煤礦支护技术的新发展.docVIP

煤矿支护技术的新进展 0．引言 煤巷锚杆支护顶板的失稳垮冒问题 软岩巷道的综合治理 深井高应力巷道的支护问题 1．煤巷锚杆支护顶板的失稳机理与控制对策 1.1问题的提出 1.1.1复杂条件煤巷基本特点： 1) 煤层赋存条件多样、结构复杂，部分条件顶板结构异常复杂，软弱夹层和层理十分发育，稳定性很差，极易发生离层垮冒；即使在同一巷道内顶板赋存状态也是频繁变化，构造影响随处可见、随时可遇； 2) 煤层硬度系数普遍低于1.0，煤体松散破碎，锚固性能差，变形强烈；结构复杂，多数煤层含有硬度系数仅为0.2~0.5的软弱煤线。 3) 采深普遍达到500~600 m，部分进入800 m以下；区域构造应力十分突出。 1.1.2 使用锚杆支护存在的问题 1)锚杆使用密度很大，围岩变形仍十分剧烈，支护效果很不理想； 变形量大：1000~2000mm以上；超出树脂锚固系统的极限，锚固实效，500~600mm以后的变形量失控。 2)不能有效控制顶板离层，恶性冒顶事故时有发生。垮冒现象频繁出现，安全事故时有发生。冒顶率：万分之五；事故率：五万分之一；导致金属支架类被动支护使用抬头。 有些矿区在总结锚杆安全事故的教训时，单纯从提高锚杆的规格和加大使用密度的支护思想出发，成本增加很大，但事故仍不能避免。实际上，绝大多数煤巷支护失效表现为锚固区整体垮冒，其中锚杆受力很小，几乎没有杆体破断现象。因此锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一大挑战，必须围绕确保大大减缓顶板离层或根本消除离层这一中心开展控制理论和技术研究，才可能取得突破。 1.2 煤巷锚杆支护顶板的失稳机理 1.2.1复杂条件下煤巷顶板离层失稳的原因 顶板的稳定性取决于锚固区内外的离层状况。 采用高强树脂锚杆后，锚固区岩体得到有效加固，能有效限制锚杆长度范围内岩体的变形，但锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一大挑战． 1)松散变形的持续发展； 大部分软弱煤层巷道在锚杆支护起作用前，都有100~200 mm的围岩变形量． 2)锚杆支护的实际状态不良；工作载荷很低； 锚杆实际工作载荷可分三种情况： 安装时没有初锚力，工作载荷始终为零； 安装时初锚力很小，低于15 kN，工作载荷增长缓慢，稳定段载荷值较低； 安装时提供超过20kN的预紧力，工作载荷增长快，稳定段载荷值高． 3)大变形后锚固力衰减，锚固实效； 端锚时在围岩变形量达到100 mm时即开始失效，全长锚固时锚杆的可靠性虽大大提高，但围岩变形达到200~300 mm时锚固力也开始降低，达到500 mm时即完全丧失。 1.2.2控制顶板离层的基本原理 1)控制围岩弱化区的发展，消除松散变形 提供的高张拉力不仅完全克服了松动岩体的自重，并将该部岩体和更上部挤压在一起，阻止了围岩的进一步松动，消除岩体松散变形。 2)改善锚杆受力状况，提高锚杆的支护效能 支护效能，式中：s为巷道变形量，单位，mm；F(s)为锚杆的工作载荷，单位，kN．假设，F0为设计工作载荷，S0为巷道允许变形量，则设计支护效能W0= F0* S0．一种支护是否起作用，其状态是否合理则可以采用能效系数(C)描述，C=W/ W0，高预拉力支护C值可达到0.7~0.9，初锚力较低的普通锚杆支护C值仅为0.2~0.3．事实上，根据锚杆的实际受力状况和支护能效，在很多情况下可以适当降低锚杆规格，在淮北矿区大量采用杆体直径φ16 mm、φ18 mm的高性能锚杆代替普通φ20 mm的高强锚杆，并取得了更好的支护效果． 3) 消弱水平应力对顶板的破坏作用 在富含软弱夹层的薄层状顶板中，由于弱面和夹层强度很低，自重应力就可导致破坏，表现为随掘随冒，高地应力区的强水平应力必然作用于更大范围内顶板岩层，产生剪切破坏，诱发顶板离层。 加锚裂隙岩体的研究表明，锚杆的强度和对裂隙面产生的径向作用力可以极大的提高裂隙弱面的强度，增加锚杆布置密度、提高锚固力，可以有效地提高锚固体的E、C、 值，提高锚固体的强度和残余强度，从而在根本上改善裂隙岩体的承载性能，促使巷道顶板由不稳定向稳定转化。 4) 形成预应力承载结构 高强预应力支护改善顶板的应力状态，消除顶板中部的拉应力区，同时减弱两个顶角的剪切应力集中程度。通过强化顶板弱面，消除拉伸破坏，控制围岩弱化区的发展，使锚固区载荷趋于均匀并实现连续传递，从而形成预应力承载结构。当关键层距离巷道顶板较近时可以按关键岩梁结构模型分析，当关键层距离巷道顶板较远时可按顶板松散煤岩体的强化承载拱结构模型分析。 1.2.3 两种状态下顶板离层的控制思路 1）实体巷道顶板：控制松动变形后，强化锚固区，提高其强度，减小弯曲变形；加大锚固范围，利用锚索支护； 2）沿空掘巷顶板：由于关键岩层的破断、回转和下沉，锚固区外必然出现离层区域。 建立锚固区和稳定关键层间的联系；