薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制

　第43卷第10期煤　　炭　　学　　报Vol.43　No.10　　2018年10月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYOct.　2018　移动阅读余伟健,吴根水,刘海,等.薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制[J].煤炭学报,2018,43(10):2668-2678.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0240YUWeijian,WUGenshui,LIUHai,etal.Deformationcharacteristicsandstabilitycontrolofsoftcoal-rockminingroadwayinthincoalseam[J].JournalofChinaCoalSociety,2018,43(10):2668-2678.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0240薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制余伟健1,2,吴根水1,2,刘　海3,王　平1,2,安百富1,2,刘　泽1,2,黄　钟1,2,刘芳芳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.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭　411201;3.广西百色百矿集团有限责任公司,广西百色　533000)摘　要:针对百色矿区薄煤层开采条件下半煤岩巷道大变形及难控制等问题开展了一系列研究工作。首先,在巷道工程资料与数据的基础上,开展了薄煤层回采巷道工程地质特征的分析,发现薄煤层巷道围岩地质构造普遍较为复杂,岩体完整性差;现场监测了回采巷道围岩的变形全过程,分析了掘巷影响阶段、掘巷影响稳定阶段和工作面回采期阶段等时期的围岩工程行为及变形特征。然后,根据所收集的岩样和自制的煤岩组合体试样,分别进行了点载荷强度和不同高度比的煤岩组合体力学强度试验,结果表明,此类岩石力学强度较低,煤体与岩体破坏呈不均匀性。最后,在现有的理论基础上,分析了半煤岩巷道的滑移机制,推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程,根据锚索的挤压承载和锚杆抗剪作用机理等阐明了软弱半煤岩巷道控制原理和支护要点,提出了以“顶板预应力长锚索+帮高刚度桁架锚索”为主体的“锚、网、索、梁”整体支护技术。支护试验表明:所提出的支护技术对于半煤岩巷道的控制效果较好,围岩变形在可控范围之内。关键词:薄煤层开采;半煤岩巷道;岩石力学;稳定性控制;巷道支护中图分类号:TD322;TD353　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2018)10-2668-11收稿日期:2018-02-24　　修回日期:2018-06-09　　责任编辑:郭晓炜　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(51574122,51434006,51474104)　　作者简介:余伟健(1978—),男,江西都昌人,教授,博士,博士生导师。E-mail:[e-mail]sticsandstabilitycontrolofsoftcoal-rockminingroadwayinthincoalseamYUWeijian1,2,WUGenshui1,2,LIUHai3,WANGPing1,2,ANBaifu1,2,LIUZe1,2,HUANGZhong1,2,LIUFangfang1,2(1.HunanProvincialKeyLaboratoryofSafeMiningTechniquesofCoalMines,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan　411201,China;2.SchoolofResource&EnvironmentandSafetyengineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan　411201,China;3.GuangxiBaiseMiningBureauCo.,Ltd.,Baise　533000,China)Abstract:Inordertoovercometheproblemsoflargedeformationanddifficultcontrolofsurroundingrockinsemicoal-rockroadway,thedeformationmechanismandstabilitycontrolwerestudiedbasedonthethincoalseaminBaiseAre-a.Firstly,onthebasisofdatacollectionanddatasorting,theengineeringgeologicalcharacteristicsofthincoalseamminingroadwaywereanalyzed.Itwasfoundthatthegeologicalstructureofthincoalseamminingroadwayisgenerallycomplexandtheintegrityofsurroundingrockispoor.Duringthewholeprocesscurveofsurroundingrockdeformation,theengineeringbehaviorsanddeformationcharacteristicsofsurroundingrockwereanalyzedintheinitialroadwayex-cavationinfluencestage,roadwayexcavationstabilitystageandworkingfacerecoverystage.Then,accordingtothecol-lectedrocksamplesandtheself-madecoal-rockcombinationsamples,themechanicalstrengthexperimentsofcoal-第10期余伟健等:薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制rockcombinationwithdifferentpointloadstrengthsanddifferentheightratioswerecarriedoutrespectively.Theexper-imentsshowthattherockwithlowmechanicalstrength,andthefailurelawofcoalandrockmassisdifferent,showinginhomogeneousdeformation.Finally,theslipmechanismofsemicoal-rockroadwaywasanalyzed,andtheconstitutiveequationsofinterlayerslipandtheinstabilityofsurroundingrockwerederived.Thecontrolprincipleandsupportingpointsofweaksemicoal-rockroadwaywereexpoundedaccordingtotheextrusionbearingofcableandtheshearactionofbolt.Theoverallsupporttechnologywithanchor,net,cableandbeamwasproposed,whichismainlycomposedofroofpre-stressedlongcableandhighrigiditytrusscable.ThesupporttestprovesthattheproposedsupporttechnologyhasagoodapplicationeffectinNo.2406roadwayinDongsuncoalmine,andthedeformationofsurroundingrockcanberestrainedwithinacontrollablerange.Keywords:thincoalseammining;coal-rockroadway;rockmechanics;stabilitycontrol;roadwaysupport　　目前,由于能源输送、市场供求及国家战略等因素,南方地区的煤矿在今后一定时期内还需要向地方输送煤炭资源,助力地方经济的发展。但从煤层赋存的地质条件来看,相对于北方煤炭基地,南方地区的煤层绝大多数为2m及以下的薄及中厚煤层,开采难度大,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,然而,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。虽然,南方各矿区的薄煤层开采技术推广和应用了综合机械化,但随着地质条件复杂程度和开采范围的加大,受开采影响煤岩巷道大变形始终困扰着各矿区,且问题越来越突出,导致大型开采设备的运输和运转都变得十分困难。半煤岩体巷道的岩层或煤层占整个掘进工作面面积的1/5~4/5,直接服务于采区或工作面等的运输、行人和通风工作,持续受到多次开采扰动影响,加上巷道围岩本身力学强度低,其变形量大、变形时间长,直接导致了支护结构失效和巷道失稳,极大地增加了维护与返修成本,严重影响了南方各中小型煤矿实现机械化和安全高效开采的进展。近年来,在半煤岩巷道方面的研究,有学者进行了较为深入的分析,例如:金淦等[1]针对深部半煤岩回采巷道围岩结构的非连续性及变形破坏的非协调性,认为巷道开挖后在煤层位置处的巷道帮部变形破坏较大,而且随着煤层倾角的增加,巷道主应力差值集中区逐渐向帮部转移;罗吉安等[2]深入剖析了半煤岩巷道在围岩结构、力学性质及围岩变形、破裂等层面上的不连续性,研究了基于结构面粗糙度系数估算的煤岩体结构面强度以及相关材料参数选择方法;王猛等[3]阐明了半煤岩巷道的煤帮为薄弱环节,指出巷道维护的关键在于控制煤岩结构面的层间剪切滑移变形;种照辉等[4]认为水对煤岩互层的弱化程度是造成顶板表面、深部位移、高帮顶板下沉量以及两帮移近量变化大的最敏感因素;程园新等[5]研究了煤岩界面的自动识别技术,利用Bruggeman有效介质理论,建立基于煤含量检测的煤岩分界模型;左建平等[6-7]也开始针对煤岩块的岩石力学性质进行一些实验研究,结果表明围压作用下煤-岩组合体压密阶段较短,具有明显的线弹性及塑性屈服阶段,煤样破坏主要以单斜面剪切破坏为主。以上工作主要针对煤岩体巷道围岩的变形与失稳等进行了理论、实验和现场等的研究工作,在指导工程实际中发挥了重要作用,为岩石力学与岩层控制等领域的进一步研究提供了基础。但是,研究中也发现有关于专门针对复杂地质条件下的煤岩体巷道(半煤岩巷道)围岩力学机制和失稳并未形成较为系统的观点,尤其是应用于能指导工程的成熟理论尚不多见。因此,以百色矿区典型软弱半煤岩体巷道为对象,开展研究工作。目的是突出半煤岩的变形特征及机制,分析此类巷道与全煤或全岩巷道围岩变形与稳定性控制的差异性,并提出相应的控制技术。1　软弱煤岩体回采巷道的工程特性1．1　半煤岩巷道工程地质特征针对百色矿区薄煤层开采巷道进行了大量调研,回采巷道工程地质条件普遍具有如下特征:(1)地质构造复杂,小断层众多,岩体原生裂隙发育。百色煤田为一不对称的第三系内陆向斜盘地,地层时代属新生代晚始新世至渐新世,地质构造复杂,褶曲分布较为广泛,大都为宽缓的倾伏背斜或倾伏向斜;另外,小断层频繁,破坏了煤层的连续与完整性,地层产状变化较大,出现岩层走向与煤层底板等高线不吻合现象,对开采造成一定困难。根据对东笋四煤三阶段2406回风巷掘进工作面的节理面调查结果,岩体裂隙结构面间距0．12~0．45m,岩体体积节理数Jv为20~35条/m3,围岩体完整系数Kv为0．19左右,整体强度较低。9662煤　　炭　　学　　报2018年第43卷(2)形变压力较大,尤其是水平应力的影响。针对东笋四煤三阶段