弱黏结薄层复合顶板煤巷支护与围岩控制技术

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1、弱黏结薄层复合顶板煤巷支护与围岩控制技术1绪论1.1课题及研究背景弱黏结软岩巷道支护问题是伴随着我国西部大开发战略的实施而逐渐出现的。煤炭作为我国能源的重要组成部分，2014年煤炭占一次能源的消费比重约为70%,现今我国是世界第一煤炭产出国家[1]。经过多年的矿井开釆，我国东部地区的可采煤炭资源越来越少，伴随着西部大开发战略的实施，西部煤炭资源的开釆被提上日程。本论文选题来自内蒙古鄂尔多斯色连二矿，该井田位于东胜煤田的东部，如图1。矿井构造形态与东胜煤田该区含煤地层构造形态保持一致，矿井总体为单斜构造，并向西南方向倾斜，地层产状形式平缓

2、，倾向220°-260'，地层倾角小于5°。矿区内没有发现断层，但在先期开釆的部分地段，煤层底板等髙线波动较大，且一般起伏角小于3°，区内未发现岩层断裂及紧密糟皱，同样也没有岩楽岩的侵入，属于简单构造类型井田。就色连二矿煤层赋存条件而言，其主采煤层2-2中煤层埋藏深度相对较深在470m?480m。煤层平均厚度1.55m，覆岩的黏结性差，岩石的抗压强度很低，平均在30MPa以下，抗剪与抗拉强度则更低，砂质泥岩类吸水状态抗压强度明显降低，多数岩石遇水后软化变形，甚至崩解破坏。导致釆用传统施工方法不能有效维持巷

3、道的长期稳定。巷道掘进中出现冒顶、塌方等问题，严重威胁矿井的生产进度和安全。针对色连二号井特殊的地质条件，对该矿弱黏结复合顶板条件下巷道围岩的变形失稳机理进行研宄，从而对巷道支护参数进行优化设计，改善巷道围岩的受力状态，使围岩达到最佳支护水平。在保证巷道正常使用的同时，保障煤矿安全生产/提高矿井的经济效益，实现矿井的高产高效发展具有重要意义。..1.2研究目的和意义弱黏结软岩是在我国西部矿区白奎系、侏罗系地层中普遍存在的一种特殊软岩[2]。从巷道支护方面来看，主要支护难点有三个方面：第一，错杆锚固力很低。这主要是因为钻孔孔壁与铺杆（错索

4、）之间的摩擦力较小导致的，两者之间会因此产生相对运动从而造成铺杆脱落、松她；此外，即使锚杆与孔壁之间不相对运动，但由于巷道围岩本身抗剪强度低，受围岩应力破坏也会生成新裂隙，造成销杆松弛；第二，喷层护岩和注菜固岩效果差，不同于破碎软弱岩体，弱黏结软岩原生裂隙、节理不发育，因而衆液很难于渗入岩体，不能有效成壳护岩；第三，工作面开采、巷道掘进引起的动力荷载严重损伤错喷结构(指：锚、喷、网、梁联合支护)的加固效果。由于黏结性差，岩体容易水解、动力冲击容易引起岩体结构破坏，其结果造成加固结构松池，严重时错固失效，导致冒顶、塌方等严重事故。从理论研

5、究方面来说，弱黏结软岩的特征主要有:首先，弱黏结软岩物理力学性质不稳定、本构关系很复杂。弱黏结软岩具有岩石的基本构成特点，但其原生裂隙、节理不发育，在干燥、无水环境下属于岩石；遇水后则易崩解，随着含水量的增多，弱黏结软岩逐渐转变为土体，在含水饱和状态下容易变成泥砂土；其次，岩石试验困难，由于弱黏结软岩强度低，岩石内部黏聚力弱，导致岩石取心率低，因而相关的研究成果较少。因此，弱黏结软岩巷道在围岩稳定性控制方面缺乏理论依据，冒顶、塌方等安全事故频发，严重威胁煤矿生产安全，增加了矿井建设、维护成本，这是我国煤矿西部开发中面临的一大难题。如今弱

6、點结软岩巷道围岩控制的主要方式依旧是沿用以往对于普通软岩巷道的支护方法，但支护效果普遍较差，因而迫切需要对弱點结软岩的变形破坏特点和支护方式以及围岩控制之间的相互作用机理进行分析研究，提出在该类软岩地质条件下有效的支护方式。2弱黏结薄层复合顶板煤巷围岩破坏特征分析2.1工程地质概况充分了解工程地质条件，对于研宄分析巷道变形破坏，以及提出合理控制方式均有重大意义。色连二矿在东胜煤田的中西部，由于主要可采煤层埋藏深度相对较深，在其核实区内及邻近地区至今还没有生产矿井和小窜。不过在矿区向东20km以外的区域存在少量生产煤窖，各煤窜所采煤层主要

7、以2-2上和3-1为主，其所采取的开采方式以斜井或平硐为主，开采煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩、泥岩等软岩，见图3。通常存在2-3层薄层顶板，难以承受较大的荷载，易发生顶板培落现象。根据工程地质勘探数据，以及岩石实验结果可知，顶底板岩石力学特性：岩石软化系数0.09?0.88，孔隙率较低1.02-22.28%，导致岩石的含水率也很低为0.03-9.89%,岩石在吸水情况下，容易发生软化崩解；弱點结软岩抗压强度普遍较低5.2-14MPa,而其抗拉强度为0.10?5.54MPa,抗剪强度0.27-31.11MPa。弱黏结软岩相对较低

8、的物理力学特性，决定了煤层顶板支护较为困难。..2.2原支护断面与支护参数原支护方案下，色连二矿运输顺槽的断面形状釆用矩形断面，净断面尺寸为：净宽X净高=5000mmx2600mm，断面面积为13m2;(1