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针对复杂地质条件下南方薄煤层开采巷道出现的大变形与控制等问题,开展了一系列现场调查、理论分析和试验等研究。首先,分析了南方煤层地质条件、巷道变形特点和支护中存在的突出问题,同时进行了大量巷道变形的现场调研;然后,研究了薄煤层巷道变形破坏的影响因素和作用机理,主要体现在泥质岩类的物化膨胀与裂隙扩容、半煤岩巷道接触面滑移、水平构造应力挤压、工程扰动偏应力影响和高瓦斯孔隙压力弱化作用等;最后,阐明了复杂条件下薄煤层开采巷道的控制原理,强调应重视发挥巷道深部稳定岩体的承载能力,增强巷道围岩侧向支护作用,实现高阻让压和改善巷道围岩的整体力学强度等。提出了高强度自动让压桁架锚索支护系统和叠加拱"长、短"密集锚索支护技术,并分别进行了软弱半煤岩巷道的返修控制和松散煤岩体巷道支护技术的现场试验研究。监测表明,支护后的巷道围岩变形量都在可控范围之内,满足生产要求。
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第
40
卷第
10
期
煤 炭 学 报
Vol.40 No.10
2015
年
10
月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Oct. 2015
余伟健
,
冯
涛
,
王卫军
,
等
.
南方复杂条件下的薄煤层开采巷道围岩支护问题及对策
[J].
煤炭学报
,2015,40( 10) : 23
70
-
2379.
doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2014.1691
Yu Weijian,Feng Tao,Wang Weijun,et al.Support problems and solutions of roadway surrounding rock for thin coal seams under complex
conditions in Southern China[J].Journal of China Coal Society,2015,40( 10) : 2370
-
2379.doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2014.1691
南方复杂条件下的薄煤层开采巷道围岩支护
问题及
对策
余伟健
1,2
,
冯 涛
1,2
,
王卫军
1,2
,
王 平
1,2
,
袁 超
1,2
,
郭罡业
1,2
,
杜少华
1,2
( 1.
湖南科
技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室
,
湖南 湘潭
411201; 2.
湖南科技大学 能源与安全工程学院
,
湖南 湘潭
411201)
摘 要
:
针对复杂地质条件下南方薄煤层开采巷道出现的大变形与控制等问题
,
开展了一系列现场
调查
、
理论分析和试验等研究
。
首先
,
分
析了南方煤层地质条件
、
巷道变形特点和支护中存在的突
出问题
,
同时进行了大量巷道变形的现场调研
;
然后
,
研究了薄煤层巷道变形破坏的影响因素和作
用机理
,
主要体现在泥质岩类的物化膨胀与裂隙扩容
、
半煤岩巷道接触面滑移
、
水平构造应力挤压
、
工程扰动偏应力影响和高瓦斯孔隙压力弱化作用等
;
最后
,
阐明了复杂条件下薄煤层开采巷道的控
制原理
,
强调应重视发挥巷道深部稳定岩体的承载能力
,
增强巷道围岩侧向支护作用
,
实现高阻让
压和改善巷道围岩的整体力学强度等
。
提出了高强度自动让压桁架锚索支护系统和叠加拱
“
长
、
短
”
密集锚索支护技术
,
并分别进行了软弱半煤岩巷道的返修控制和松散煤岩体巷道支护技术的
现场试验研究
。
监测表明
,
支护后的巷道围岩变形量都在可控范围之内
,
满足生产要求
。
关键词
:
复杂地质条件
;
薄煤层
;
软弱围岩
;
大变形
;
巷道支护
中图分类号
: TD353
文献标志码
: A
文章编号
: 0253
-
9993( 2015) 10
-
2370
-
10
收稿日
期
: 2014
-
12
-
02
责任编
辑
:
常 琛
基金项目
:
国家自然科学基金资助项目
( 51434006,51574122) ;
湖南省教育厅科学研究重点资助项目
( 14A
045)
作者简
介
:
余伟健
( 1978—) ,
男
,
江西都昌人
,
副教授
。E
-
mail: ywjlah@ 163.com
Support problems and solutions of roadway surrounding rock for thin
coal seams under complex conditions in Southern China
YU Wei-jian
1,2
,FENG Tao
1,2
,WANG Wei-jun
1,2
,WANG Ping
1,2
,YUAN Chao
1,2
,GUO Gang -ye
1,2
,DU Shao-hua
1,2
( 1.Hunan Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China; 2.School of Ener-
gy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)
Abstract: In view of a series issues such as the control of surrounding rocks in mine roadway and its large deformation
in southern thin coal seam mines with complicated geological conditions ,it is necessary to make field investigation,the-
oretical analysis and field test. First,the deformation characteristics of roadway,the geological conditions in southern
coal seams and the outstanding problems in the coal mine roadway support were analyzed in this paper.At the same
time,a large amount of roadway deformation fields were investigated.Then,the influence factors and mechanism of the
roadway deformation in thin coal seam mines were studied,including the materialized expansion of argillaceous rocks,
the weak plane slip at coal-rock roadway,horizontal tectonic stress extrusion,the influence of deviator stress under con-
struction disturbed and the weakening of gas pore pressure,etc.Finally,the control principles of thin coal seam mining
roadway under complicated conditions were put forward,such as the bearing capacity of roadway deep-surrounding sta-
ble rocks should be emphasized,and the lateral supporting of roadway surrounding rock should be enhanced. There-
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第
10
期 余伟
健等
:
南方复杂条件下的薄煤层开采巷道围岩支护问题及对策
fore,high resistance and yielding support could be achieved for improving the overall mechanical strength of surround-
ing rock.According to the control principles,the high strength anchor cable support system with automatic yielding ca-
pacity and stacked arch with long and short intensive anchor rope support technology was put forward.The field test of
soft coal -rock roadway maintenance control and loose coal-rock roadway supporting technology were studied respective-
ly ,the result shows that the surrounding rock deformation values after support were manageable,and meet the produc-
tion requirements.
Key words: complicated geological conditions; thin seam; weak surrounding rock; large deformation; roadway support
南方各省市煤炭资源非常有限
,
但是由于运输等
费
用较
高
,
必须需要一定数量的煤矿进行开采以满足
民用需求
。
但是
,
从江西
、
湖南
、
广西
、
四川和贵州等
地区煤层赋存的地质条件来看
,
一般以
2 m
以下薄煤
层较多
。
在开采这些复杂条件下的薄煤层过程中
,
出
现了许多问题
,
其中瓦斯和软岩是
2
个主要的灾害
。
对于瓦斯来讲
,
各方面重视程度较高
,
预防和治理瓦
斯等技术较为先进
;
但是
,
对于软岩与巷道支护的科
学研究长期以来得不到足够重视
。
从大量矿井现场
的调查结果来看
,
由于这些问题得不到很好地解决而
直接导致了各煤矿技术落后
、
生产效率不高
、
各种费
用高昂和安全环境恶劣等局面
,
给南方各煤矿的正常
生产带来了许多麻烦
。
虽然一些煤矿已经实现以锚
杆为主体的支护技术
,
但普遍存在支护设计不合理
、
施工质量不到位等问题
,
而且相当一部分中小型煤矿
的支护形式更为简单
,
许多大变形围岩巷道仍采用传
统的棚架式支护
,
造成掘进和维护的成本大增
。
仅对
贵州木孔煤矿进行调查
,
回采巷道原采用棚架支护的
直接成本达到
2
万元
/m,
不仅给矿井带来了巨大的
经济损失
,
而且直接阻碍了生产力的提高
。
目前
,
关于软弱围岩巷道支护的研究成果非常丰
富
,
也取得突飞猛进的发展
。
张农等
[1
-
3]
提出了
利用
巷道两肩窝稳定岩体作为锚固基点的钢绞线桁架结
构支护
,
以锚杆
、
锚索
、
注浆等主动支护为主体的整体
封闭式支护
;
何富连等
[4
-
6]
提出了采用高预应力强力
锚
杆支
护系统
、
顶板桁架锚索和煤帮锚索
-
槽钢桁架
联合支护
,
高应力大断面巷道围岩双锚索桁架等控制
对策
;
康红普等
[7
-
8]
提出高
预应力
、
强力支护理论
,
强
调锚杆预应力及其扩散的决定性作用
,
开发了锚杆支
护的成套技术
;
万志军等
[9]
根据新
安煤矿
1207
工作
面回采巷道实际情况
,
确定了巷道全断面采用长短锚
索
“
两短一长
”
耦合支护技术
;
肖同强
、
李化敏等
[10]
提
出了分区藕合支护围岩稳定控制原理
,
采用高
强高预
紧力
“
锚杆
、
注浆锚索
、
锚索
”
支护及
“
分区注浆加固
”
技术
,
可形成针对破碎区
、
塑性区和弹性区的
3
个相
互联系的承载圈
;
笔者
[11
-
12]
针对深部软弱围岩的
“
锚
喷
网
+
锚索
”
联合支护特点
,
提出由主压缩拱
(
锚杆支
护
)
和次压缩拱
(
密集型锚索支护
)
共同构成的叠加
拱承载体力学模型
,
以及相关的支护技术
;
张杰
[13]
在
试验和实测的基础上
,
提出锚棚联合支护的综合加固
措
施
,
并取得显著的应用效果
;
武剑
等
[14]
采用正
交设
计对软岩巷道的预应力桁架锚索支护参数进行优化
分析
;
李飞等
[15]
针对火
铺矿
213
石门
,
分析了巷道围
岩注浆加固效果的影响因素
,
确定了合理水灰比的注
浆方案等
。
以上成果为软弱煤岩体控制原理与技术
研究提供了扎实的基础
。
相对于北方大型煤矿
,
南方各煤矿软岩巷道的支
护技术相对落后
,
突破性的理论与代表性研究成果较
少
,
而且长期以来得不到各方面的足够重视
,
造成了
在复杂条件下开采薄煤层具有相当大的困难
,
巷道支
护成本成倍增加
,
安全事故也频繁发生
。
在此
,
为该
类型巷道的控制技术提供理论与实践支持
,
大力推进
南方各煤矿科技创新工作
,
在总结南方复杂条件下薄
煤层赋存条件与开采特点的基础上
,
进行大量巷道变
形的现场调查
,
并综合分析该类巷道的变形特点和影
响因素
,
在所提出的变形机制和控制原理基础上提出
了高强度自动让压桁架锚索支护系统和叠加拱
“
长
、
短
”
密集锚索支护技术
。
1
南方复杂条件下的薄煤层地质条件及巷道
支护
现状
1. 1
薄煤层赋存条件
( 1)
煤
层倾
角变化大
。
在同一矿区
,
甚至同一采
区会同时出现缓倾斜煤层
、
倾斜煤层和急倾斜煤层等
不同倾角的煤层
。
( 2)
煤层厚度不稳定
。
同一矿区或采区可能同
时会出现厚煤层
、
中厚煤层
、
薄煤层和极薄煤层
,
但大
部分为中厚以下的薄煤层
,
而且许多矿区存在煤层闭
合和分叉等
,
造成丢煤现象
。
( 3)
地质构造变化大
。
地质构造主要是由于断
层和褶皱等除引起煤层产状变化外
,
还会引起岩体岩
性发生变形
,
力学强度降低
,
在大范围开采的情况下
,
各矿井的矿山压力变大
,
巷道围岩变形非常严重
,
造
成支护相当困难
。
1732
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