1、专题部分三软煤层综采工作面围岩控制技术摘要：随着我国煤炭开采向深部发展，在煤矿“三软”（顶板软、底板软、煤层软）问题越来越突出。“三软”煤层围岩属于差异性很大的非均质层状赋存,围岩难以形成承载结构,工作面冒顶片帮频繁、顶板下沉严重、支架陷底情况特别突出，并且巷道收敛强烈。这些矿山压力显现，易造成生产及人身安全事故，生产效率很低，直接影响矿井的安生生产和经济效益。本文以平五矿已1723130综采面为研究背景，运用薄板理论分析了初次来压前顶板结构的受力情况，得到了顶板挠度、应力的表达式，运用断裂力学及岩石力学的相关知识，将顶板的破坏看作、型裂纹以及压缩失效等共同作用的结果，得到了三软煤层综采工作面
2、推进过程中顶板和煤壁动态受力规律以及裂纹的扩展方向和特征。分析了“三软煤层”工作面冒顶、片帮的机理，根据三软煤层综采工作面推进过程中的顶板和煤壁动态受力规律以及裂纹的扩展方向和特征，以及木锚杆与围岩的相互作用模型, 设计了“三软煤层”工作面顶板、煤壁的加固方案，并优化了施工工艺。以木锚杆作为主要支护措施，在局部破碎严重地段注马丽散，进行煤岩固化，改善煤岩结构，增强煤岩承载能力，达到控制工作面冒顶和片帮的效果，并采取优化回采工艺和完善上端头支护的措施。关键词：三软煤层 冒顶 片帮 围岩加固 破碎机理1 研究目的和意义煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。长期以来，煤炭消费在
3、我国一次性能源结构中的比例始终保持在70%以上。2006 年，我国煤炭产量已达23.8亿吨。根据专家预测，为保证我国国民经济的正常发展，2020 年、2050 年的原煤产量及占一次性能源的比重分别是25亿吨、2628亿吨及68%，50%左右。随着煤炭资源的连续开采，浅表部煤炭资源越来越少，开采作业不得不向地下深部转移，在90年代全国立井的平均深度以达600米，目前正以10米/年的速度向深部发展。同种岩石，在浅部表现为硬岩的力学性质，而在深部表现为软岩的力学特性，具有大变形、大地压、难支护的特点。所以随着我国煤炭开采向深部发展，软岩工程、软岩问题也越来越突出。在煤矿软岩问题中，比较突出的问题是“
4、三软” （顶板软、底板软、煤层软）问题。我国有许多软岩矿区（如沈北、舒兰、龙口、平顶山、丰城、徐州等矿区）和一些矿井, 其中不少矿井开采“三软”条件下的煤层。“三软” 煤层围岩属于差异性很大的非均质层状赋存,表现为围岩难以形成承载结构, 强烈的围岩不均匀的整体下沉, 一方变形失稳, 必然导致另一方失稳, 形成恶性循环。在煤炭的开采过程中易造成工作面冒顶片帮频繁、顶板下沉严重、支架陷底情况特别突出，并且巷道收敛强烈。这些矿山压力显现，易造成生产及人身安全事故，生产效率很低，直接影响矿井的安生生产和经济效益。平煤集团五矿己17煤层煤体松软，顶板为复合层顶板，底板为遇水软化的泥岩，是比较典型的“三软
5、”煤层。该煤层已1723130综采面开采过程中出现了如下问题：（1）顶板条件差，严重制约采面的产量该矿已1723130综采面设计日正规循环数6个，循环产量589.88t，月推进86.4m，月产量8.49万t。但由于受采面冒顶、片帮的影响，该面实际产量为3万t/月左右。导致采面设备利用率低，吨煤成本大幅增加，难以完成工作面的预定产量，影响了全矿产量。（2）采面安全管理难度大由于工作面推进速度慢，工作面一直处于高应力区，两巷变形量大，影响正常的通风行人，安全生产条件差，巷道维护量大，增加了采面安全管理难度。（3）工作面增加了防煤层自燃工作环节由于工作面所采的己16、己17煤合层煤有自然发火倾向，受
6、工作面推进速度太慢的影响，煤层自燃危险大大增加。针对上述问题，该矿采取了如下治理措施：由于所采煤层为己16、己17煤合层煤，而己16煤稳定性较直接顶好，采取了留0.8m顶己16煤来控制直接顶的冒落；支架上方铺金属网，控制架间顶板的冒落，保证采面人员等的安全；对冒落区域的顶板，及时处理，防止冒落范围的进一步扩大。为防止自燃，不得不采取工作面撒阻燃剂，上下隅角封堵等措施，不仅增加了工作环节，而且提高了吨煤成本。尽管上述措施对控制顶板冒落起到了一定的效果，但并未从根本上解决已1723130综采面的冒顶、煤壁片帮问题，冒顶范围没有明显的减小，且施工难度较大；此外，留设的顶煤有可能造成自然发火，为矿井安
7、全形成新的隐患。因此研究一种适合“三软”煤层的煤（岩）体的加固技术，加大工作面推进度，提高工作面单产十分必要。本文以该矿已1723130综采面为研究背景，研究“三软”煤层工作面冒顶、片帮的治理措施。拟通过该技术的研究，提高矿井煤炭资源的采出率和已1723130采面产量，增大生产安全系数，对平五矿的高产高效发展具有极大的现实意义；同时，为同种条件下煤层的开采提供借鉴。2 国内外研究现状目前，对“三软”煤层顶板破碎的理论研究，多从松软岩体性质、应力及工程分析角度作为切入点，运用现场实测与数值模拟的方法，通过分析“三软”煤层条件下回采工作面的矿山压力显现规律及特征，以此确定采面的支架型号、支护原理和
8、支护方法，而对顶板破碎机理的研究较少。另外，学者对采用锚杆加固围岩的机理做了大量的研究，主要形成的理论有：（1）河海大学张发明等对岩质边坡预应力锚固的力学行为及群锚效应进行了分析研究，详细分析了锚固体的剪应力、轴力的传递特征，得到了不同预应力值下的应力变化规律，提出了岩质高边坡预应力锚固的群锚第一效应和第二效应的概念。通过对岩锚现场试验分析，得出如下结论： 内锚固段轴力和剪应力的分布具有极其不均匀性，靠近外端，应力集中系数大，外端2. 0m范围内的应力占全长应力的80%以上，表明增加内锚固段长度并非是增加锚固力的最佳途径； 群锚加固效应反映最明显的是靠近锚固段的压缩效应，预应力改善岩体的性质向
9、岩体内部的扩散与岩体的性质、预应力大小有关。（2）中科院武汉岩土所的葛修润进行了加锚节理面抗剪性能试验。该试验通过室内模拟和理论分析，探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响及锚杆体阻止节理面发生相对错动的“销钉”作用机制，提出改进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。试验结果表明：加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增加而增大，即使不大的剪切位移就能使锚杆体的抗剪作用得到充分发挥。另外锚杆倾角对加锚节理面抗剪强度有重大影响。（3）刘波等对锚杆拉剪大变形应变进行了研究，采用基于S-R定理的大变形理论，动用拖带坐标描述法，研究了锚杆在节理岩石中的拉剪局部大变形行为，推求了锚杆大变形应变的计算公式，得出了锚杆拉剪应
10、变分量的理论规律，指出可以通过位移量测确定锚杆变形与内力，由多种岩石加锚剪切实验结果证实了该理论方法的可靠性。（4）钟新谷等对支护巷道的全长锚固锚杆的横向作用作了现场测试和研究，认为由于锚杆变形与围岩不一致，锚杆必然在垂直于锚杆轴向方向产生类似于抗滑桩的绕流阻力阻止围岩垂直于锚杆轴向方向的移动趋势，并且指出在软岩支护设计中应充分考虑锚杆横向阻抗作用。（5）侯朝炯对巷道锚杆支护围岩强度机理进行了研究，他们通过实验室试验和理论研究，研究了巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余峰值强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后的、值等力学参数的改善，分析了锚固体强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区的控制程度
11、。（6）杨松林等对混凝土中锚杆荷载传递机理进行了理论分析和现场实验，指出了两者产生明显差别的原因以及理论的适应范围，并通过对试验结果的讨论，阐明了锚杆表面形态对混凝土与锚杆交界面抗剪强度的决定作用。得出混凝土中锚杆授到张拉荷载时，其应力影响范围非常有限，传力深度不大，远小于实际工程中步苗杆的设置长度:在螺纹钢筋与混凝土的交界面遭到破坏时，由于螺纹钢筋表面形态的影响，使得锚杆侧剪应力的强度决定于分界面的剪胀效应，而不是分界面的粘结力。由于现场试验不满足径向和纵向变形协调这两个理论分析前提，而且在张拉过程中荷载并不严格沿锚杆轴线，因此造成了理论结果与实际值的明显差别。如何计算螺纹钢筋与混凝土交界面
12、的剪胀角和定量考虑剪胀效应，有待进一步研究。3 已1723130综采面生产地质条件3.1煤层顶底板岩性该采面走向N45W，倾向N45E，倾角1418，斜长231m。煤层为己16、己17合并煤层，煤层倾角1418，煤层厚度在3.54.5m之间，上部己16煤为块状、片状；下部己17煤为片状、末状，质软，且两层煤之间有0.20.6m厚的夹矸。煤的坚固性系数f12，属于较软煤层。煤岩层力学指标见表3-1。3.2地质构造与水文条件该采面地质构造较复杂，机、风巷、切眼在施工的期间共遇到大小断层12条，落差在1.56.0m之间，对回采均有一定的影响。且由于断层附近压力增大，岩石破碎，煤层厚度和倾角会发生变化
13、，故影响工作面回采。另外，该采面局部伪顶较发育或局部顶板有淋水，都给工作面回采带来不利影响。可见，己17-23130采面具有地应力和构造应力大、煤层松软、地质构造复杂等特点。给工作面回采带来较大的难度，是顶板难以控制的客观因素。表3-1煤岩层力学指标Table 2-1 The mechanics index of coal seam and strata 力学特性 岩性厚度/m弹性模量/GPa内聚力/MPa内磨擦角/密度/t.m-3泊松比细粒砂岩6305302.70.25砂质泥岩2122.8292.650.27己15煤1.641.5271.40.30砂质泥岩10122.8292.650.27己
14、16、17煤2.841.5271.40.30泥岩7.2102.4282.60.29节理真节理185150.2假节理180100.23.3地应力该采面地面标高为+220+478m，井下标高为-393-478m，埋深为613956m，则上覆岩层所产生的垂直应力5.423.9 MPa和水平应力6.610.3 MPa。4 已1723130综采面围岩破碎机理分析4.1地质条件对顶板完整性的影响分析该采面井下位于己三采区下山东翼第四阶段，下部机巷在己15-23151采空区内，上部回风巷在己15-23131采空区内，东边切眼到本采区边界煤柱，西边到本采区停采煤柱线，故该采面大部分位于己15-23151和己1
15、5-23131采空区内。又因己15煤与己16、己17煤之间只有一层平均厚度为4.0m沙质泥岩，因受采动的影响及地下水的侵蚀，岩体已松散破碎泥化，强度和承载力极低，故直接顶可看为锈结再生顶，局部为己15煤层及己15煤层顶板泥岩，属于I类不稳定直接顶。直接底为平均厚度2.0m的土灰色泥岩，极易发生破胀、弯曲、流变等变形。而且该采面局部伪顶较发育或局部顶板有淋水，所以以上因素均给工作面回采带来较大的难度，对顶板的完整性带来很大的不利影响。4.2顶板结构受力分析4.2.1初次来压前顶板结构的受力分析破碎顶板工作面开采所遇到的主要技术难题是顶板的控制管理。破碎顶板在支架支撑力和上覆岩层压力的共同作用下，很容易在工作面发生冒落，给工作面安全生产造成威胁，严重影响工作面单产的提高，阻碍了机械化采煤的发展。因此，必须掌握顶板冒落的力学机理，为破碎顶板的防治设计提供一定的理论依据。实测结果表明，破碎顶板工作面端面顶板的允许裸露面积和允许裸露时间与端面顶板的空顶距、端面顶板的分层厚度、顶板岩体的力学性质等因素有关。为了研究
