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我国煤矿煤系地层中赋存有软岩的矿井分布十分广泛,有的矿区大部分甚至全部矿井都属于软岩矿井;而且随开采深度增加,软岩矿井的数量也在不断加大。据统计,全国每年新掘巷道全长约为6000 km,其中软岩巷道就占10%,由于软岩巷道支护的问题,有100km之多的巷道需要返修和维护。软岩巷道支护已经成为困扰我国煤矿生产建设的重大问题之一。由于软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不仅造成每年数亿元之巨的经济浪费,而且使整个矿井陷于困境,甚至关闭。随着开采深度的增加,软岩矿井的数量不断加大。
软岩巷道维护原理是使支护体系和参数最好地适应围岩变形的力学状态,确保支护特性和围岩变形力学特性相适应、相匹配,以最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支撑能力,控制围岩变形,维护巷道稳定。要注意卸压、让压、加固、支撑统筹安排,对高应力区要注意释放高应力能量,调整支承压力的分布,对大变形区既要允许变形又要使变形适度,对松散破碎区要注意整体加固,对以膨胀为主的软岩,要注意围岩的防水与脱水。
目前,软岩工程分析的新方法及支护的新方法和新技术不断涌现,如:锚喷网藕合支护技术、柔性锚索支护技术、刚柔层控制技术、刚隙层控制技术、锚杆三维优化支护技术和消力底梁技术等。
永华-矿原来在煤层底板布置岩巷,通过联络巷联系工作面顺槽,并采取不断翻修木棚的方法实现工作面的连续回采,该方法的弊端是岩巷工程量大,工人劳动强度大。金属支架与木材支架相比,具有承载能力高,不易腐蚀,可多次复用,巷道维护费用较少等优点,因而永华-矿尝试使用刚性工字钢支架,放弃了底板岩巷的掘进。但是,在经历了掘巷影响稳定阶段之后,尚未回采时,巷道即开始全断面收敛,支架损坏严重,后不得不翻修,造成工作面运料、生产困难,工作面推进缓慢。经过实际的调查,河南永华能源有限公司-矿在开采过程中其存在开采方法落后,支护方式单一,支护理念落后,对工作面矿压显现规律没有明确的认识,一直沿用经验的方法进行支护设计,巷道的支护成本高,巷道变形严重,支护效果差。
本文结合河南理工大学对河南永华能源有限公司-矿的技术指导,对被动支护条件下回采巷道矿压显现规律、松软围岩物理力学特征、锚杆支护条件下松软围岩蠕变特征进行了研究,提出永华能源-矿松软围岩条件下合理的巷道支护方式,并在永华—矿进-行工业性试验,完善合理的支护参数。
通过具微镜观察结构试验得到了岩石的物理力学性质,确定了岩石的成份与结构,指出了巷道围岩多为处于滑动构造区的软弱岩层是造成巷道维护困难的原因;对锚杆与围岩组成的锚固体进行蠕变试验,得到了试样在不同应力水平下的蠕变规律,说明锚杆在一定程度上改善了围岩的蠕变性质,改变了围岩的参数,对阻挡围岩变形起到了积极的作用。同时对于其蠕变特性,采用Burgers模型来描述试样的本构关系,拟合得到了试样在各个应力水平上的参数,根据所得的试验数据,给出了试样蠕变的经验公式,求出了软岩巷道最佳的支护时间在1000~1500分钟之间。开展回采巷道锚杆支护的机理及支护技术方面的研究,通过现场施工:回采巷道围岩具有明显的蠕变特性,原来实施U型钢被动支护方式不能满足工程对巷道的要求。为此,通过采用现场实测、实验室试验和理论分析等方法,对巷道支护进行深入研究,利用岩石力学实验、X衍射试验、显导出一面为自由面的锚固体的轴向变形公式,并用Burgers模型拟合回归出了其相关参数,得出了蠕变规律的经验公式。根据围岩蠕变特点,对巷道围岩进行粘弹性分析,得出了巷道合理的支护时间段。最后,针对U型钢这种支护形式,在永华-矿进行了回采巷道的矿压观测工作,在理论研究的基础上,运用数值模拟进行巷道支护设计,提出了“U型钢+超前锚杆”支护方式,通过超前锚杆在永华-矿12081工作面上下顺槽的成功采用,说明由于超前锚杆对围岩形成超前支护层,能有效防止掉顶或冒顶事故的发生,增加施工安全可靠性,提高施工进度,特别是在煤层巷道和过断层破碎带施工时更能体会出该技术的优越性,具有良好的经济效益和社会效益。