急倾斜煤层跨采底板动压巷道支护技术研究

牟建 罗明国

目前我国在矿井开拓部署和采区巷道布置方面，各矿普遍采用的分层开拓、分层布置采区的方法，逐步地改为集中开拓、联合布置采区的方法，这样就出现集中开拓大巷和采区集中上（下）山等底板岩石集中巷。现阶段对跨采动压巷道围岩破坏机理及巷道支护技术已经有了许多研究，也取得了许多成果。但这些成果并不能解决所有动压巷道的稳定性问题，受多次采动影响的巷道的变形及失稳情况与许多因素有关，不能用普适理论来解决这些问题。通过对跨采底板巷道围岩穩定性分析及控制技术研究，开展代池坝煤矿锚杆支护与加固技术与工艺改革，促进高强锚注支护技术配套性日臻完善，对整个矿区急倾斜煤层跨采底板巷道支护具有重要的意义，同时实施无煤柱护巷跨采不仅可以提高煤炭资源回收率，改善巷道的维护条件，而且对于降低巷道掘进率，改善矿井生产系统也有重要意义。

1主要研究内容、技术指标和技术路线

1.1主要研究内容

项目拟采用现场调研与测试、理论分析、数值模拟、工业性试验等综合研究方法，研究分析巷道应力分布规律，巷道围岩变形破坏特征，通过对+320东大巷巷道矿压显现规律研究和数值模拟研究，针对性提出急倾斜煤层跨采底板动压巷道围岩控制方案，并在+320东大巷中开展工业性试验和相关矿压观测验证工作，最终形成急倾斜煤层跨采底板动压巷道支护技术体系用于进一步推广应用。具体研究内容为：

（1）跨采动压巷道矿压显现规律研究

急倾斜煤层跨采底板动压巷道矿压显现规律分析评判研究对象自身条件和力学响应特性的过程，是进行巷道围岩矿压治理研究工作的基础，主要内容包括现场地质工程条件调查和资料收集分析、围岩结构与力学特征测试分析、围岩应力环境实测与评估、支护材料锚固特性评估和研发选型等内容。

通过对急倾斜煤层跨采底板动压巷道矿压显现规律研究获得本项目研究的基础资料，掌握巷道围岩稳定性控制的主要影响因素，指明原支护方案存在的问题和解决思路，为下一步进行数值试验研究和巷道初始支护设计打下坚实的基础。

（2）数值模拟试验研究

基于现场调查和地质力学评估结果利用FLAC3D数值模拟软件深入分析工作面回采等引起的矿山应力变化趋势和规律，巷道支护方案对巷道稳定性的影响程度和对比分析，为巷道支护初始设计提供依据。

急倾斜煤层跨采底板动压巷道支护设计进行的数值模拟试验研究，主要内容包括：急倾斜煤层跨采底板动压巷道矿压显现规律、上部工作面回采期间巷道变形规律及特征、跨采底板动压巷道支护方案对比优化试验研究等。

（3）锚注支护机理研究

基于急倾斜煤层跨采底板动压巷道岩体变形破坏规律，以及锚注岩体力学性质变化特征，结合FLAC数值模拟分析结果，得到回采期间锚注支护巷道变形及应力分布特征，分析支护材料强度、长度、布置方式、浆液类型等参数对巷道围岩的控制效果，进而揭示锚注支护材料作用原理以及高强锚注加固机理。

（4）支护材料的研发与选型

针对急倾斜煤层跨采底板动压巷道围岩力学性质及生产技术条件，研究注浆支护材料合理的初锚力及匹配的锚固长度，确定适用的注浆支护材料长度、初锚长度、预紧力等参数，并进行现场试验优化，满足跨采动压巷道围岩控制技术要求，并具有高强度、高延伸率、高锚固力、低成本等特点，满足巷道长期使用的支护要求。

（5）锚注支护初始方案和工业性试验研究

基于现场调研和地质力学评估结果，结合数值模拟分析结论，提出急倾斜煤层跨采底板动压巷道初始锚注支护方案，包括材料选型、支护参数、施工工艺和技术要求等，并开展工业性试验研究，对施工设备的适应性和配套性进行试验改进，对锚注施工工艺进行现场技术指导和培训，并根据矿压观测对比分析，及时调整和修正支护初始方案。

（6）矿压观测与信息反馈

利用先进成熟的矿压观测技术手段，包括巷道表面变形监测、围岩深部变形监测、围岩结构破坏观测等，对工业试验段巷道进行矿压监测和支护效果评价，作为评估和优化巷道初始支护设计的重要依据。同时对施工工艺和支护参数进行现场指导和与工业性验证，及时发现存在的问题，优化调整支护方案，进而形成正式支护设计。

1.2技术指标

（1）掌握急倾斜煤层跨采底板动压巷道矿压显现规律。

（2）根据不同围岩条件针对性提出科学合理、技术科学的锚注支护方案。

（3）开展巷道锚注支护工业性试验，试验巷道长度不小于100m，技术推广应用不低于400m。

（4）试验巷道安全可靠，满足上部工作面回采期间使用要求，返修率不超过10%。

1.3技术路线

本项目根据+320东大巷现场工程地质条件，拟开展地质力学条件调研评估，借助现场资料分析、实验室物理力学试验、数值模拟分析等手段，掌握矿压显现规律，系统开展试验巷道围岩控制技术研究，通过各种参数的调整和理论分析确定+320东大巷锚注支护初始方案，形成以预应力全长锚固为基础的动态支护技术体系，开展工业性试验，通过现场工业性试验和大量的现场观测包括深部位移观测、支护体受力观测对初始方案进行验证和修正，便于形成正式支护方案。进而形成示范工程以供进一步推广应用。

2.项目实施的可行性分析

2.1现有基础与技术条件

（1）研究人员基础及技术条件

广旺公司具有专业的巷道掘进和维护队伍和技术力量，在巷道支护方面积累了丰富现场经验。同时参与了多个科研项目，具有较高理论水平和专业知识，对完成本项目提供了有力的保证。

代池坝煤矿具有多年成功生产经验和坚实的技术基础，形成了一批知识面广、作风扎实、年富力强的技术工作者，在长期的开采实践中，积累了丰富的实践经验，具有与项目所列设备相配套的先进的技术装备条件，相关工作人员具有丰富的开采实践经验和现场技术管理经验，具有高素质的管理队伍和经验丰富的施工队伍，能提供现场试验所需的人员、场地、材料和机具。

山东安科公司主要从事煤矿井巷支护和岩土工程加固领域的技术服务、产品研发与生产。有一支专业化、富有现场经验的技术队伍，可从事煤矿原岩应力实测、开采引起的地应力变化监测、井巷支护和加固设计、煤柱留设、沿空掘巷（留巷）等技术服务。公司配有国际先进的地应力实测与监测设备，声波探头多点位移计、钻孔窥视仪、应变仪监测仪器和最新版本FLAC3D数值模拟软件，可承担大型岩层控制领域的课题。公司自成立以业，先后完成了三项国家级的重点课题和几十项技术服务项目。

同时，公司针对我国煤矿开采埋藏深、地質条件复杂积极进行研发新型支护材料和配套施工设备，具有8项国家专利。公司巷道支护产品主要有三类，十几种。一是新型煤矿巷道支护材料：主要有高强树脂锚杆、左旋连续螺纹树脂锚杆、中空注浆锚杆、中空锚注矿用锚索、U形和M型钢带;二是煤矿巷道支护施工机具：主要有高压风动注浆系统、锚索张拉机具和风动油泵、搅拌器。三是煤矿巷道监测仪器：主要有顶板离层监测仪、测力锚杆、锚杆/锚索测力计、钻孔窥视仪等。

在巷道矿压治理方面，课题组多年来一直秉承“驻守工程现场，解决实际问题”的理念，研究人员长期驻守工程现场，年均在矿现场科研时间超过300天。该团队在现场一线与技术、施工人员共同跟班，密切交流，及时发现现场问题，亲手指导设计及施工方案，引导矿方人员对施工材料、工艺、技术体系进行熟练掌握，并根据现场具体情况不断优化完善技术方案，指导进行验收及质量控制规范的制定，与矿方科技部门、施工区队建立了“产学研管-协同创新”联动机制，达到了合作多赢的效果。以上均表明，在研究人员条件方面，可为本项目提供有力的技术支持与指导。

（2）实验室技术条件

山东安科公司与山东大学岩土与结构工程研究中心长期合作，具有较为齐全的试验场地和试验设备，拥有深部巷道围岩分区破裂机理模拟试验装置，实验测试采集分析系统有高速静态应变采集分析系统、柔性光栅微型多点位移采集分析系统等。室内实验和模型试验仪器设备有多功能锚固试验机、电液伺服试验机（英国）、万能试验机（德国）、美国MTS815试验机、3000KN刚性三轴岩石试验机和RC-1000KN伺服控制三轴应力温度渗流耦合流变仪，多通道定位声发射仪（PCI-8美国）。

山东安科公司具有现场监测仪器设备有多点位移计、矿井钻孔窥视成像仪和地应力监测仪器等。在围岩分析软件方面，课题组已经具有多种国内外最新的分析软件如FLAC3D等商业程序及自行开发的可用于节理岩体的三维断裂损伤模型的分析程序，该程序内包括分析效果更好的断裂损伤锚固件模型的子程序，在国内外具有领先水平。上述这些软件都可进行岩体变形破坏分析。此外，本课题组还有力量开发一些新的子程序来弥补上述分析软件的不足。

因此，从研究基础、实验室条件、人员配备、仪器设备来看，课题组具备实施研究方案所需的研究基础与条件。同时，矿山重视自主创新，在煤炭生产的各个环节投入了大量的人力、物力资源，为项目的顺利实施提供了有力的保障。

2.2项目分工及保证体系

本项目由四川广旺能源发展（集团）有限责任公司代池坝煤矿与山东安科矿山支护技术有限公司完成。双方分工如下：

（1）四川广旺能源发展（集团）有限责任公司代池坝煤矿

①提供生产地质资料等基础资料;

②组织实施和参与有关资料和数据的实测统计工作;

③负责技术方案的实施和安全管理;

④参与技术总结报告的编写，组织验收;

（2）山东安科矿山支护技术有限公司

①参与现场资料的收集与整理工作;

②负责地应力措施、岩体力学性质的测试;

③负责理论研究、数值模拟等工作;

④负责资料检索和查新;

⑤指导现场工业性试验施工和效果检验评价;

⑥编写研究总报告、完成项目验收。

3市场需求分析及经济、社会效益预测

3.1市场状况与推广应用前景

本项目以巷道稳定性控制理论与技术提供支持为出发点，应用现场实测、物理模拟、数值模拟和理论分析等多种手段，研究解决急倾斜煤层跨采底板动压巷道围岩变形破坏模式及失稳机理、围岩稳定控制技术，并制定急倾斜煤层跨采底板动压巷道锚注支护技术体系，可指导今后矿区其他巷道的支护设计和施工，有助于推动煤矿巷道支护技术的发展，作为一项通用性很强的高新技术，同时具有良好的市场推广前景和经济效益。

（1）增强巷道支护可靠性，保证巷道的正常使用。

预计通过本项目研究，提高支护效能，控制围岩变形，减少返修率，节约综合维护成本，增强支护可靠性，为矿方实现高产高效打下良好基础。

（2）项目创新性强，推广价值大。

本项目研究成果能够形成一套适合跨采动压条件、以预应力全长锚固为基础的动态支护技术体系，通过运用先进的高强全锚技术有利于增强巷道承载性，构建高效支护体系，降低支护综合成本、提高巷道安全性能，项目研究成果的推广应用具有重要的社会效益。

（3）提高支护材料利用率，项目采用的材料对环境无负面影响，促进了矿山节能环保建设。

（4）推动企业科技发展，培养技术人才。

该课题的实施，通过建立科研机构、矿方技术部门与施工区队人员的产学研管协同创新联动平台，培养一批技术人才，对促进企业发展有重要意义。

随着矿井开采深度的增加，深部巷道支护问题越来越突出，需要采用锚注支护和加固的巷道会越来越多，同时项目研究成果可用于沿空留巷、沿空掘巷、巷道修复等复杂困难条件下的支护或加固，推广应用前景十分广阔。

3.2经济、社会效益分析

通过本项目的研究，形成一套适应代池坝煤矿急倾斜煤层跨采底板动压巷道支护技术体系，继而降低矿井生产经营成本，实现巷道掘进的降本增效及技术经济一体化，保障矿井安全高效生产，取得显著的技术经济效益和社会效益。因此，本项目的研究预计可取得了显著的技术经济效益和社会效益。

（1）根据+320东大巷所处的应力环境和围岩条件，制定针对性的切实可行的锚注支护加固方案，对比巷道变形控制效果，使代池坝煤矿急倾斜煤层跨采底板动压巷道支护状况大为改善。

（2）采用先进的支护技术，大幅降低巷道维护工作量，为工作面快速推进和提高生产效率创造条件。

（3）本项目的研究实施，可降低巷道支护和维护总费用20%以上，改变长期以来锚网索支护的模式，直接效益显著。

（4）采用高强锚注支护技术提高了巷道支护的安全可靠性，改善了井下工人的工作环境、降低了工人的劳动强度，稳定了职工的情绪，调动了职工的积极性，保证了矿区经济效益的提高。树立了煤矿的良好形象，增强了煤矿工人的安全感与自豪感，社会效益显著。

（5）采通过本项目的研究，对矿山支护技术进行改革，使巷道支护技术在现有基础上跃上一个新的台阶。