1、专题部分松软顶板稳定原理分析摘 要：我国煤矿赋存在松软围岩的煤层占可采煤层总数的1 /3, 随着煤田的开发和矿井开采深度的加大,属于这类条件的煤层比例, 还会逐年增加。在采矿过程中, 由于某些原因, 巷道不得不布置在松软围岩中, 松软围岩具有强度低、结构面发育、膨胀性和流变性严重的特点。那么巷道布置在松软岩层中, 工作面冒顶频繁、支架陷底严重、巷道收敛强烈, 这些矿山压力显现, 会造成生产及人身事故, 直接影响矿井的安全生产和经济效益。为此对深井巷道支护方法的研究就显的极为重要。煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成部分。在我国煤矿煤系地层中，具有软岩的矿井分布十分广泛。软岩巷道具有围岩软，
2、强度低，膨胀性，深度大，应力水平高，无可选择性，动荷载作用，时限性等特点。这些特点使得软岩巷道支护问题成为困扰中国煤矿生产建设的重大问题之一。我国从60年代开始投入大量人力财力对软岩问题进行科研攻关，到目前已经取得大量可喜成果。1 软岩巷道围岩控制原则1.1对症下药原则软岩多种多样, 即使宏观地质特点类似的软岩,微观上也千差万别, 构成的软岩复合型变形机理亦多种多样。针对不同的变形机理, 软岩工程的变形和破坏状况不同, 对应的支护对策也不同。只有正确地确定软岩的变形机理, 找出造成软岩工程变形破坏的 病因!, 才能通过 对症下药!采取相应的支护措施, 达到软岩工程支护的稳定。1.2塑性圈原则软
3、岩巷道支护力求有控制地产生一个合理厚度的塑性圈, 最大限度地释放围岩变形能。对于软岩巷道围岩稳定性控制来讲, 塑性圈的出现能大幅度降低变形能, 减少切向应力集中程度, 改善围岩的承载状态。但是, 必须控制塑性圈任意自由地出现，合制围岩塑性圈, 可在围岩变形趋于稳定时及时加强支护。1.3 提高围岩自稳能力原则重视改善围岩力学性质, 提高围岩的自稳能力,而不能采用被动支护, 被动支护的强度越大, 越易造成巷道的失稳破坏。软岩巷道的控制只有通过采用封闭暴露面、安装锚杆、二次注浆加固等措施, 提高围岩抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等岩石力学性质指标, 进而提高岩体自承能力, 达到治理巷道目的。1
4、.4 联合支护原则软岩巷道的变形机理通常是几种变形机理的复合类型, 不同复合型具有不同的支护技术对策要点,关键问题是有效地把复合型转化为单一型的联合支护形式。软岩巷道支护是一个过程, 要对软岩巷道实行有效控制, 必须有一个从复合型向单一型的转化过程。这一过程是依靠一系列有针对性的单一支护型式的联合支护实现的。1.5大断面及避开最大水平应力原则因软岩巷道的大变形不可避免, 在巷道断面设计上应预留变形面积, 以防其尺寸在巷道变形后满足不了使用要求。在地下岩体内掘进巷道后, 由于地应力和二次应力的作用, 会使巷道或硐室发生变形和破坏。就巷道的稳定性而言, 为使巷道周边的应力集中程度减到最小，在选择巷
5、道的位置、方向以及断面形状时, 岩石中的应力状态是一个决定因素。2 软岩巷道支护实例2.1巷道地质条件与原有支护北大巷实际埋深500m左右, 围岩岩性普遍较差, 大多为深灰色砂质泥岩和深灰色铝土质泥岩, 如图1。这种岩石强度低, 岩石普氏系数在1.6 4.3左右, 且易风化、遇水易膨胀, 由于巷道多次修复, 围岩更加松散破碎。三水平北大巷原有支护为U 型钢+ 水泥背板支护, 由于围岩岩性较差, 受到上方煤柱的高支承压力作用后, 巷道变形强烈。巷道普遍存在顶板强烈下沉、两帮严重内移、底臌量大, 巷道全断面收缩。三水平北大巷原巷道断面: 净宽4.0m、净高3.1 m, 巷道变形后最大变形处断面净宽
6、2.6m、净高2.0m。2.2巷道破坏原因分析由于三水平北大巷的围岩岩性较差, 受上方煤柱支承压力作用后, 巷道全断面来压, 巷道顶板下沉量、两帮移近量和底臌量都很大, 巷道全断面收缩,造成巷道维护特别困难。根据北大巷原有支护状况, 北大巷严重变形破坏的原因是多方面的。主要原因有以下几个方面:a. 受煤柱支承压力作用, 北大巷围岩压力大。北大巷上方留有保护三水平井底车场的煤柱, 煤柱的支承压力达到原岩应力的2倍 3倍, 北大巷围岩中的切向应力很高, 北大巷泥岩强度大多在16MPa 36MPa之间, 巷道围岩中产生的切向应力达到32MPa以上, 围岩的应力水平远高于一般泥岩的强度。由于浅部围岩的
7、受力状况较差, 造成北大巷的围岩大量屈服破裂, 产生强烈的剪胀变形, 节理裂隙特别发育。b. 北大巷围岩岩性较差。北大巷围岩多为泥岩, 这种岩石的强度低, 且易风化、遇水易膨胀。在高地应力作用下易产生强烈变形, 变形持续时间长。尤其巷道底板及两墙底角处未能封闭严密, 造成底膨严重, 巷道首先由两侧墙角变形破坏, 致使整个巷道松动变形。2. 3巷道支护措施改进a. 采用高阻可缩支架。它的关键是采用高强U型钢配合双槽夹板卡缆, 并采用新型联排双扣双抗钢筋网, 解决目前现场实际使用的卡缆, 因结构不合理导致的卡缆外翻和夹板拉断问题, 避免支架低阻滑移, 使支架真正实现高阻可缩。b. 加强U 型钢棚纵
8、向结构的强度, 即棚与棚之间用螺纹钢拉杆相连, 同时使用水泥背板进行腰背,使整个棚子连成一体, 增强了整体稳定性。c. 采用高强控底措施控制底板的强烈臌起。根据底板松散破碎底臌量大的实际情况, 采用底板锚索并配合梁网支护, 控制底板的强烈底臌。其中底板锚索施工采用专用的底板锚索钻机。根据底板围岩松散破碎的状况, 先采用底板注浆。然后采用整体梁加固底板, 包括水沟的永久支护。d. 采用锚注加固技术加固围岩。根据北大巷的围岩状况, 需要采用锚注技术加固围岩。一方面通过锚注加固提高围岩体本身的稳定性, 另一方面通过注浆将支架与围岩耦合为一体, 实现支架与围岩共同承载。2. 4巷道支护措施改进后的效果
9、巷道支护措施改进前, 由于支架变形严重, 造成巷道严重破坏, 大部分巷道施工期间就翻修1次 2次, 局部多达3次, 严重影响了施工速度和工程质量。改进后, 经一年多的使用观察, 巷道稳定性较好, 能确保设计要求和安全使用, 只是个别地点有微量变形。1 试验面生产技术条件3403 试验工作面巷道埋深600m, 煤层平均厚度2. 6m, 属稳定煤层, 结构简单。直接顶为砂质泥岩, 厚0 5.2m, 平均2.3m。老顶为中细砂岩, 平均厚度11.4m。直接底为粉细砂岩, 平均厚度3.5m。该试验面因受生产条件的限制采用不完全沿空留巷技术, 如图1 所示( 图中虚线为未开掘巷道) 。其中运输平巷和回风
10、平巷仍采用传统的木支护。因巷道埋藏较深和受到相邻工作面采动的影响, 工作面运输平巷要经常处于高应力和采动压力双重影响之下, 并且, 由于回采顺序, 要受上、下两面的两次采动动压影响.2 深部煤层巷道围岩变形规律深部煤层巷道围岩变形不同于岩石巷道, 有其特殊的规律。因煤层巷道两帮围岩一般是煤体, 其强度通常都低于巷道顶底板岩层, 所以塑性区从帮角开始。当煤层巷道的底板岩层强度较低时, 塑性区的发展就从两帮和底角开始; 若顶、底围岩强度皆低, 塑性区的发展就从帮和顶、底角开始。随着帮角塑性区的发展, 其它部位的塑性区也逐渐发展, 但最终仍以帮、角的塑性区最大。深部煤层巷道在高地应力、围岩岩性松软及
11、采动压力的影响下, 通过相似材料模拟试验和现场观测发现其变形有如下特点:( 1) 巷道围岩变形破坏后挤向巷道空间, 而较深部围岩都有不同程度的下沉。在工作面超前支承压力的作用下, 迫使老顶、直接顶、两帮下沉, 煤层压入巷道底板, 煤层老底也因岩体压缩而产生微量下沉。由于巷道浅部围岩出现了剧烈的塑性破坏, 巷道底板支护阻力较小, 因此这部分围岩向巷道空间移动, 在两帮煤层下沉的作用下, 巷道底板出现底臌。两帮在出现一定程度的下沉的同时在水平方向也挤向巷道空间。( 2) 从巷道横截面来看, 没有松塌破坏的围岩出现不同程度铅直压应变, 巷道松塌破坏区的围岩变形表现为拉应变的特征。在巷道实体煤的未破碎
12、区中, 由顶板传递到底板的铅直支承压力较大, 因此该区域的围岩都表现为压应变, 各岩层都有不同程度的下沉。巷道悬露的直接顶因受到的铅直支护阻力很小, 与两帮煤壁上的支承压力相差非常悬殊, 被产生一定变形的老顶岩层压入巷道的同时产生严重的破坏而体积膨胀。巷道浅部煤体出现塑性破坏后, 水平方向的拉应变大于铅直方向的压应变。( 3) 巷道两帮变形破坏是造成巷道底臌的重要原因。由于巷道底板通常没有支护阻力, 即使布置了支架, 煤帮对其下部底板岩层铅直应力也大大高于支架对底板的作用力, 所以煤帮下部岩层的压应变造成在底板中出现破断线, 帮的下沉将促使底板破裂滑移、臌起更为严重。两帮下沉量越大, 底臌量越
13、大。( 4) 随着巷道埋深增加, 围岩压力增大, 特别是有动压作用地点, 巷道围岩呈现软岩特征。( 5) 由于第二次动压作用时间短, 并且有工作面超前加强支护, 所以, 第二次动压比第一次动压时围岩变形稍小。3 支护技术3.1支护方式的选择根据深部煤巷的变形特点, 锚网带支护作为一种主动支护, 与传统的棚式支护相比具有明显的优势; 锚杆能实现主动支护, 提高围岩的自承能力; 金属网有很好的柔性, 有能适应围岩、煤帮变形的能力, 因而能有效地防止围岩的松动剥落, 防止锚空现象, 有效地发挥锚杆的支护作用; 钢带能使金属网充分的贴帮、接顶, 保证锚杆支护系统的完整性。因此锚网带支护能够从根本上改善
14、深部动压巷道的支护状况, 保证安全生产。3.2锚网带支护加固原理锚网带支护之所以能够成为深部煤巷的一种有效的支护方式, 是因为锚杆、金属网和钢带组成一个桁架结构, 如图2 所示。在锚杆和钢带共同作用下, 对锚杆间的围岩产生压缩, 从而一方面增大了顶板围岩裂隙中的摩擦力, 另一方面抵消或减小了顶板中部可能产生的拉应力。同时通过钢带和金属网把锚、网、带连接为一体, 既能协调受力, 又具有一定的柔性, 允许围岩出现一定程度的变形, 并且在围岩变形过程中围岩摩擦力增大, 产生自锁作用, 从而能够承受住采动压力的叠加, 维护动压巷道的稳定性。3.3锚固形式选择锚杆的锚固形式分为全锚和端锚。全锚具有锚固力
15、大的优点, 而端锚能够适应巷道围岩变形。对于受两次动压的巷道, 在第一次动压过后, 可以把托盘卸掉, 把破碎的煤体放出, 然后再上好托盘, 拧紧螺母, 起到卸压作用。经计算在试验巷道内采用树脂药卷螺纹钢端锚的方式能够提供足够的支护阻力。3.4合理锚杆参数的确定在层状岩层中开掘的巷道, 顶板岩层的滑移与分离可能导致顶板的破碎, 直至冒落。深部煤层巷道由于其所受力学环境恶劣, 节理裂隙比较发育, 围岩破碎带大, 松脱岩块的冒落可能对生产造成威胁。如果锚杆加固系统能够提供足够的支护阻力将松脱顶板或危岩悬吊在稳定岩层中, 并有效控制两帮煤体塑性区的扩展, 就能保证巷道围岩稳定。回采工作面沿空留巷布置有
16、以下明显优势：实现无煤柱开采，提高煤炭资源回收率；少掘巷道，降低矿井掘进率；回采工作面实现Y型通风系统，有利于解决瓦斯问题；消除煤柱护巷时煤柱下方应力集中对下部煤层开采与巷道支护的不利影响，使巷道长期处于应力降低区。但是，沿空留巷要经历本回采工作面采前、采后及下一个工作面的强烈采动影响，特别是本工作面回采后，巷道处于2种不同介质中，顶板会发生强烈沉降，导致巷道变形和破坏范围显著增大。同时，沿空留巷必须进行巷旁支护。我国煤矿开采深度逐年增加，瓦斯涌出量也越来越大，特别是在深部高瓦斯、低透气性煤与瓦斯突出煤层中开采时，大量瓦斯涌出和积聚已成为矿井安全生产和提高开采效率的极大障碍，而采用沿空留巷技术实现Y型通风是解决这一难题的有效途径，并可实现工作面往复式开采，消除孤岛工作面，提高煤炭资源回收率。深部沿空留巷与浅部沿空留巷围岩变形有很大区别。深部煤岩体处于高地应力、
