急傾斜煤層跨采底板動壓巷道支護技術研究

牟建 羅明國

目前我國在礦井開拓部署和采區(qū)巷道布置方面，各礦普遍采用的分層開拓、分層布置采區(qū)的方法，逐步地改為集中開拓、聯(lián)合布置采區(qū)的方法，這樣就出現(xiàn)集中開拓大巷和采區(qū)集中上（下）山等底板巖石集中巷。現(xiàn)階段對跨采動壓巷道圍巖破壞機理及巷道支護技術已經(jīng)有了許多研究，也取得了許多成果。但這些成果并不能解決所有動壓巷道的穩(wěn)定性問題，受多次采動影響的巷道的變形及失穩(wěn)情況與許多因素有關，不能用普適理論來解決這些問題。通過對跨采底板巷道圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術研究，開展代池壩煤礦錨桿支護與加固技術與工藝改革，促進高強錨注支護技術配套性日臻完善，對整個礦區(qū)急傾斜煤層跨采底板巷道支護具有重要的意義，同時實施無煤柱護巷跨采不僅可以提高煤炭資源回收率，改善巷道的維護條件，而且對于降低巷道掘進率，改善礦井生產(chǎn)系統(tǒng)也有重要意義。

1主要研究內(nèi)容、技術指標和技術路線

1.1主要研究內(nèi)容

項目擬采用現(xiàn)場調研與測試、理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗等綜合研究方法，研究分析巷道應力分布規(guī)律，巷道圍巖變形破壞特征，通過對+320東大巷巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究和數(shù)值模擬研究，針對性提出急傾斜煤層跨采底板動壓巷道圍巖控制方案，并在+320東大巷中開展工業(yè)性試驗和相關礦壓觀測驗證工作，最終形成急傾斜煤層跨采底板動壓巷道支護技術體系用于進一步推廣應用。具體研究內(nèi)容為：

（1）跨采動壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

急傾斜煤層跨采底板動壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析評判研究對象自身條件和力學響應特性的過程，是進行巷道圍巖礦壓治理研究工作的基礎，主要內(nèi)容包括現(xiàn)場地質工程條件調查和資料收集分析、圍巖結構與力學特征測試分析、圍巖應力環(huán)境實測與評估、支護材料錨固特性評估和研發(fā)選型等內(nèi)容。

通過對急傾斜煤層跨采底板動壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究獲得本項目研究的基礎資料，掌握巷道圍巖穩(wěn)定性控制的主要影響因素，指明原支護方案存在的問題和解決思路，為下一步進行數(shù)值試驗研究和巷道初始支護設計打下堅實的基礎。

（2）數(shù)值模擬試驗研究

基于現(xiàn)場調查和地質力學評估結果利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件深入分析工作面回采等引起的礦山應力變化趨勢和規(guī)律，巷道支護方案對巷道穩(wěn)定性的影響程度和對比分析，為巷道支護初始設計提供依據(jù)。

急傾斜煤層跨采底板動壓巷道支護設計進行的數(shù)值模擬試驗研究，主要內(nèi)容包括：急傾斜煤層跨采底板動壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上部工作面回采期間巷道變形規(guī)律及特征、跨采底板動壓巷道支護方案對比優(yōu)化試驗研究等。

（3）錨注支護機理研究

基于急傾斜煤層跨采底板動壓巷道巖體變形破壞規(guī)律，以及錨注巖體力學性質變化特征，結合FLAC數(shù)值模擬分析結果，得到回采期間錨注支護巷道變形及應力分布特征，分析支護材料強度、長度、布置方式、漿液類型等參數(shù)對巷道圍巖的控制效果，進而揭示錨注支護材料作用原理以及高強錨注加固機理。

（4）支護材料的研發(fā)與選型

針對急傾斜煤層跨采底板動壓巷道圍巖力學性質及生產(chǎn)技術條件，研究注漿支護材料合理的初錨力及匹配的錨固長度，確定適用的注漿支護材料長度、初錨長度、預緊力等參數(shù)，并進行現(xiàn)場試驗優(yōu)化，滿足跨采動壓巷道圍巖控制技術要求，并具有高強度、高延伸率、高錨固力、低成本等特點，滿足巷道長期使用的支護要求。

（5）錨注支護初始方案和工業(yè)性試驗研究

基于現(xiàn)場調研和地質力學評估結果，結合數(shù)值模擬分析結論，提出急傾斜煤層跨采底板動壓巷道初始錨注支護方案，包括材料選型、支護參數(shù)、施工工藝和技術要求等，并開展工業(yè)性試驗研究，對施工設備的適應性和配套性進行試驗改進，對錨注施工工藝進行現(xiàn)場技術指導和培訓，并根據(jù)礦壓觀測對比分析，及時調整和修正支護初始方案。

（6）礦壓觀測與信息反饋

利用先進成熟的礦壓觀測技術手段，包括巷道表面變形監(jiān)測、圍巖深部變形監(jiān)測、圍巖結構破壞觀測等，對工業(yè)試驗段巷道進行礦壓監(jiān)測和支護效果評價，作為評估和優(yōu)化巷道初始支護設計的重要依據(jù)。同時對施工工藝和支護參數(shù)進行現(xiàn)場指導和與工業(yè)性驗證，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，優(yōu)化調整支護方案，進而形成正式支護設計。

1.2技術指標

（1）掌握急傾斜煤層跨采底板動壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

（2）根據(jù)不同圍巖條件針對性提出科學合理、技術科學的錨注支護方案。

（3）開展巷道錨注支護工業(yè)性試驗，試驗巷道長度不小于100m，技術推廣應用不低于400m。

（4）試驗巷道安全可靠，滿足上部工作面回采期間使用要求，返修率不超過10%。

1.3技術路線

本項目根據(jù)+320東大巷現(xiàn)場工程地質條件，擬開展地質力學條件調研評估，借助現(xiàn)場資料分析、實驗室物理力學試驗、數(shù)值模擬分析等手段，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，系統(tǒng)開展試驗巷道圍巖控制技術研究，通過各種參數(shù)的調整和理論分析確定+320東大巷錨注支護初始方案，形成以預應力全長錨固為基礎的動態(tài)支護技術體系，開展工業(yè)性試驗，通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗和大量的現(xiàn)場觀測包括深部位移觀測、支護體受力觀測對初始方案進行驗證和修正，便于形成正式支護方案。進而形成示范工程以供進一步推廣應用。

2.項目實施的可行性分析

2.1現(xiàn)有基礎與技術條件

（1）研究人員基礎及技術條件

廣旺公司具有專業(yè)的巷道掘進和維護隊伍和技術力量，在巷道支護方面積累了豐富現(xiàn)場經(jīng)驗。同時參與了多個科研項目，具有較高理論水平和專業(yè)知識，對完成本項目提供了有力的保證。

代池壩煤礦具有多年成功生產(chǎn)經(jīng)驗和堅實的技術基礎，形成了一批知識面廣、作風扎實、年富力強的技術工作者，在長期的開采實踐中，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，具有與項目所列設備相配套的先進的技術裝備條件，相關工作人員具有豐富的開采實踐經(jīng)驗和現(xiàn)場技術管理經(jīng)驗，具有高素質的管理隊伍和經(jīng)驗豐富的施工隊伍，能提供現(xiàn)場試驗所需的人員、場地、材料和機具。

山東安科公司主要從事煤礦井巷支護和巖土工程加固領域的技術服務、產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)。有一支專業(yè)化、富有現(xiàn)場經(jīng)驗的技術隊伍，可從事煤礦原巖應力實測、開采引起的地應力變化監(jiān)測、井巷支護和加固設計、煤柱留設、沿空掘巷（留巷）等技術服務。公司配有國際先進的地應力實測與監(jiān)測設備，聲波探頭多點位移計、鉆孔窺視儀、應變儀監(jiān)測儀器和最新版本FLAC3D數(shù)值模擬軟件，可承擔大型巖層控制領域的課題。公司自成立以業(yè)，先后完成了三項國家級的重點課題和幾十項技術服務項目。

同時，公司針對我國煤礦開采埋藏深、地質條件復雜積極進行研發(fā)新型支護材料和配套施工設備，具有8項國家專利。公司巷道支護產(chǎn)品主要有三類，十幾種。一是新型煤礦巷道支護材料：主要有高強樹脂錨桿、左旋連續(xù)螺紋樹脂錨桿、中空注漿錨桿、中空錨注礦用錨索、U形和M型鋼帶;二是煤礦巷道支護施工機具：主要有高壓風動注漿系統(tǒng)、錨索張拉機具和風動油泵、攪拌器。三是煤礦巷道監(jiān)測儀器：主要有頂板離層監(jiān)測儀、測力錨桿、錨桿/錨索測力計、鉆孔窺視儀等。

在巷道礦壓治理方面，課題組多年來一直秉承“駐守工程現(xiàn)場，解決實際問題”的理念，研究人員長期駐守工程現(xiàn)場，年均在礦現(xiàn)場科研時間超過300天。該團隊在現(xiàn)場一線與技術、施工人員共同跟班，密切交流，及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場問題，親手指導設計及施工方案，引導礦方人員對施工材料、工藝、技術體系進行熟練掌握，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況不斷優(yōu)化完善技術方案，指導進行驗收及質量控制規(guī)范的制定，與礦方科技部門、施工區(qū)隊建立了“產(chǎn)學研管-協(xié)同創(chuàng)新”聯(lián)動機制，達到了合作多贏的效果。以上均表明，在研究人員條件方面，可為本項目提供有力的技術支持與指導。

（2）實驗室技術條件

山東安科公司與山東大學巖土與結構工程研究中心長期合作，具有較為齊全的試驗場地和試驗設備，擁有深部巷道圍巖分區(qū)破裂機理模擬試驗裝置，實驗測試采集分析系統(tǒng)有高速靜態(tài)應變采集分析系統(tǒng)、柔性光柵微型多點位移采集分析系統(tǒng)等。室內(nèi)實驗和模型試驗儀器設備有多功能錨固試驗機、電液伺服試驗機（英國）、萬能試驗機（德國）、美國MTS815試驗機、3000KN剛性三軸巖石試驗機和RC-1000KN伺服控制三軸應力溫度滲流耦合流變儀，多通道定位聲發(fā)射儀（PCI-8美國）。

山東安科公司具有現(xiàn)場監(jiān)測儀器設備有多點位移計、礦井鉆孔窺視成像儀和地應力監(jiān)測儀器等。在圍巖分析軟件方面，課題組已經(jīng)具有多種國內(nèi)外最新的分析軟件如FLAC3D等商業(yè)程序及自行開發(fā)的可用于節(jié)理巖體的三維斷裂損傷模型的分析程序，該程序內(nèi)包括分析效果更好的斷裂損傷錨固件模型的子程序，在國內(nèi)外具有領先水平。上述這些軟件都可進行巖體變形破壞分析。此外，本課題組還有力量開發(fā)一些新的子程序來彌補上述分析軟件的不足。

因此，從研究基礎、實驗室條件、人員配備、儀器設備來看，課題組具備實施研究方案所需的研究基礎與條件。同時，礦山重視自主創(chuàng)新，在煤炭生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)投入了大量的人力、物力資源，為項目的順利實施提供了有力的保障。

2.2項目分工及保證體系

本項目由四川廣旺能源發(fā)展（集團）有限責任公司代池壩煤礦與山東安科礦山支護技術有限公司完成。雙方分工如下：

（1）四川廣旺能源發(fā)展（集團）有限責任公司代池壩煤礦

①提供生產(chǎn)地質資料等基礎資料;

②組織實施和參與有關資料和數(shù)據(jù)的實測統(tǒng)計工作;

③負責技術方案的實施和安全管理;

④參與技術總結報告的編寫，組織驗收;

（2）山東安科礦山支護技術有限公司

①參與現(xiàn)場資料的收集與整理工作;

②負責地應力措施、巖體力學性質的測試;

③負責理論研究、數(shù)值模擬等工作;

④負責資料檢索和查新;

⑤指導現(xiàn)場工業(yè)性試驗施工和效果檢驗評價;

⑥編寫研究總報告、完成項目驗收。

3市場需求分析及經(jīng)濟、社會效益預測

3.1市場狀況與推廣應用前景

本項目以巷道穩(wěn)定性控制理論與技術提供支持為出發(fā)點，應用現(xiàn)場實測、物理模擬、數(shù)值模擬和理論分析等多種手段，研究解決急傾斜煤層跨采底板動壓巷道圍巖變形破壞模式及失穩(wěn)機理、圍巖穩(wěn)定控制技術，并制定急傾斜煤層跨采底板動壓巷道錨注支護技術體系，可指導今后礦區(qū)其他巷道的支護設計和施工，有助于推動煤礦巷道支護技術的發(fā)展，作為一項通用性很強的高新技術，同時具有良好的市場推廣前景和經(jīng)濟效益。

（1）增強巷道支護可靠性，保證巷道的正常使用。

預計通過本項目研究，提高支護效能，控制圍巖變形，減少返修率，節(jié)約綜合維護成本，增強支護可靠性，為礦方實現(xiàn)高產(chǎn)高效打下良好基礎。

（2）項目創(chuàng)新性強，推廣價值大。

本項目研究成果能夠形成一套適合跨采動壓條件、以預應力全長錨固為基礎的動態(tài)支護技術體系，通過運用先進的高強全錨技術有利于增強巷道承載性，構建高效支護體系，降低支護綜合成本、提高巷道安全性能，項目研究成果的推廣應用具有重要的社會效益。

（3）提高支護材料利用率，項目采用的材料對環(huán)境無負面影響，促進了礦山節(jié)能環(huán)保建設。

（4）推動企業(yè)科技發(fā)展，培養(yǎng)技術人才。

該課題的實施，通過建立科研機構、礦方技術部門與施工區(qū)隊人員的產(chǎn)學研管協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)動平臺，培養(yǎng)一批技術人才，對促進企業(yè)發(fā)展有重要意義。

隨著礦井開采深度的增加，深部巷道支護問題越來越突出，需要采用錨注支護和加固的巷道會越來越多，同時項目研究成果可用于沿空留巷、沿空掘巷、巷道修復等復雜困難條件下的支護或加固，推廣應用前景十分廣闊。

3.2經(jīng)濟、社會效益分析

通過本項目的研究，形成一套適應代池壩煤礦急傾斜煤層跨采底板動壓巷道支護技術體系，繼而降低礦井生產(chǎn)經(jīng)營成本，實現(xiàn)巷道掘進的降本增效及技術經(jīng)濟一體化，保障礦井安全高效生產(chǎn)，取得顯著的技術經(jīng)濟效益和社會效益。因此，本項目的研究預計可取得了顯著的技術經(jīng)濟效益和社會效益。

（1）根據(jù)+320東大巷所處的應力環(huán)境和圍巖條件，制定針對性的切實可行的錨注支護加固方案，對比巷道變形控制效果，使代池壩煤礦急傾斜煤層跨采底板動壓巷道支護狀況大為改善。

（2）采用先進的支護技術，大幅降低巷道維護工作量，為工作面快速推進和提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造條件。

（3）本項目的研究實施，可降低巷道支護和維護總費用20%以上，改變長期以來錨網(wǎng)索支護的模式，直接效益顯著。

（4）采用高強錨注支護技術提高了巷道支護的安全可靠性，改善了井下工人的工作環(huán)境、降低了工人的勞動強度，穩(wěn)定了職工的情緒，調動了職工的積極性，保證了礦區(qū)經(jīng)濟效益的提高。樹立了煤礦的良好形象，增強了煤礦工人的安全感與自豪感，社會效益顯著。

（5）采通過本項目的研究，對礦山支護技術進行改革，使巷道支護技術在現(xiàn)有基礎上躍上一個新的臺階。