采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道圍巖綜合控制技術(shù)

1、目錄一、背景11 項目來源錯誤!未定義書簽。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀錯誤!未定義書簽。2.1 采空區(qū)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀錯誤!未定義書簽。2.2 注漿加固技術(shù)研究現(xiàn)狀錯誤!未定義書簽。2.3 巷道支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀錯誤!未定義書簽。3 國內(nèi)外同類技術(shù)對比錯誤!未定義書簽。二、項目工作情況錯誤!未定義書簽。1 項目主要研究內(nèi)容錯誤!未定義書簽。2 項目研究路線錯誤!未定義書簽。3 項目實(shí)施情況錯誤!未定義書簽。4 技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)錯誤!未定義書簽。三、推廣價值及應(yīng)用前景錯誤!未定義書簽。1 目前已產(chǎn)生的效益錯誤!未定義書簽。2 應(yīng)用前景、市場前景分析錯誤!未定義書簽。四、存在問題及改進(jìn)思路錯誤!未定義書簽。一、背

2、景1 項目來源山西煤炭左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)位于晉中市左權(quán)縣北部，礦井設(shè)計產(chǎn)能 0.12MT/a 屬技改在建礦井，批準(zhǔn)開采沁水煤田 15#煤層，煤層平均厚度4.5m。根據(jù)山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計院設(shè)計礦井采用單水平綜合開拓，通風(fēng)方式為中央并列式（后期為 分列式），通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式負(fù)壓通風(fēng)。2011 年在掘進(jìn)布置總回風(fēng)巷南段期間，掘進(jìn)距離回風(fēng)立井貫通點(diǎn) 100m 處遇礦井原有采空區(qū)和空巷（回風(fēng)立井已施工完畢）。采空區(qū)和空巷上層巖體均已垮落，掘進(jìn)過程中工作面頂板隨掘隨塌，頂板上層冒落形成高冒區(qū)，隨掘進(jìn)距離增加高冒巷道加長，在后期的掘進(jìn)過程中無法保證掘進(jìn)面的有效控頂距離，掘進(jìn)安全受到威脅，先掘后支常規(guī)的掘進(jìn)支護(hù)

3、技術(shù)已不能滿足冒落巖體中掘進(jìn)安全的要求極復(fù)雜條件下巷道圍巖控制工程問題。在總回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，經(jīng)過打鉆探測，H1-H10 之間將7 條空巷和穿過兩處采空區(qū)，該段巷道長度約 93m。因回風(fēng)立井已經(jīng)落底，只差該段巷道就能實(shí)現(xiàn)總回風(fēng)與回風(fēng)立井貫通。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)空巷內(nèi)一般冒落煤矸高度約 3-4m，頂板較完整，兩幫破碎。采空區(qū)冒落情況不詳。經(jīng)測試空巷與空區(qū)內(nèi)有害氣體及壓力均正常。過采空區(qū)及老巷平面圖見圖 1 所示，鉆孔取芯確定了總回風(fēng)巷南段 15 號煤頂?shù)装逯鶢顖D，見圖 2 所示。圖 1 巷道過采空區(qū)（老巷）平面圖圖 2總回風(fēng)巷煤巖體柱狀圖由于將掘進(jìn)的采空區(qū)區(qū)域圍巖狀況及地質(zhì)條件不清，為了保證在采空區(qū)內(nèi)

4、安全掘進(jìn)巷道，并能控制圍巖穩(wěn)定，需進(jìn)行采空區(qū)覆巖運(yùn)動及破壞規(guī)律、巷道圍巖綜合控制技術(shù)進(jìn)行研究。為此，山煤開展了采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道圍巖綜合控制技術(shù)課題的研究。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 采空區(qū)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)和大工業(yè)的發(fā)展，圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的提出和深入研究。松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的研究，至今己有一百多年的歷史，它與土力學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。隨著采礦事業(yè)的發(fā)展，堅硬巖層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的研究也有百年的歷史。20 世紀(jì) 50 年代，巖石力學(xué)作為一門學(xué)科提出。20 世紀(jì) 20 年代以前，主要是古典的壓力理論階段。但這只適用于淺煤層。隨著開挖深度的增加，越來越多地發(fā)現(xiàn)，古典壓力理論不符

5、合實(shí)際情況。于是又出現(xiàn)了散體壓力理論。但這類理論沒有能科學(xué)地確定坍落拱的高度及其形成過程。隨著巖石力學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，人們已逐漸認(rèn)識到，圍巖和支架之間不是荷載和結(jié)構(gòu)物的關(guān)系，而是一個相互作用、相互影響、共同承載的關(guān)系。20 世紀(jì) 80 年代以來，人們逐漸清醒地認(rèn)識到必須加強(qiáng)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的理論研究。采空區(qū)穩(wěn)定性穩(wěn)定研究作為一個比較新的課題，其復(fù)雜程度和其所具有的性在全世界范圍內(nèi)也是少見的，但許多學(xué)科的為其發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。因此，對采空區(qū)穩(wěn)定性的研究一直是我國地質(zhì)、礦業(yè)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。采空區(qū)穩(wěn)定性是一個極其復(fù)雜的問題。它不僅和開采礦體的埋深、傾角、厚度、上覆巖層的巖性、賦存狀態(tài)、

6、厚度、物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、場地地形地貌、水文地質(zhì)條件以及煤礦開采面積、頂板管理方法、開采次數(shù)、開采方法等地質(zhì)采礦條件有關(guān)，而且也和上部荷載的類型、大小、位置等密切相關(guān)。綜觀國內(nèi)外采空區(qū)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀，穩(wěn)定性分析方法包括數(shù)值模擬法、法、預(yù)計法等方法。2.2 注漿加固技術(shù)研究現(xiàn)狀注漿技術(shù)最早始于 1802 年，二十世紀(jì)四十年代，注漿技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)入一個鼎盛時期，各種水泥漿材和化學(xué)漿材相繼問世，尤其是六十年代以來，有機(jī)高分子化學(xué)漿材得到迅速的發(fā)展。隨著注漿材料的飛速發(fā)展，注漿工藝和注漿設(shè)備也得到了巨大發(fā)展，注漿技術(shù)應(yīng)用工程規(guī)模越來越廣，它涉及到幾乎所有的巖土和土木工程領(lǐng)域，比如礦山、鐵道、油

7、田、水利水電、隧道、工程、巖土邊坡穩(wěn)定、市政工程、建筑工程、橋梁工程、地面沉陷等各個領(lǐng)域。近年來注漿技術(shù)開始應(yīng)用于煤礦破碎圍巖巷道維護(hù)，由于它能夠有效控制圍巖變形，顯著改善支護(hù)效果，顯示出是一種極具潛力的巷道圍巖控制技術(shù)。破碎煤體注漿加固研究現(xiàn)狀煤壁片幫、冒頂是煤體在礦山壓力作用下，煤體破碎后滑塌下來的一種礦壓顯現(xiàn)，冒頂是片幫的繼續(xù)。冒頂將導(dǎo)致頂煤的不連續(xù)，使支架受力不均，進(jìn)而產(chǎn)生歪倒現(xiàn)象，失去對頂煤的控制，嚴(yán)重時將導(dǎo)致頂板事故。為了煤礦安全和提高經(jīng)濟(jì)效益在煤炭生產(chǎn)過程中需要對破碎煤體進(jìn)行加固。目前針對放頂煤開采中破碎頂煤的防治主要采取在理論分析的基礎(chǔ)上采用一般支護(hù)材料、特殊開采方法和注漿材料

8、加固等防治方法。而破碎煤體注漿加固是目前最有效的一種解決綜采放頂煤高冒和片幫事故的方法，在煤礦中正逐步得到廣泛應(yīng)用。我國破碎煤體注漿加固自 1982 年原西德在開灤范各莊礦進(jìn)行了聚氨酷加固煤巖體的壓注試驗(yàn)后，隨著我國聚氨酷工業(yè)的興起，開發(fā)了一批用于煤體加固的化學(xué)材料，例如北京開采所研制出了用于井下加固破碎煤體的礦用硬質(zhì)聚氨醋，浩坷偉博合資公司生產(chǎn)的馬麗散等加固材料。裂隙巖體加固堵水研究現(xiàn)狀化學(xué)方法是加固巖層有效方法之一，即把化學(xué)漿液注入加固巖層中去的方法。經(jīng)過多年國內(nèi)外學(xué)者的研究與探索，注漿防治礦山水的理論和技術(shù)有了很大發(fā)展和提高。用化學(xué)漿液加固巖層，在已進(jìn)行廣泛的研究。A. A.斯闊琴斯基礦

9、業(yè)研究所制成了其國內(nèi)最普通的碳酞胺樹脂為基礎(chǔ)的漿液。1978 年后，美國有九個州的四十多個煤礦應(yīng)用聚氨醋注漿加固巖體，其他的國家、英國、西德等都應(yīng)用了化學(xué)方法加固巖體;其中，法國在 1974 年僅加固偽頂巖層就注入了 5500t漿液，西德僅薩爾煤田礦井于 1971-1974用了 2000t。2.3 巷道支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀使用 10000t 漿液，英國在 1973 年工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展至今已有百余年的歷史。傳統(tǒng)的支護(hù)理論形成于 19 世紀(jì) 20 年代至 20 世紀(jì) 60 年代，該理論把巖體視作松散體，認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是圍巖塌落拱內(nèi)的松動巖體重量，有代表性的是泰沙基和普氏理論。該理論把

10、圍巖和支護(hù)分開來考慮，視圍巖為荷載，支架為承載結(jié)構(gòu)，二者形成“荷載一結(jié)構(gòu)”體系。自 20 世紀(jì) 60 年代以后，錨噴支護(hù)等巷道支護(hù)形式的出現(xiàn)，使巷道圍巖在無傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)下仍不發(fā)生坍塌，巷道圍巖在錨桿作用下達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)。試驗(yàn)的進(jìn)步取得的巖石應(yīng)變?nèi)淘囼?yàn)曲線，表明了巖石的破壞通常是一個漸進(jìn)、持續(xù)的發(fā)展進(jìn)程，巖石在峰值強(qiáng)度后仍具有一定的承載能力即殘余強(qiáng)度。殘余強(qiáng)度的認(rèn)識和利用，伴隨大量錨噴支護(hù)工程實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)和巖體力學(xué)的迅速發(fā)展。我國學(xué)者在巷道支護(hù)理論方而做了大量工作，提出多種支護(hù)理論，并在生產(chǎn)實(shí)踐中起到積極的指導(dǎo)作用。以下簡單介紹幾種理論。新奧法支護(hù)理論。結(jié)合煤炭行業(yè)自身特點(diǎn)，對新奧法支護(hù)理論進(jìn)行了

11、較好的完善和發(fā)展，形成以下支護(hù)原則:采用光面;采用早強(qiáng)噴射混凝上及時封閉巷道周邊，實(shí)施密貼支護(hù);采用錨噴支護(hù)，主動加固圍巖，提高其自承能力，在圍巖內(nèi)形成承載圈;實(shí)施二次支護(hù);對破碎圍巖實(shí)施注漿加固;實(shí)施動態(tài)設(shè)計和動態(tài)施工等。聯(lián)合支護(hù)理論。聯(lián)合支護(hù)理論認(rèn)為:對于復(fù)雜困難巷道，只提高支護(hù)體剛度難以有效控制圍巖變形，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。聯(lián)合支護(hù)理論在困難巷道中得到比較廣泛的應(yīng)用，但隨著圍巖條件越來越差，該理論受到了。有些巷道采用聯(lián)合支護(hù)并不理想，需要多次維修和翻修，圍巖變形一直不能穩(wěn)定。松動圈支護(hù)理論。圍巖松動圈支護(hù)理論認(rèn)為:巷道開挖后一般會出現(xiàn)松動圈，圍巖最大變形載荷是松動圈

12、產(chǎn)生過程中的碎脹變形，圍巖破裂過程中巖石碎脹變形是支護(hù)對象。松動圈越大，碎脹變形越大，圍巖變形量越大，巷道支護(hù)也越困難。根據(jù)松動圈的大小進(jìn)行了圍巖分類，并提出了相應(yīng)的支護(hù)形式。圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。侯朝炯等提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論，認(rèn)為錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)，改善被錨巖體的力學(xué)性能，錨固區(qū)域巖體的峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化;錨桿支護(hù)可改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖承載能力。此外，我國學(xué)者采用彈塑性力學(xué)、流變力學(xué)、損傷力學(xué)、大變形力學(xué)等理論對巷道圍巖變形和破壞特征進(jìn)行了分析，從不同角度研究了巷道礦壓規(guī)律及圍巖與支護(hù)體的相互作用。通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道控制

13、圍巖穩(wěn)定相關(guān)文獻(xiàn)較少，且研究不夠深入，基本上借鑒意義很小。隨著國內(nèi)煤礦整合力度增大，整合礦井在優(yōu)化巷道布置時很容易老采空區(qū)，所以采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道課題的研究勢在必行，解決采空區(qū)內(nèi)圍巖破碎巷道穩(wěn)定。3 國內(nèi)外同類技術(shù)對比目前，國內(nèi)外研究采空區(qū)主要是評價采空區(qū)穩(wěn)定性以及對地面建筑、工程的影響，對采空區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)支護(hù)，相關(guān)成果較少。本項目結(jié)合目前前人對采空區(qū)穩(wěn)定性研究成果及巷道控制理論技術(shù)，開發(fā)出了完善的采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道圍巖注漿、主動與相結(jié)合的綜合圍巖控制技術(shù)，控制了巷道的穩(wěn)定。該技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道控制技術(shù)空白，具有以下特性。實(shí)用性：采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道問題是目前國內(nèi)重組整合礦井的普遍難題，采

14、空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道圍巖綜合控制技術(shù)研究，以目前支護(hù)、加固材料為基礎(chǔ)，設(shè)計了采空區(qū)內(nèi)巷道加固及過老巷巷道加固技術(shù)，為礦井安全掘進(jìn)提供了可靠的技術(shù)方案，對類似條件的巷道掘進(jìn)支護(hù)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，所以該技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)。系統(tǒng)性：項目研究成果豐富，以理論分析為基礎(chǔ)分析了采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性及在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道的可行性，應(yīng)用主動與控制相結(jié)合的方法設(shè)計了先加固碎裂巖體、巷內(nèi)頂板錨網(wǎng)索+11#工字鋼支護(hù)、兩幫砌筑 1.0m 寬料石墻支護(hù)并在基礎(chǔ)中布置 15kg/m 道軌增加基礎(chǔ)剛度、巷道表面噴射混凝土的多層綜合支護(hù)設(shè)計方案。并應(yīng)用數(shù)值模擬分析方案的可行性，現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)及礦壓觀測實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方案的合理性，實(shí)現(xiàn)了理論

15、和實(shí)踐相互驗(yàn)證的系統(tǒng)研究方法。二、項目工作情況1 項目主要研究內(nèi)容采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道是全新的課題，目前開展該方面研究及現(xiàn)場施工的工程較少，只要是由于采空區(qū)覆巖已經(jīng)破壞巷道掘進(jìn)后圍巖難以控制，巷道變形嚴(yán)重，且采空區(qū)內(nèi)積水、積氣也給巷道工程帶來安全隱患，因此開展采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道控制圍巖穩(wěn)定十分必要，因此本課題需開展一下幾個方面的研究：（1）采空區(qū)穩(wěn)定性分析依據(jù)宏遠(yuǎn)煤礦風(fēng)井井底附近 15#煤層采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、砌體梁理論，分析 15#煤層開采以后，采空區(qū)覆巖運(yùn)動破壞規(guī)律，并評價采空區(qū)內(nèi)是否可以掘進(jìn)巷道。（2）采空區(qū)加固技術(shù)研究為了在采空區(qū)冒落區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道必須進(jìn)行注漿加固圍巖，分析注漿機(jī)理、

16、選擇合適的注漿材料、研究分層次、分步驟注漿設(shè)計，提高圍巖穩(wěn)定性。（3）巷道支護(hù)技術(shù)研究研究設(shè)計適合于采空區(qū)流變圍巖條件的主動與相結(jié)合的控制圍巖技術(shù)以及過不同條件老巷的支護(hù)方法。并應(yīng)用 FLAC3D 三維數(shù)值模擬軟件支護(hù)方案現(xiàn)場實(shí)施效果。（4）現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究?，F(xiàn)場對過采空區(qū)巷道及過老巷巷道分別建立測站，觀測巷道圍巖變形、支護(hù)體受力，分析兩種特殊條件下圍巖變形破壞規(guī)律。2 項目研究路線立項 調(diào)研 理論分析 方案設(shè)計 數(shù)值模擬方案優(yōu)化方案實(shí)施礦壓觀測 方案調(diào)整項目總結(jié) 項目驗(yàn)收和鑒定 推廣應(yīng)用。3 項目實(shí)施情況項目研究自 2011 年 6 月開始截止 2011 年 9 月結(jié)束，歷時 3 個月時

17、間，較好地完成了課題研究的各項任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，取得良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。為了保證研究工作順利的進(jìn)行，分工負(fù)責(zé)，決定由礦校雙方共同組成科研課題組。課題組首先進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研和國內(nèi)調(diào)研，應(yīng)用理論分析和數(shù)值模擬技術(shù)，分析了采空區(qū)覆巖運(yùn)動規(guī)律，評價了采空區(qū)區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道的可行性，并通過多次專家論證，設(shè)計了巷道掘進(jìn)前高冒區(qū)充填注漿提高破碎矸石整體粘結(jié)力、掘進(jìn)時鉆孔超前注漿提高圍巖強(qiáng)度的采空區(qū)圍巖加固方案?，F(xiàn)場充填注漿選用充填材料固瑞特 CM-21，加固注漿材料選用漏必堵 CM-11。針對采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征及 15 號煤頂?shù)装鍘r性，設(shè)計巷道沿 15 號煤底板掘進(jìn)，凈斷面 4.0×3.6

18、m 矩形巷道， 提出巷道頂板錨網(wǎng)索+11#工字鋼支護(hù)、兩幫砌筑 1.0m 寬料石墻支護(hù)并在基礎(chǔ)中布置 15kg/m 道軌增加基礎(chǔ)剛度、巷道表面噴射混凝土的多層綜合支護(hù)設(shè)計方案，支護(hù)方案可有效解決采空區(qū)覆巖強(qiáng)度低、自承結(jié)構(gòu)能力小等圍巖控制技術(shù)難題。根據(jù)老巷與新掘巷道位置關(guān)系提出了：兩巷道同水平斜交時，巷道頂板用錨網(wǎng)索+11#工字鋼支護(hù)，老巷側(cè)空幫砌筑 0.5m 寬料石墻，后全斷面噴射混凝土封閉圍巖的支護(hù)；老巷在新掘巷道上方時，先在老巷頂板實(shí)施錨網(wǎng)索支護(hù)，后在兩幫砌筑上寬 1.0m 下寬 2.0m 的梯形料石墻，并在料石墻底部以上 3.2m 處布置 11#工字鋼作為新掘巷道的人工假頂?shù)木C合支護(hù)技術(shù)

19、。現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)階段，進(jìn)行了巷道圍巖變形及支護(hù)體受力觀測，采空區(qū)內(nèi)巷道兩幫移近量 120143mm 之間，頂?shù)装逡平?126-136mm 之間，錨桿最大受力120KN 左右，錨索最大受力 160KN 左右，料石墻受壓力 5-15MPa 之間。過老巷巷道兩幫移近量 131156mm 之間，頂?shù)装逡平?132-145mm 之間，錨桿最大受力 125KN 左右，錨索最大受力 170KN 左右，料石墻受壓力 7-20MPa 之間。巷道變形和破壞在控制范圍之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果。4 技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)采空區(qū)內(nèi)巷道掘進(jìn)極復(fù)雜條件下巷道圍巖控制工程問題，重組整合礦井復(fù)產(chǎn)前需對礦井巷道進(jìn)行總體優(yōu)化布置，井下現(xiàn)場極易采空區(qū)、老巷，常規(guī)的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)已不能滿足冒落巖體中掘進(jìn)安全的要求。本項目建立了采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道圍巖綜合控制技術(shù)體系：(1)針對掘進(jìn)巷道過采空區(qū)的特殊性進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬研究，揭示了覆巖運(yùn)動、應(yīng)力分布和巷道圍巖變形破壞等規(guī)律及采空區(qū)破壞范圍和頂?shù)装迤茐奶卣鳎C合評價了采空區(qū)穩(wěn)定性及采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道的可行性。(2)根據(jù)掘進(jìn)巷道開挖過程中遇到的三種不同情況（高冒區(qū)，老巷與掘進(jìn)巷道在同一水平，老巷在掘進(jìn)巷道上方），提出了巷道掘