淮北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究报告(编辑修改稿)

淮北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

) 冒顶地段一般都是地质条件发生变化的地点。 如小断层、顶板裂隙发育或近距离煤层的层间距变小，顶板锚杆锚固点附近有煤线或有明显的岩层弱面存在。 小班施工人员对这些地质条件的变化并未引起重视，或认识不到，而没有及时改变支护参数或支护形式。 即使施工后发现条件变化需对巷道进行加固补强，但补强措施都没有得到及时严格地贯彻落实，延误了处理时间，最终酿成冒顶事故。 3) 巷道冒顶前大多有明显的预兆。 如巷道变形量大、片帮、锚杆失效、 顶板离层并有明显的弯曲下沉等。 4) 在所有的冒顶巷道中，大部分巷道采用的是锚杆加梯子梁支护，除朔里煤矿 S5210 切眼、杨庄 3514 机外，都没有设计锚索支护。 5) 沿空巷道发生的冒顶事故占事故总数的一半左右。 冒顶事故的原因进行了详细分析，并总结如下： 1) 对巷道地质条件的变化掌握不清。 特别是小班施工时对顶板变化不进行观测，也不及时汇报，工程技术人员无法及时掌握和了解现场的变化，未采取及时有效的措施来应对。 2) 在支护设计中，对巷道条件的分类不准确。 沿空巷道由于受上区段采动破坏，支护条件较实体巷道差，其支护必须较实体巷道提高 一个支护等级，但在支护设计中并未得到体现。 在选取支护方案时，过多地考虑了支护成本，而人为地降低了支护等级。 3) 生产管理中存在质量控制问题。 小班初锚力，锚固力检测不严格，锚杆安装质量得不到保证；对巷道支护效果没有进行评价。 4) 掘进迎头备用料不全，发现问题后安排的巷道补强措施得不到及时落淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 5 实。 煤层锚杆支护巷道的后期维护责任不明，职责不清，维修不及时。 常见顶板事故类型 煤矿顶板事故时有发生，总结分析了常见顶板事故类型及原因，并对巷道支护理论与技术以及软弱夹层顶板巷道的研究现状进行阐述。 巷道顶 板事故主要类型与原因 当前煤矿巷道支护主要的方式是锚杆支护与各类棚式支护，以及与这两种方式相结合的各类支护方式，通常根据具体条件合理采用各类支护方式，确保巷道顶板稳定和安全，但是在目前的支护条件下，各类顶板事故仍屡屡发生，结合前人的研究成果，将两类支护形式下顶板事故进行分类总结，并对其原因给予初步分析。 1)锚杆支护巷道顶板事故主要类型与原因 当前锚杆支护巷道发生的主要事故类型如下： (1)松脱漏冒型： ① 直接顶松散破碎导致顶板松脱漏冒； ② 地质构造带围岩松脱漏冒； ③ 采动影响剧烈带围岩松脱漏冒。 (2)整体垮冒 型： ① 掘进工作面复合、镶嵌型围岩坠矸整体垮冒； ② 锚杆锚固区内离层顶板整体垮冒； ③ 锚杆锚固区外离层顶板整体垮冒。 (3)挤压垮冒型： ① 水平应力挤压顶板离层垮冒； ② 采空区边缘岩层移动挤压巷道顶板离层垮冒； ③ 地下水持续作用顶板引起的顶板挤压垮冒。 锚杆支护巷道事故发生主要原因总结为以下几点： (1)地质条件恶劣。 掘进工作面经过地质构造带，地质条件突变、恶化并发育有明显软弱夹层或复合顶板，直接顶板松软或松散破碎，对顶板岩性判断不准确或对岩性变化不重视，支护方式不及时改变或未采取有效针对 措施，顶板松散漏冒。 (2)顶板结构破碎。 顶板为镶嵌型结构、碎裂结构，并发育有多组软弱结构面，其贯通性好，将岩体切割破碎，顶板整体强度低，开挖后自稳能力差。 当岩体自重在弱面上引起的下滑力超过侧向挤压所形成的摩擦力时，岩体冒落造成顶板事故。 (3)顶板无稳定结构。 顶板为极易离层性复合顶板，存在薄及中厚岩层交互组成，并有 ~ 米以下较弱岩层或煤层，受地质构造运动影响，岩体与原岩体之间多为光滑结构面，掘巷后顶板就会发生较大范围的离层垮冒，若该范围较小，通常发生锚杆锚固区整体垮冒；假如该范围非常大，锚杆锚固 区外存在明显的软弱夹层，使得锚杆锚固区上方岩体整体垮冒，特别是一般锚索被拉断，发生大面积顶板垮落。 (4)应力环境影响。 煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态，引起应力重淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 6 新分布。 受采动影响的巷道维护状况除了受所处位置的自然因素影响以外，还有高应力反复作用，特别是水平应力影响严重，极易造成巷道片帮和顶板离层垮冒。 2)棚式支护巷道顶板事故的主要类型与原因 当前棚式支护巷道发生的主要事故类型如下： (1)压垮型： ① 大断面巷道顶板岩石压垮型； ② 复合顶板、滑移面岩层压垮型。 (2)推垮型： ① 大倾角巷道推垮型； ② 强采动 影响、围岩应力异常、地质条件恶化造成推垮型顶板事故。 (3)漏冒型： ① 掘进工作面大面积空顶导致顶板漏冒； ② 支架间距过大、连接构件强度低引发顶板漏冒。 (4)复合型： ① 巷道过断层、褶曲等构造带时顶板垮冒； ② 巷道穿过岩性突变地带引发顶板离层垮冒； ③ 巷道经过采深大、地下水侵入带等发生顶板离层垮冒。 棚式支护巷道事故发生主要原因总结为以下几点： (1)压垮型是因垂直于巷道顶板岩层层面的作用力压断或压坏支撑力不够、刚度不足的巷道支架而导致的顶板离层垮冒事故。 (2)推垮型是由于平行于巷道顶板岩层层面的顶板力推倒稳定性 差的巷道支架而引发的顶板事故。 (3)漏冒型通常是因巷道无支护部分或支护失效部分 (非压坏 )的镶嵌岩块或松散顶板因岩层体积力作用冒落所导致顶板事故。 (4)复合型主要是地质条件变化引起上述几类垮冒事故组合。 研究内容 和研究目标 研究工作主要在 淮北矿区开展，分析各个 矿井 煤岩层 条件跟踪研究，在 两 年内分三阶段完成：第一阶段 ，全面调研矿区内各个矿井的主要开采煤层条件，主要开采水平、矿压显现特征， 围绕典型条件 开展 分类；第二阶段 ，针对淮北矿区的围岩特点， 提出并研究顶板 安全及 稳定的判断条件和支护对策；第三阶段通过工 程应用修改和完善稳定条件和支护对策。 研究内容和预期目标如下： 1) 深部巷道围岩基础条件研究和类别确定，包括典型深部软岩巷道围岩赋存条件及物理力学性能测试，深入开展典型深部软岩巷道地质力学评估及围岩稳定性评价，并确定其维护特征及类别。 2) 深部围岩稳定理论和顶板灾害防治控制技术研究，提出支护手段强化、围岩强度强化和承载结构强化的系统强化控制技术，建立深部巷道的长时稳定理论；开发新型尾部增强的超高预拉力超强锚杆、注浆锚索和钻锚注和新型材料注淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 7 浆技术、帮部、底部大变形区域的有效控制技术。 3) 深部围岩二次稳定理论和控制技术，包 括提出并应用研究锚架、锚锚等分步加固技术。 4) 新型矿压观测仪器的确定、矿压观测及动态监控技术研究，包括围岩变形、锚杆受力等常规观测及大范围的围岩状态测试技术和方法。 5) 深部巷道施工控制技术和工业性试验研究，包括动态过程控制技术、分步加固的施工工艺技术研究和具体条件的工业性试验研究。 淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 8 2 矿区围岩 赋存 条件 及矿压显现特征 淮北矿区地质条件复杂多变，即使同类岩层，因受埋深、原岩应力矢量、节理裂隙分布、岩性、岩层倾角、岩层赋存时间以及采动等因素的影响，其力学参数的离散性较大，造成了巷道围岩条件的复杂性和难确定性。 为 了掌握淮北矿区各个矿井典型围岩的 赋存 条件和矿压显现特征，课题组全面调研了淮北四大矿区十几对矿井主采煤层的典型柱状 、 各个矿井的开采水平 、 矿压显现特征 及 围岩地质力学特征展开相应的地质力学评估 ，为围岩分类提供较为精确的基础资料和分类依据。 矿区 生产 矿井 围岩 赋存 条件 项目针对淮北矿区几个典型条件矿井的巷道围岩 岩性、 地质力学 特性 进行调研，以便于准确评估淮北矿区围岩赋存条件。 闸河矿区 1）朔里煤矿 采掘活动主要分布在六煤层、三煤层、五煤层中。 从各煤层顶底板不同岩石的力学性质试验及生产中各类顶底板 对采掘活动的影响分析，砂岩及粉砂岩应为稳定型顶底板，而泥岩顶板，由于脆弱不均，在顶板表现为脆而易碎，往往形成掉块乃至冒顶，在底板中又十分柔韧，往往出现支柱下陷和底板凸起等现象，为不稳定型顶底板。 岩浆岩顶板，由于在煤层中的侵入部位上下浮动，无规律可循且与天然焦之间粘结力较强，难以脱落，所以很不利于顶板管理。 在背斜轴部，倾伏端，仰起端，由于应力集中，区域性和派生构造裂隙纵横交错，将岩石切割得支离破碎，再加上淋水的出现，无论何种岩石组成顶板，均属于不稳定型。 2）石台煤矿 石台煤矿现有三个开采水平，相比较而言， 一水平 (250 m)矿山压力显现不明显，二水平 (450 m)较明显，三水平 (650 m)较突出，总体来说，矿井开采水平对石台煤矿支护效果并不存在根本性的影响，支护方式仍沿用传统的架棚、锚喷，基本能够满足安全生产需要，不同的是架棚支护形式中 U 型钢棚的用量比重呈逐步上升趋势，工字钢棚用量略有减少。 淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 9 3）袁庄煤矿 袁庄煤矿为三水平（ 450 m）下山开采，受采深影响，矿压显现较为明显，在正常回采条件下，采用 29U 可缩性支架支护基本能满足生产要求，但由于生产过于集中，受孤岛煤柱和采动影响，支护效果较差，主要表 现为侧压和底鼓，采用封闭式 U 型钢可缩性支架对这些地段进行支护，取得一些改善，但是巷道的整体变形仍然较大。 涡阳矿区 涡北煤矿目前主采 8 号煤层， 煤层松软易碎，其回采巷道普遍采用锁腿梁配合 U型钢支护。 其 8102 综放工作面 基本 顶为细 ~中砂岩，厚度 ~ m，平均 米，灰白色中厚层状，以石英长石为主，硅铁质胶结 ， 裂隙发育。 8102 风巷及机巷平均埋深 582m，地压显现明显，煤层普氏系数仅为。 8203 风巷及机巷埋深 637m，地压显现明显，煤层结构复杂。 临 涣 矿 区 1）童亭煤矿 童亭煤矿开采的 7 煤、 8 煤属于典型的 “三软两高 ”煤层。 从已有的类似条件看，该类巷道掘进期间即表现为四周来压。 7 煤、 8 煤层回采巷道特别是沿空掘进巷道的围岩稳定性极差，巷道变形量大，前掘后修，架棚巷道主要表现为钢梁弯曲、失稳变形，棚腿钻底或赤脚、底鼓严重和顶板下沉。 锚杆支护表现为两帮位移量大、片帮严重、顶板下沉、钢带被挤断或撕裂、锚杆托盘变形失稳和底鼓严重。 2）许疃煤矿 许疃煤矿主采 3 7 7 82煤层，巷道围岩的物理力学参数见表 21。 淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 10 表 21 许疃矿煤层顶底板岩石物理力学性质测试 结果 样品编号 层位 岩性 采样地点 物 理 性 质 试 验 力 学 性 质 实 验 比重 kg/m3 容重 kg/m3 空隙率 % 抗压强度 /MPa 抗拉强度 /MPa 变形参数 平均值 变化范围 平均值 变化范围 弹性模量 /GPa 变形模量 /GPa 泊松比 XT01 32煤老顶 灰色粗砂岩 3234 轨道巷 2824 2782 ～ ～ XT02 32煤直接顶 灰色砂质泥岩 3234轨道巷 2720 2621 ～ ～ XT03 32煤直接底 深灰色泥岩 3233 机巷 2565 2442 ～ ～ XT05 32煤直接顶 灰色细砂岩 3234 风巷 2732 2685 ～ ～ XT06 32煤直接底 深灰色泥岩 3234 风巷 2598 2536 ～ XT08 32煤直接顶 灰黑色泥岩 3233 风巷 2458 2401 ～ ～ XT10 82煤顶板 灰色粗砂岩 8223 2809 2754 ～ ～ XT13 82煤底板 深灰色泥岩 8223 2536 2466 ～ ～ XT17 71煤底板 深灰色泥岩 7124 风巷 2517 2432 ～ ～ XT18 71煤顶板 浅灰色粗砂岩 7124 风巷 2622 2594 ～ ～ XT20 72煤底板 灰黑色泥岩 7215 2499 2429 ～ ～ XT22 71煤底板 深灰色泥岩 7114 2544 2433 ～ ～ XT23 71煤顶板 灰色泥岩 7114 2568 2504 ～ ～ XT24 32煤直接顶 灰色泥岩 3234 风巷 2816 2740 ～ ～ XT25 32煤老底 浅灰色粗砂岩 3234 风巷 2630 2602 ～ ～ XT27 32煤老底 浅灰色粗砂岩 3234 风巷 2813 2722 ～ ～ 淮 北矿区深部开采巷道地压控制及顶板灾害防治关键应用技术开发研究 结题 报告 11 宿县矿区 1）朱仙庄煤矿 朱仙庄煤矿南部二水平（一水平 400 m，二水平 680 m）开拓与延伸巷道普遍采用半封闭棚式 U29 型钢配合锚喷支护形式，棚距 600 mm，局部加密至 500mm，但因地压大、岩性 差、断层与构造地质条件复杂，造成二水平已施工巷道普遍存在喷层开裂、卡缆断裂、支架腿子扭曲、顶梁尖角变形、帮部剧烈位移变形、底板破裂鼓起等，破坏情况如。