支护.doc

深井松碎顶板条件下耦合支护研究摘要：针对东滩煤矿深井开采存在的顶板松碎难以取得较好支护效果的问题，采用现场实测与理论分析相结合的研究方法，对顶板松散形成因素进行了充分的分析，并对巷道围岩进行了钻孔窥视探测。在此基础上，探讨了松散围岩巷道支护不耦合的问题，充分论证了耦合支护原理的可行性，提出了松碎顶板条件下的耦合支护方案。关键词：松碎顶板、耦合支护、钻孔窥视Abstract: In connection with the problems that the loose-broken roof is hard to get fairly good support effect under the deep mining in Dong Tan mine, the research method of filed measurement combining with theoretical analysis is used to sufficiently anylyse the forming factors of loose-broken roof and perform detecting with drilling peep in the roadway surrounding rock. On this basis,the problem that support cant be coupled in Loose rock tunnel is studyed,the feasibility of coupling support is full proofed, and the scheme of coupling support under the condition of loose-broken roof is proposed. Key words: loose-broken roof, coupling support, drilling peep东滩煤矿是兖州矿区采深最大的矿井，采区采深超过600m，可以称为深部开采的矿井。东滩处于兖州煤田3上煤与3下煤合层与分层的交界处，即两层从井田北部与兴隆庄煤矿的合层，到井田南部及西部分别与南屯煤矿和鲍煤矿相交处两层煤夹层厚度大于5m以上。井田范围内夹矸厚度大部分为分层开采的0.7m到4.29m。为进一步研究今后3下煤巷道布置方式，对已开采的3下煤巷道布置、支护形式及支护效果进行总结，提出合理的支护方案，为3下煤今后的巷道支护提供指导和理论依据。1概述东滩煤矿在3下煤巷道掘进时，顶板夹矸的状态并不仅仅取决于夹矸的岩性，还取决于夹矸的破坏状态，在地质构造带，夹矸的完整性受到破坏，3下煤巷道在这样的顶板条件下掘进后支护效果较差，四采区夹矸厚度为3m左右，当夹矸厚度变大时，顺槽支护有变差的趋势。3下煤开采初期，四采区工作面顺槽支护状况较差。根据东滩煤矿工作面顺槽位置的留设经验和工作面初采阶段巷道深入四采区与十四采区之间煤柱区防冲的要求，综合确定43下07（北）工作面两顺槽采用内错布置，距离为错开3上煤工作面顺槽6m，这样不仅可以保证巷道围岩稳定性，而且可以在较简单的支护条件下得到较好的支护效果。本文主要针对四采区松碎顶板巷道较难支护的问题，开展松碎顶板形成机理研究，探索此条件下合理的支护措施。2巷道围岩破坏程度分析2.1松碎顶板形成因素分析1）高应力的影响由于43下07（北）工作面上部的3上煤层开采较早，上层采空区经压实后应力重新分布，基本恢复自重应力，由于3下煤埋藏深度较大（-700m），因此巷道顶板所承受应力较高。高应力表现为在3上煤层开采过程中，巷道底臌严重，破坏了底板岩层的完整性。由于3上煤层与3下煤层间距较近，3下煤层顶板易受3上煤层采动影响，开采过程中部分顶板破碎严重。2）地质构造的影响巷道部分区域处于向斜轴部，受向斜褶曲构造影响。向斜轴褶曲是在大水平应力作用下，岩层产生大的塑性变形，失去稳定后形成的。由于岩层的弯曲变形，从而引起向斜轴部的应力集中，向斜轴部煤层应力状态相对集中，而且煤层顶、底板破碎。构造应力可能全部释放，或者由于岩体的流变特性使它部分释放。向斜轴部附近开掘巷道时，巷道变形较大。向斜轴部煤层较高的应力状态对煤层安全开采有重大影响。3）岩性发生变化由于岩层的非均质性，部分区域顶板岩性可能发生变化。整体上3下煤顶板为粉砂岩，部分区域变为泥岩等软岩。软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点，仅采用工字钢无法达到支护要求，需要进行联合支护。2.2 巷道围岩破坏状态钻孔窥视探测对43下07（北）工作面轨顺顶板及两帮进行钻孔窥镜探视，在顶板钻孔二个、两帮各钻孔一个，钻孔设置在同一断面上，位置距停采线55.8m，各钻孔情况如下图所示：图3-15 43下07（北）工作面轨顺探测钻孔位置图此处3上煤厚5.45m，顶板夹矸为粉砂岩，厚3.4m，3下煤厚2.42m。（1）东帮（工作面轨顺内帮）钻孔深度5.5m，高度1.6m，钻孔向上12.5。距孔口2m处煤体出现一裂隙，距孔口3.24m有裂隙。距孔口4.65m处，出现夹矸，岩石较为破碎（图3-18）；距孔口4.9m处煤体出现较大裂隙。（2）西帮（工作面轨顺外帮）钻孔离底板高度1.5m，离停采线56m，距迎头4.8m。孔深9.7m，倾角向上11。距孔口9.7m处，煤体破碎（图3-20）；距孔口7.3m处破碎、有大裂隙、距孔口4.5m处，煤体较为完整（图3-22）。另外，通过观测确定，从孔口到1.8m处煤体较为破碎。（3）顶板钻孔，距西帮0.8m，孔深4.5m，探测顶煤厚度约0.8m。孔底部贯通上层煤采空区，可见金属网碎片；距孔口3.6m处顶板夹矸较为完整。（4）顶部钻孔，距东帮0.8m，顶煤厚度0.8m，岩石较好，顶煤破碎。综合对43下07（北）工作面轨顺顶板及两帮钻孔探测的结果，顶板夹矸比较完整，两帮煤体在一定范围内也较为完整。在这种条件下，巷道稳定性较好，所以巷道只需工字钢棚支护。3松碎顶板条件下耦合支护原理松碎围岩巷道支护存在的最大问题是不耦合问题。具体表现为强度不耦合和刚度不耦合。所谓的强度不耦合即支护强度与支护荷载之间存在的不耦合现象，即由于3下顶板夹矸比较破碎，巷道掘出后，顶板自稳性能较差，使得顶板破碎范围不断扩大，对工字钢顶梁形成较大压力，由于工字钢顶梁跨度较大，支撑能力有限，因而会造成较大变形。支护问题的刚度不耦合表现为支护体的刚度小于围岩的刚度即“正向不耦合”或支护体的刚度大于围岩的刚度即“负向不耦合”。当存在“正向刚度不耦合”现象时，由于围岩得不到足够的支护，而使围岩受力状态恶化，支护荷载增加，最终使整个支护体破坏。而当存在“负向刚度不耦合”现象时，由于围岩的膨胀变形能得不到足够的释放，能量在支护体与围岩之间不断聚集，使支护荷载增加，最终使整个支护体破坏失稳。针对上述支护的不耦合问题，提出支护的耦合支护思想。该耦合包括强度耦合和刚度耦合。采用具有主动承载能力的“锚杆金属网”的支护形式作为一次支护，金属梯形工字钢棚作为二次支护的联合支护，两者耦合发挥作用时，可达到良好支护效果。（1）锚杆金属网的支护形式能与围岩共同形成支护体系，提高岩层的内聚力和内摩擦角，提高和保持围岩的完整性，增强岩层的承载能力，形成巷道的主动支护体系，即提高了围岩的强度和刚度，使其与工字钢棚实现耦合支护。（2）考虑到顶板岩层上方是采空区，顶板挠曲和离层能力较强，若再受到一定的采动影响，极易破坏而产生整体下沉，为防止顶板产生较大变形，采用工字钢棚作为二次支护，形成顶部围岩破坏后的被动支护体系。（3）两者耦合作用的关键在于变形的协调，锚网支护起主要作用，用来形成围岩的自稳结构；工字钢棚起辅助作用，在一定程度上控制围岩的变形并保持围岩的自稳结构，并起到防止顶板整体塌落的保护作用。所以从这一点来说，如果锚网支护体系破坏或起不到应有的作用，而工字钢棚对巷道支护作用有限，其结果必然是巷道顶板的较大变形及破坏。（4）从耦合作用来说，要求锚网要及时支护顶板，保证支护质量；工字钢棚要与围岩紧密接触，较早抑制围岩变形，这样才能达到联合支护的目的。4巷道支护措施根据松碎顶板形成机理分析、现场巷道围岩破坏状态实测和耦合支护原理的分析，得到43下07（北）工作面顺槽的支护方式如下：1） 43下07（北）轨顺的支护方式43下07（北）轨顺自开门点向北已施工约750m（距工作面切眼煤壁630m），使用新矿工钢梁，在顶部隔两棚打两根锚杆即锚杆间排距（1800500mm）。再向前施工时顶部锚杆变为隔三棚打两根锚杆即锚杆间排距（2400500mm），施工了50m，棚梁没发生明显变形。其余地段去掉顶部锚杆，帮部成型较好，顶板岩石部分不再布置锚杆。2）43下07（北）运顺的支护方式43下07（北）运顺施工125m，巷道顶板不打锚杆。125m-170m采用架棚、顶、帮打注锚杆的联合支护方式。巷道顶部每排布置3根锚杆（即布置在相邻棚梁间），巷中位置布置一根，其余两根锚杆打注在巷中左右各800mm位置处，锚杆采用202000mm全螺纹钢锚杆。顶部每根锚杆使用一块梯形钢带托盘。170-720m巷道采用架棚、顶帮打注锚杆的支护方式。巷道顶部每个棚档内布置4根锚杆（布置在相邻棚梁间），其中距离巷中线两侧300mm各布置1根锚杆，其余锚杆按照间距600mm均匀布置。锚杆采用202000mm全螺纹钢锚杆，顶部每根锚杆使用一块梯形钢带托盘。720m-750m的30m范围内，顶部棚梁间隔棚布置3根锚杆，巷中布置一根，距巷中左右800mm各布置一根；750m-780m的30m范围内，顶部棚梁间隔棚布置2根锚杆，距巷中左右800mm各布置一根。从780m到开切眼顶板不采用锚杆支护。5结束语充分的调研了松碎顶板的形成机理和松碎围岩巷道支护的不耦合理论，结合围岩稳定性的钻孔窥视探测的实际，合理的确定了深井开采条件下的耦合支护方案，为东滩煤矿3下工作面巷道支护提供了指导。参考文献1何满潮,杨军,齐干,王树仁. 深部软岩巷道耦合支护优化设计及应用J. 辽宁工程技术大学学报