專題-三軟煤層綜采工作面圍巖控制技術(shù)

專題部分三軟煤層綜采工作面圍巖控制技術(shù)摘要：隨著我國(guó)煤炭開采向深部發(fā)展，在煤礦“三軟”（頂板軟、底板軟、煤層軟）問題越來越突出?！叭洝泵簩訃鷰r屬于差異性很大的非均質(zhì)層狀賦存,圍巖難以形成承載結(jié)構(gòu),工作面冒頂片幫頻繁、頂板下沉嚴(yán)重、支架陷底情況特別突出，并且巷道收斂強(qiáng)烈。這些礦山壓力顯現(xiàn)，易造成生產(chǎn)及人身安全事故，生產(chǎn)效率很低，直接影響礦井的安生生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。本文以平五礦已1723130綜采面為研究背景，運(yùn)用薄板理論分析了初次來壓前頂板結(jié)構(gòu)的受力情況，得到了頂板撓度、應(yīng)力的表達(dá)式，運(yùn)用斷裂力學(xué)及巖石力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，將頂板的破壞看作、型裂紋以及壓縮失效等共同作用的結(jié)果，得到了三軟煤層綜采工作面推進(jìn)過程中頂板和煤壁動(dòng)態(tài)受力規(guī)律以及裂紋的擴(kuò)展方向和特征。分析了“三軟煤層”工作面冒頂、片幫的機(jī)理，根據(jù)三軟煤層綜采工作面推進(jìn)過程中的頂板和煤壁動(dòng)態(tài)受力規(guī)律以及裂紋的擴(kuò)展方向和特征，以及木錨桿與圍巖的相互作用模型, 設(shè)計(jì)了“三軟煤層”工作面頂板、煤壁的加固方案，并優(yōu)化了施工工藝。以木錨桿作為主要支護(hù)措施，在局部破碎嚴(yán)重地段注馬麗散，進(jìn)行煤巖固化，改善煤巖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)煤巖承載能力，達(dá)到控制工作面冒頂和片幫的效果，并采取優(yōu)化回采工藝和完善上端頭支護(hù)的措施。關(guān)鍵詞：三軟煤層 冒頂 片幫 圍巖加固 破碎機(jī)理1 研究目的和意義煤炭作為我國(guó)的主要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略地位。長(zhǎng)期以來，煤炭消費(fèi)在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中的比例始終保持在70%以上。2006 年，我國(guó)煤炭產(chǎn)量已達(dá)23.8億噸。根據(jù)專家預(yù)測(cè)，為保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展，2020 年、2050 年的原煤產(chǎn)量及占一次性能源的比重分別是25億噸、2628億噸及68%，50%左右。隨著煤炭資源的連續(xù)開采，淺表部煤炭資源越來越少，開采作業(yè)不得不向地下深部轉(zhuǎn)移，在90年代全國(guó)立井的平均深度以達(dá)600米，目前正以10米/年的速度向深部發(fā)展。同種巖石，在淺部表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)性質(zhì)，而在深部表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特性，具有大變形、大地壓、難支護(hù)的特點(diǎn)。所以隨著我國(guó)煤炭開采向深部發(fā)展，軟巖工程、軟巖問題也越來越突出。在煤礦軟巖問題中，比較突出的問題是“三軟” （頂板軟、底板軟、煤層軟）問題。我國(guó)有許多軟巖礦區(qū)（如沈北、舒蘭、龍口、平頂山、豐城、徐州等礦區(qū)）和一些礦井, 其中不少礦井開采“三軟”條件下的煤層?！叭洝?煤層圍巖屬于差異性很大的非均質(zhì)層狀賦存,表現(xiàn)為圍巖難以形成承載結(jié)構(gòu), 強(qiáng)烈的圍巖不均勻的整體下沉, 一方變形失穩(wěn), 必然導(dǎo)致另一方失穩(wěn), 形成惡性循環(huán)。在煤炭的開采過程中易造成工作面冒頂片幫頻繁、頂板下沉嚴(yán)重、支架陷底情況特別突出，并且巷道收斂強(qiáng)烈。這些礦山壓力顯現(xiàn)，易造成生產(chǎn)及人身安全事故，生產(chǎn)效率很低，直接影響礦井的安生生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。平煤集團(tuán)五礦己17煤層煤體松軟，頂板為復(fù)合層頂板，底板為遇水軟化的泥巖，是比較典型的“三軟”煤層。該煤層已1723130綜采面開采過程中出現(xiàn)了如下問題：（1）頂板條件差，嚴(yán)重制約采面的產(chǎn)量該礦已1723130綜采面設(shè)計(jì)日正規(guī)循環(huán)數(shù)6個(gè)，循環(huán)產(chǎn)量589.88t，月推進(jìn)86.4m，月產(chǎn)量8.49萬t。但由于受采面冒頂、片幫的影響，該面實(shí)際產(chǎn)量為3萬t/月左右。導(dǎo)致采面設(shè)備利用率低，噸煤成本大幅增加，難以完成工作面的預(yù)定產(chǎn)量，影響了全礦產(chǎn)量。（2）采面安全管理難度大由于工作面推進(jìn)速度慢，工作面一直處于高應(yīng)力區(qū)，兩巷變形量大，影響正常的通風(fēng)行人，安全生產(chǎn)條件差，巷道維護(hù)量大，增加了采面安全管理難度。（3）工作面增加了防煤層自燃工作環(huán)節(jié)由于工作面所采的己16、己17煤合層煤有自然發(fā)火傾向，受工作面推進(jìn)速度太慢的影響，煤層自燃危險(xiǎn)大大增加。針對(duì)上述問題，該礦采取了如下治理措施：由于所采煤層為己16、己17煤合層煤，而己16煤穩(wěn)定性較直接頂好，采取了留0.8m頂己16煤來控制直接頂?shù)拿奥?；支架上方鋪金屬網(wǎng)，控制架間頂板的冒落，保證采面人員等的安全；對(duì)冒落區(qū)域的頂板，及時(shí)處理，防止冒落范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。為防止自燃，不得不采取工作面撒阻燃劑，上下隅角封堵等措施，不僅增加了工作環(huán)節(jié)，而且提高了噸煤成本。盡管上述措施對(duì)控制頂板冒落起到了一定的效果，但并未從根本上解決已1723130綜采面的冒頂、煤壁片幫問題，冒頂范圍沒有明顯的減小，且施工難度較大；此外，留設(shè)的頂煤有可能造成自然發(fā)火，為礦井安全形成新的隱患。因此研究一種適合“三軟”煤層的煤（巖）體的加固技術(shù)，加大工作面推進(jìn)度，提高工作面單產(chǎn)十分必要。本文以該礦已1723130綜采面為研究背景，研究“三軟”煤層工作面冒頂、片幫的治理措施。擬通過該技術(shù)的研究，提高礦井煤炭資源的采出率和已1723130采面產(chǎn)量，增大生產(chǎn)安全系數(shù)，對(duì)平五礦的高產(chǎn)高效發(fā)展具有極大的現(xiàn)實(shí)意義；同時(shí)，為同種條件下煤層的開采提供借鑒。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，對(duì)“三軟”煤層頂板破碎的理論研究，多從松軟巖體性質(zhì)、應(yīng)力及工程分析角度作為切入點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的方法，通過分析“三軟”煤層條件下回采工作面的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及特征，以此確定采面的支架型號(hào)、支護(hù)原理和支護(hù)方法，而對(duì)頂板破碎機(jī)理的研究較少。另外，學(xué)者對(duì)采用錨桿加固圍巖的機(jī)理做了大量的研究，主要形成的理論有：（1）河海大學(xué)張發(fā)明等對(duì)巖質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨固的力學(xué)行為及群錨效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，詳細(xì)分析了錨固體的剪應(yīng)力、軸力的傳遞特征，得到了不同預(yù)應(yīng)力值下的應(yīng)力變化規(guī)律，提出了巖質(zhì)高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固的群錨第一效應(yīng)和第二效應(yīng)的概念。通過對(duì)巖錨現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論： 內(nèi)錨固段軸力和剪應(yīng)力的分布具有極其不均勻性，靠近外端，應(yīng)力集中系數(shù)大，外端2. 0m范圍內(nèi)的應(yīng)力占全長(zhǎng)應(yīng)力的80%以上，表明增加內(nèi)錨固段長(zhǎng)度并非是增加錨固力的最佳途徑； 群錨加固效應(yīng)反映最明顯的是靠近錨固段的壓縮效應(yīng)，預(yù)應(yīng)力改善巖體的性質(zhì)向巖體內(nèi)部的擴(kuò)散與巖體的性質(zhì)、預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)。（2）中科院武漢巖土所的葛修潤(rùn)進(jìn)行了加錨節(jié)理面抗剪性能試驗(yàn)。該試驗(yàn)通過室內(nèi)模擬和理論分析，探討了錨桿對(duì)節(jié)理面抗剪性能的影響及錨桿體阻止節(jié)理面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的“銷釘”作用機(jī)制，提出改進(jìn)了的估算加錨節(jié)理面抗剪強(qiáng)度公式。試驗(yàn)結(jié)果表明：加錨節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度隨剪切位移的增加而增大，即使不大的剪切位移就能使錨桿體的抗剪作用得到充分發(fā)揮。另外錨桿傾角對(duì)加錨節(jié)理面抗剪強(qiáng)度有重大影響。（3）劉波等對(duì)錨桿拉剪大變形應(yīng)變進(jìn)行了研究，采用基于S-R定理的大變形理論，動(dòng)用拖帶坐標(biāo)描述法，研究了錨桿在節(jié)理巖石中的拉剪局部大變形行為，推求了錨桿大變形應(yīng)變的計(jì)算公式，得出了錨桿拉剪應(yīng)變分量的理論規(guī)律，指出可以通過位移量測(cè)確定錨桿變形與內(nèi)力，由多種巖石加錨剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該理論方法的可靠性。（4）鐘新谷等對(duì)支護(hù)巷道的全長(zhǎng)錨固錨桿的橫向作用作了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和研究，認(rèn)為由于錨桿變形與圍巖不一致，錨桿必然在垂直于錨桿軸向方向產(chǎn)生類似于抗滑樁的繞流阻力阻止圍巖垂直于錨桿軸向方向的移動(dòng)趨勢(shì)，并且指出在軟巖支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮錨桿橫向阻抗作用。（5）侯朝炯對(duì)巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度機(jī)理進(jìn)行了研究，他們通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論研究，研究了巷道錨桿支護(hù)對(duì)錨固范圍巖體峰值強(qiáng)度和殘余峰值強(qiáng)度的強(qiáng)化作用以及對(duì)錨固體峰值強(qiáng)度前后的、值等力學(xué)參數(shù)的改善，分析了錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化后對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度。（6）楊松林等對(duì)混凝土中錨桿荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，指出了兩者產(chǎn)生明顯差別的原因以及理論的適應(yīng)范圍，并通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的討論，闡明了錨桿表面形態(tài)對(duì)混凝土與錨桿交界面抗剪強(qiáng)度的決定作用。得出混凝土中錨桿授到張拉荷載時(shí)，其應(yīng)力影響范圍非常有限，傳力深度不大，遠(yuǎn)小于實(shí)際工程中步苗桿的設(shè)置長(zhǎng)度:在螺紋鋼筋與混凝土的交界面遭到破壞時(shí)，由于螺紋鋼筋表面形態(tài)的影響，使得錨桿側(cè)剪應(yīng)力的強(qiáng)度決定于分界面的剪脹效應(yīng)，而不是分界面的粘結(jié)力。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不滿足徑向和縱向變形協(xié)調(diào)這兩個(gè)理論分析前提，而且在張拉過程中荷載并不嚴(yán)格沿錨桿軸線，因此造成了理論結(jié)果與實(shí)際值的明顯差別。如何計(jì)算螺紋鋼筋與混凝土交界面的剪脹角和定量考慮剪脹效應(yīng)，有待進(jìn)一步研究。3 已1723130綜采面生產(chǎn)地質(zhì)條件3.1煤層頂?shù)装鍘r性該采面走向N45W，傾向N45E，傾角1418，斜長(zhǎng)231m。煤層為己16、己17合并煤層，煤層傾角1418，煤層厚度在3.54.5m之間，上部己16煤為塊狀、片狀；下部己17煤為片狀、末狀，質(zhì)軟，且兩層煤之間有0.20.6m厚的夾矸。煤的堅(jiān)固性系數(shù)f12，屬于較軟煤層。煤巖層力學(xué)指標(biāo)見表3-1。3.2地質(zhì)構(gòu)造與水文條件該采面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，機(jī)、風(fēng)巷、切眼在施工的期間共遇到大小斷層12條，落差在1.56.0m之間，對(duì)回采均有一定的影響。且由于斷層附近壓力增大，巖石破碎，煤層厚度和傾角會(huì)發(fā)生變化，故影響工作面回采。另外，該采面局部偽頂較發(fā)育或局部頂板有淋水，都給工作面回采帶來不利影響?？梢?，己17-23130采面具有地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力大、煤層松軟、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)。給工作面回采帶來較大的難度，是頂板難以控制的客觀因素。表3-1煤巖層力學(xué)指標(biāo)Table 2-1 The mechanics index of coal seam and strata 力學(xué)特性 巖性厚度/m彈性模量/GPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)磨擦角/密度/t.m-3泊松比細(xì)粒砂巖6305302.70.25砂質(zhì)泥巖2122.8292.650.27己15煤1.641.5271.40.30砂質(zhì)泥巖10122.8292.650.27己16、17煤2.841.5271.40.30泥巖7.2102.4282.60.29節(jié)理真節(jié)理185150.2假節(jié)理180100.23.3地應(yīng)力該采面地面標(biāo)高為+220+478m，井下標(biāo)高為-393-478m，埋深為613956m，則上覆巖層所產(chǎn)生的垂直應(yīng)力5.423.9 MPa和水平應(yīng)力6.610.3 MPa。4 已1723130綜采面圍巖破碎機(jī)理分析4.1地質(zhì)條件對(duì)頂板完整性的影響分析該采面井下位于己三采區(qū)下山東翼第四階段，下部機(jī)巷在己15-23151采空區(qū)內(nèi)，上部回風(fēng)巷在己15-23131采空區(qū)內(nèi)，東邊切眼到本采區(qū)邊界煤柱，西邊到本采區(qū)停采煤柱線，故該采面大部分位于己15-23151和己15-23131采空區(qū)內(nèi)。又因己15煤與己16、己17煤之間只有一層平均厚度為4.0m沙質(zhì)泥巖，因受采動(dòng)的影響及地下水的侵蝕，巖體已松散破碎泥化，強(qiáng)度和承載力極低，故直接頂可看為銹結(jié)再生頂，局部為己15煤層及己15煤層頂板泥巖，屬于I類不穩(wěn)定直接頂。直接底為平均厚度2.0m的土灰色泥巖，極易發(fā)生破脹、彎曲、流變等變形。而且該采面局部偽頂較發(fā)育或局部頂板有淋水，所以以上因素均給工作面回采帶來較大的難度，對(duì)頂板的完整性帶來很大的不利影響。4.2頂板結(jié)構(gòu)受力分析4.2.1初次來壓前頂板結(jié)構(gòu)的受力分析破碎頂板工作面開采所遇到的主要技術(shù)難題是頂板的控制管理。破碎頂板在支架支撐力和上覆巖層壓力的共同作用下，很容易在工作面發(fā)生冒落，給工作面安全生產(chǎn)造成威脅，嚴(yán)重影響工作面單產(chǎn)的提高，阻礙了機(jī)械化采煤的發(fā)展。因此，必須掌握頂板冒落的力學(xué)機(jī)理，為破碎頂板的防治設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，破碎頂板工作面端面頂板的允許裸露面積和允許裸露時(shí)間與端面頂板的空頂距、端面頂板的分層厚度、頂板巖體的力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。為了研究探討頂板的允許裸露面積與上述各因素間的相互關(guān)系，當(dāng)頂板的長(zhǎng)和寬遠(yuǎn)大于其厚度時(shí)，兩支架間的頂面頂板結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為四邊固支的彈性矩形薄板，并滿足如下假設(shè)： 頂板巖體為各向同性均質(zhì)體；頂板層間聯(lián)系力為零；不計(jì)體力；頂板承受的均布荷載垂直于頂板，頂板受力模型如圖4-1所示。圖4-1 端面頂板受力模型簡(jiǎn)化后的端面頂板彈性主方向分別取為沿傾向 （x軸）和沿走向（y軸），端面頂板承受均布載荷g0，厚度為Z。頂板的撓度見式4-1。 （4-1）式中，E為頂板巖體的彈性模量，為泊松比，為板的彎曲剛度，Z為板的厚度。對(duì)應(yīng)的應(yīng)力函數(shù)分別見式4-2、4-3、4-4。 （4-2） （4-3） （4-4）將式4-1代入式4-2、4-3、4-4，可得： （4-5） （4-6） （4-7）通過應(yīng)力變換可得主應(yīng)力為： （4-8） （4-9） 頂板的彎矩和應(yīng)力分布情況分別如圖4-2、4-3所示。圖4-2 頂板的彎矩分布圖圖4-3 頂板的應(yīng)力分布圖由上述分析可得如下結(jié)果：頂板周邊應(yīng)力呈拋物線分布，應(yīng)力在矩形長(zhǎng)邊邊緣中點(diǎn)達(dá)到最大值。根據(jù)巖石力學(xué)的破壞準(zhǔn)則，如果按最大主應(yīng)力理論作為巖石破壞的判據(jù)，頂板在長(zhǎng)邊中點(diǎn)處首先因拉應(yīng)力超過頂板巖石的抗拉強(qiáng)度而破壞。頂板應(yīng)力值隨距中心點(diǎn)O的距離呈非線性減??；頂板應(yīng)力隨端面距改變而變化的各點(diǎn)應(yīng)力曲線，應(yīng)力隨推進(jìn)距離的增大而迅速增大；頂板分層厚度越薄，頂板中的應(yīng)力值越大，因而越容易破壞冒落。4.2.2工作面推進(jìn)過程中頂板和煤壁動(dòng)態(tài)受力分析 （1）頂板和煤壁動(dòng)態(tài)破壞機(jī)理由于頂板巖性較軟，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，而且局部偽頂較發(fā)育或局部頂板有淋水，都給頂板的控制造成不利的影響。受采動(dòng)影響，工作面推進(jìn)過程覆巖應(yīng)力不斷作用于圍巖，再加上工作面移架的影響，極易造成工作面冒頂和片幫。圍巖結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)受力示意圖如圖4-4所示。圖4-4 工作面圍巖動(dòng)態(tài)受力示意圖由圖4-4可知，受頂板冒落的影響煤壁附近形成高應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力極易達(dá)到頂板裂隙所需的極限應(yīng)力，造成頂板中的原生裂隙擴(kuò)展，層理、節(jié)理等弱面結(jié)構(gòu)開始發(fā)育。裂隙逐漸擴(kuò)展，相鄰的裂隙擴(kuò)展后相互貫通，頂板形成與煤體分離的板、塊結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部隨著層理的發(fā)育而將產(chǎn)生離層現(xiàn)象，導(dǎo)致頂板失去抗變形的能力，當(dāng)工作面推進(jìn)過程中就會(huì)出現(xiàn)隨采隨冒的現(xiàn)象，且頂板的破碎深度隨著工作面推進(jìn)而周期性冒落，依次行成圖中所示狀的冒落拱。另外，頂板破碎以后覆巖壓力不斷向煤體轉(zhuǎn)移，使得工作面附近煤體由彈性應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性松動(dòng)破壞。在開采過程中，松動(dòng)破壞帶內(nèi)煤壁沿破裂面移動(dòng)，煤體將破碎煤壁向機(jī)道擠壓，若支護(hù)力不足，極易形成片幫。煤壁一旦片幫，新暴露出來的煤壁又在壓力下產(chǎn)生新的破裂和片幫，使破裂帶與片幫深度加大。由上面的分析可知，工作面復(fù)雜的地質(zhì)條件以及覆巖循環(huán)載荷的作用，造成頂板的不斷破壞冒落，由于頂板的冒落將部分載荷轉(zhuǎn)移至煤體，使得煤體受載過大而不斷片幫，隨著覆巖壓力的周期性作用，工作面冒頂、片幫也呈現(xiàn)周期性的破壞，不斷呈現(xiàn)破裂一垮落一再破裂一再垮落的過程。（2）頂板和煤壁受力分析由采場(chǎng)圍巖動(dòng)態(tài)受力圖可知，圍巖結(jié)構(gòu)的破壞形式可以簡(jiǎn)化為裂紋的擴(kuò)展和壓縮破壞的組合過程，下面就這兩種破壞形式分別進(jìn)行分析。設(shè)在結(jié)構(gòu)的端部產(chǎn)生初始微裂紋，其長(zhǎng)度為，則、型裂紋的擴(kuò)展模型分別如圖所示。 、型組合裂紋尖端附近的應(yīng)力及裂紋擴(kuò)展方向分析、型組合裂紋的受力特征如圖4-5所示。圖4-5 、型組合裂紋的受力特征圖由邊界配置法可以得出表達(dá)式為：式中，h為分析模型高度。因?yàn)?，所以可得：同理可得，因?yàn)樾土鸭y尖端附近的極應(yīng)力表達(dá)式為：型裂紋尖端附近的極應(yīng)力表達(dá)式為：所以其疊加后所得的極應(yīng)力表達(dá)式為： 在求解破斷相關(guān)參數(shù)時(shí)，我們以最大周向正應(yīng)力作為頂板破壞的斷裂判據(jù)45，即：當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生裂紋，其中為材料所能承受的最大拉應(yīng)力。由于時(shí)，各值均趨于，所以我們只能求處的極值。由 又時(shí)無實(shí)際意義 決定了裂紋的開裂角，可得：將代入疊加后所得的極應(yīng)力表達(dá)式的可得：圍巖壓縮受力模型如圖4-6所示。圖4-6 圍巖壓縮受力模型由巖石的壓縮性質(zhì)可知，其在受壓過程中呈型剪切破壞，的傾角（剪切破壞面與最大主應(yīng)力面的夾角），其中為巖石的內(nèi)摩擦角46-47。綜上所述，由于圍巖結(jié)構(gòu)在開采過程中受到、型組合裂紋以及壓縮破壞的共同作用，呈現(xiàn)出復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)也比較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)裂紋的擴(kuò)展方向比較有規(guī)律，基本為上述兩個(gè)方向的組合，所以該結(jié)果可為支護(hù)方案設(shè)計(jì)中錨桿的布置方向提供依據(jù)。5 三軟煤層綜采工作面圍巖加固技術(shù)5.1 加固方案設(shè)計(jì)5.1.1 木錨桿加固方案根據(jù)平五礦的采礦地質(zhì)條件，確定木錨桿布置方案為：外端緊貼支架頂梁（前擺梁）前端腹板，里端上仰，仰角30左右雙排布置，水平間距300400mm，與煤壁法線的水平夾角為1520，在頂、幫破碎帶隨煤壁每推進(jìn)1.2m（兩個(gè)正規(guī)循環(huán)）打一茬。木錨桿布置示意圖如圖5-1所示，布置剖面圖如圖5-2所示。圖5-1 工作面木錨桿布置示意圖 （a）木錨桿布置正視圖 （b）木錨桿布置側(cè)視圖圖5-2 工作面木錨桿布置剖面圖5.1.2 注漿加固方案（1）注馬麗散防片幫冒頂機(jī)理馬麗散是一種低粘度，雙組分合成高分子聚亞胺膠脂材料，具有高度粘合力和很好的機(jī)械性能。當(dāng)樹脂和催化劑摻在一起時(shí)反應(yīng)并產(chǎn)生膨脹，本身反應(yīng)或發(fā)泡生成多元網(wǎng)狀密彈性體的特征，當(dāng)它被高壓推擠，注入到煤巖層裂縫（在高壓作用下可以使煤巖層的閉合裂隙張開），可沿煤巖層裂縫延滲直到將所有裂隙（包括肉眼難以覺察的裂隙及在高壓作用下重新張開的裂隙）充填并將兩側(cè)圍巖粘結(jié)在一起，從而有效加固圍巖。將本品注入煤壁或煤壁上方頂板，即可有效控制工作面的片幫與冒頂。馬麗散產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)： 高度成品化。馬麗散屬于高分子反應(yīng)材料，本產(chǎn)品用2530kg塑料桶分裝，運(yùn)輸方便，打開就可使用，方便施工。 運(yùn)輸量小，經(jīng)濟(jì)效果明顯。設(shè)備和原料運(yùn)輸方便，能一次到位，不需要專門的設(shè)備和鋪設(shè)管道。 可四季施工，無污染。馬麗散對(duì)施工地點(diǎn)要求低，只要有風(fēng)源即可，該材料反應(yīng)后，生成惰性泡沫。 壽命期長(zhǎng)、工期短。由于馬麗散具有良好的抗壓能力，經(jīng)得起地層的運(yùn)動(dòng)，具有壽命期長(zhǎng)的特點(diǎn)；同時(shí)馬麗散反映迅速，大大縮短了施工期限，節(jié)約時(shí)間，不影響生產(chǎn)，保證煤礦安全生產(chǎn)進(jìn)度。 施工設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作，同時(shí)馬麗散反應(yīng)迅該產(chǎn)品只需要一臺(tái)專用泵和一支混合槍，施工工藝簡(jiǎn)單易行。（2）加固方案本方案以木錨桿為主要加固措施，在局部破碎嚴(yán)重地段注馬麗散，進(jìn)行煤巖固化，改善煤巖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)煤巖承載能力，達(dá)到控制工作面冒頂和片幫的效果。5.2 頂板、煤壁加固工藝設(shè)計(jì)（1）在施工前將木錨桿全長(zhǎng)浸水6h以上，以增加其的韌性與抗彎能力。（2）采煤機(jī)割煤：采煤機(jī)割煤時(shí)的進(jìn)刀方式采用割三角煤端部斜切進(jìn)刀，進(jìn)刀深度0.6m。采用雙向進(jìn)刀，往返一次進(jìn)割兩刀，即進(jìn)刀深度為1.2m。（3）移架：工作面采用及時(shí)移架支護(hù)方式，移架滯后采煤機(jī)后滾筒35架，追機(jī)作業(yè)，移架步距0.6m。（4）用MZ-1.2型煤電鉆配2.5m長(zhǎng)的麻花鉆與42mm鉆頭，人工打眼，眼深2.2m；（5）打好眼后，隨即將木質(zhì)錨桿全長(zhǎng)浸水，圓端朝里打入眼內(nèi)即成；（6）為保證施工安全，要對(duì)施工地點(diǎn)及周圍頂、幫煤體事先進(jìn)行必要的臨時(shí)維護(hù)，整個(gè)施工期間不得開機(jī)、開溜、距施工點(diǎn)前后各15m范圍內(nèi)不得降架、移架。（7）局部破碎嚴(yán)重地段注馬麗散，其施工工藝為： 施工前的準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備動(dòng)力風(fēng)源要求4-7bar；準(zhǔn)備風(fēng)管，要求直徑1寸，長(zhǎng)度視現(xiàn)場(chǎng)情況而定； 準(zhǔn)備兩根DNl3的高壓管，長(zhǎng)度由泵的擺放地點(diǎn)到施工地點(diǎn)而定；把所有的原料和設(shè)備運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)；在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的安排下進(jìn)行打孔，并配備23名輔助施工人員；準(zhǔn)備清洗劑（兩桶水和一桶機(jī)油）和防護(hù)雨衣以及防護(hù)手套；準(zhǔn)備足夠的棉紗和木楔用來防止原料順裂隙流出造成浪費(fèi)。 施工流程施工流程如圖5-3所示。圖5-3施工流程示意圖把多功能泵及其附件組裝好并把注射槍固定住。注漿前必須試驗(yàn)檢查設(shè)備吸料比例及管路漏風(fēng)情況，符合要求方可開始注漿。開始注漿，把兩根吸料管分別插入馬麗散樹脂和催化劑桶中，活塞在氣馬達(dá)的作用下運(yùn)動(dòng)，由于壓力的作用原料經(jīng)過活塞進(jìn)入輸送管，輸送到注射槍里，通過注射槍注人地層，原料滲入裂隙，進(jìn)而快速反應(yīng)達(dá)到粘結(jié)封堵的目的。當(dāng)該孔注漿結(jié)束時(shí)，停止注漿，用清洗劑（機(jī)油，水）沖洗管路和混合槍。換孔注漿，重復(fù)上述步驟。注漿完畢后，用清洗劑（機(jī)油和水）沖洗多功能泵和附件。 施工工藝注馬麗散樹脂施工工藝：打眼埋設(shè)注漿管安裝封口器用高壓膠管連接注射槍和注漿泵將兩根吸管分別插入裝有馬麗散樹脂和催化劑的桶內(nèi)開泵注漿沖洗機(jī)具停泵拆卸注射槍。使用小型多功能氣動(dòng)注漿泵，采用雙液注漿系統(tǒng)，如圖5-4所示。圖5-4小型多功能氣動(dòng)注漿泵原理圖使用7655風(fēng)鉆套釬打眼，眼孔直徑42mm，孔深8m。每孔注漿量根據(jù)注漿壓力確定，施工時(shí)必須嚴(yán)格控制注漿壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到58MPa或出現(xiàn)大面積漏漿（漏漿量=泵的注入量）時(shí)，即可換孔注漿或停止注漿。封孔時(shí)，只須打孔，在專用設(shè)備作用下進(jìn)行封孔作業(yè)。該原料通過注射管注入到封孔器中，以27l（活塞壓力與風(fēng)壓之比）的壓力將封孔器脹開（直徑在6570mm左右）后原料被注射進(jìn)施工地區(qū)，由于封孔器對(duì)鉆孔周圍施加較大的壓力，與周圍巖煤層緊密結(jié)合，有效地起到了封孔的作用。其次，封孔器在最小壓力為40bar力的作用下脹開能產(chǎn)生100bar以上的壓力，高壓推力將馬麗散沿煤層裂縫延展直到將所有裂隙（包括肉眼難以察覺的裂隙及在高壓作用下重新張開的裂隙）充滿，從而達(dá)到止漏和封堵裂隙的目的。施工工藝如圖5-5所示。圖5-5 注馬麗散支護(hù)施工工藝示意圖注馬麗散樹脂支護(hù)的施工設(shè)備及材料如表5-1所示：表5-1 注漿設(shè)備材料一覽序號(hào)設(shè)備及材料名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量產(chǎn)品來源備注1小型多功能氣動(dòng)注漿泵浩珂?zhèn)ゲ┕?注漿管4分鋼管，長(zhǎng)1.8m30根自備一端加工絲扣，一端每個(gè)隔400mm打一組4mm穿孔3封口器長(zhǎng)350mm30個(gè)具有封堵眼口和逆止閥的作用4注漿鐵管長(zhǎng)lm自備5注射槍1把使液體混合均勻6高壓膠管DNl3自備7馬麗散樹脂每桶30Kg浩珂?zhèn)ゲ┕酒鸺庸套饔?馬麗散催化劑每桶35Kg浩珂?zhèn)ゲ┕?鉆孔布置與注漿參數(shù)利用四點(diǎn)班檢修時(shí)間在每一架支架（1.5m）間距內(nèi)打設(shè)一個(gè)8.0m深的42mm的鉆孔，鉆孔角度以其孔底達(dá)到煤層頂板為宜，采用煤電鉆或風(fēng)鉆、接長(zhǎng)麻花鉆桿打眼，爾后進(jìn)行注漿。注漿壓力控制在58MPa，或達(dá)到使煤墻往外返漿。馬麗散樹脂與催化劑的配合比是，體積比1：1，重量比1：1.17。 施工中出現(xiàn)的問題與采取的措施一是漿液從鉆孔和封口器之間、或迎頭圍巖裂隙中滲透、冒出。二是用水沖洗機(jī)具不徹底造成堵管。采取的措施：根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況，合理地確定封口器埋設(shè)的深度。埋設(shè)前將封口器位置注孔內(nèi)的煤粉塊清理干凈，保證封口器膨脹后與孔壁結(jié)合緊密。對(duì)煤巖滲透出的少量漿液采用棉紗封堵，若冒出漿液過大則要重新布孔重新注漿，確保注漿效果。每循環(huán)注完后要用機(jī)油對(duì)所有的管路進(jìn)行清洗一遍，確保管路無殘留漿液凝固。5.3 優(yōu)化回采工藝和完善上端頭支護(hù)措施5.3.1改進(jìn)綜采工藝由于采煤工藝會(huì)對(duì)頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，所以如何選擇和優(yōu)化適合“三軟”煤層條件下的回采工藝，會(huì)對(duì)控制工作面圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到積極的作用。基于理論分析并據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與觀測(cè)，己17-23130采面綜采工藝需從以下方面改進(jìn)：（1）及時(shí)支護(hù)采煤機(jī)割煤后先移支架，后移輸送機(jī)，為此，支架前柱與輸送機(jī)的電纜槽托架間要預(yù)留一次截深距。移架后護(hù)幫裝置及時(shí)支護(hù)，防止煤壁片幫。有伸縮梁的支架，要及時(shí)伸出伸縮梁，防止冒頂。（2）超前支護(hù)如果采用正常的移架方式維護(hù)不住破碎頂板或煤壁片幫比較嚴(yán)重時(shí)，可采取超前采煤機(jī)進(jìn)行移架，使支架頂梁頂住煤壁，不讓頂板暴露出來而得以提前支護(hù)。（3）帶壓擦頂移架移架時(shí)讓支柱仍保持一定的工作阻力，使頂梁貼著頂板擦頂前移，一定程度上可以減輕移架時(shí)頂板巖層的活動(dòng)，減少由于移架而造成的頂板破壞。（4）挑順山梁割煤后，新暴露的頂板在短時(shí)間不會(huì)冒落，只是在支架卸載前移時(shí)才可能冒落，這樣就可以采用挑順山梁的辦法，先移頂板較完整處的支架。移架時(shí)在前梁上，沿平行工作面方向放置12根（長(zhǎng)34）的木梁，以便挑住附近不完整的頂板，然后再移附近頂板破碎處的支架。（5）架走向棚當(dāng)工作面頂板隨采隨落，冒落的面積又較大時(shí)，用挑順山梁的方法來不及支護(hù)，而且頂板條件也不允許把前梁降下來放順山梁，在這種情況下，可以在相鄰支架間超前架設(shè)“一梁二柱”或“一梁三柱”走向棚，在走向棚下面再架設(shè)1架2架臨時(shí)順山抬棚。順山棚梁應(yīng)同時(shí)托住三架走向棚梁，這樣就可將走向棚及順山抬棚的支柱撤出，相鄰支架在順山梁和走向梁的保護(hù)下前移。（6）架走向梁在煤壁靠頂板處挖梁窩，將走向梁的一端架在煤壁上，另一頭架在支架的頂梁上。如果煤壁容易片幫，則煤壁上不適宜或不能挖梁窩，這時(shí)可靠近煤壁側(cè)打一臨時(shí)貼幫柱。（7）鋪金屬網(wǎng)在支架頂梁上鋪金屬網(wǎng)，這是管理破碎頂板的有效辦法。當(dāng)煤壁前控頂范圍內(nèi)的頂板破碎時(shí)，為保證支架順利前移，頂網(wǎng)能順利展開，也可在金屬網(wǎng)下架走向梁，由走向梁預(yù)先托住頂板，讓支架在走向梁及金屬網(wǎng)的掩護(hù)下前移。（8）局部冒頂?shù)奶幚碓谄扑轫敯鍡l件下，如果頂板管理不及時(shí)，很容易發(fā)生局部冒頂。如果冒頂高度和范圍較大時(shí)，不及時(shí)處理就無法繼續(xù)生產(chǎn)，必須立即處理。如果在支架頂梁上方冒頂，待停止后，在支架前方打探板后再往頂梁上打木垛來處理。打木垛前，先在支架頂梁上打臨時(shí)支柱支撐頂板，以保證打木垛人員的安全，清除浮矸、浮煤后就可打木垛，木垛要直貼頂板，使頂板得到支撐。如果直接頂沿煤幫冒落，而且冒落區(qū)矸石沿煤幫繼續(xù)下流，用探板支護(hù)有困難時(shí)，則可采用打撞楔的辦法處理。木楔的前端要削尖，長(zhǎng)度要一樣。打撞楔前，先在冒頂處架設(shè)順山棚子，把木楔放在棚梁上，其尖端指向頂板冒落處的煤幫，末端墊一方木塊，用大錘打入冒頂處，用巖石托住，使其不再繼續(xù)冒落。移液壓支架時(shí)，使支架前梁托住順山棚梁，即可撤去棚腿。注意順山棚梁長(zhǎng)度要在3.2以上，保證有23架支架同時(shí)托住，以便移架。該工作面回采時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)頂板管理，防止破碎頂板漏矸。所以應(yīng)選擇合適的作業(yè)方式，并做到及時(shí)支護(hù)。采煤機(jī)割煤后，應(yīng)追機(jī)擦頂帶壓移架，防止頂板破損，若出現(xiàn)工作面煤壁片幫嚴(yán)重或頂板較破碎時(shí)，應(yīng)采用超前移架方式，即先超前移架，再割煤，后移溜的作業(yè)方式，以便及時(shí)支護(hù)。5.3.2 完善上端頭支護(hù)措施由于上端頭附近處的頂板已受采動(dòng)影響，一定范圍內(nèi)的煤層與頂板已破碎。加強(qiáng)端頭支護(hù)，改善巷道結(jié)構(gòu)的承載能力，提高巷道的穩(wěn)定性，對(duì)巷道附近頂板的完整性會(huì)起到很到的保護(hù)作用；同時(shí)，巷道附近頂板的完整性也會(huì)對(duì)其相鄰的深部巖層產(chǎn)生良性影響，從而改善頂板的承載條件。因此，需要對(duì)上端頭頂板采取加固措施，具體措施如圖5-6所示。其錨桿布置參數(shù)如下：上排采用直徑為42mm、長(zhǎng)1.5m管縫錨桿；當(dāng)巷道下幫片幫嚴(yán)重時(shí)，打下排錨桿，采用直徑為42mm、長(zhǎng)1.5m的管縫錨桿。通過主動(dòng)支護(hù)增加端頭頂板抗動(dòng)壓的能力，增加頂板的完整性。a.平面圖b.剖面圖圖5-6工作面上端頭加固方案布置圖5.4保證設(shè)備配套以及強(qiáng)化設(shè)備的規(guī)范使用配套的生產(chǎn)設(shè)備可以提高工作面的生產(chǎn)效率，縮短頂板的懸頂時(shí)間，有利于頂板的管理和維護(hù)，因此需在設(shè)備的配套選型和使用管理方面予以重視。針對(duì)目前工作面的設(shè)備設(shè)備可靠性及使用情況使用方面出現(xiàn)的問題，提出以下改進(jìn)措施：（1）更換工作面刮板輸送機(jī)的鏈條，使其強(qiáng)度能滿足使用要求，減少鏈條的維修次數(shù)，以便提高采面回采速度。（2）適當(dāng)增加煤電鉆的數(shù)量，減少單一鉆機(jī)的連續(xù)使用時(shí)間，正常工作時(shí)要保證四臺(tái)煤電鉆平行作業(yè)，且規(guī)范操作煤電鉆機(jī)，縮短打錨桿工序的時(shí)間。（3）加強(qiáng)對(duì)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的維護(hù)檢修，提高其運(yùn)輸?shù)男省?.5 應(yīng)用效果前景分析5.5.1 經(jīng)濟(jì)效益前景分析采用木錨桿結(jié)合局部加固技術(shù)控制平煤五礦綜采面破碎頂板課題的控制技術(shù)，預(yù)計(jì)工作面推進(jìn)速度加快，提高了煤炭資源回收率，且工作面推進(jìn)速度增快以后，還可減少煤炭自然等不確定隱患事故的發(fā)生率。工作面開采過程中冒頂次數(shù)大大減少，提高了工效，節(jié)約了處理冒頂?shù)牟牧腺M(fèi)用，從而提高三軟煤層綜采面的經(jīng)濟(jì)效益。5.5.2 社會(huì)效益前景分析隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速健康發(fā)展，目前對(duì)煤炭礦產(chǎn)資源的需求總量越來越大，如何在安全生產(chǎn)的前提下提高礦井生產(chǎn)能力成為生產(chǎn)單位發(fā)展的關(guān)鍵。該控頂技術(shù)，可為我國(guó)煤炭企業(yè)治理綜采面破碎頂板提供了一個(gè)切實(shí)可行的辦法，為進(jìn)一步提高工作面生產(chǎn)能力、煤炭回收率、設(shè)備資源利用率、提高安全生產(chǎn)系數(shù)起到了積極推動(dòng)作用，尤其是木錨桿控制破碎頂板技術(shù)在類似條件礦區(qū)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。6 主要結(jié)論本文分析了“三軟煤層”工作面冒頂、片幫的機(jī)理，根據(jù)三軟煤層綜采工作面推進(jìn)過程中的頂板和煤壁動(dòng)態(tài)受力規(guī)律以及裂紋的擴(kuò)展方向和特征，并依據(jù)木錨桿與圍巖的相互作用模型, 設(shè)計(jì)了“三軟煤層”工作面頂板、煤壁的加固方案、施工工藝以及其他配套的改進(jìn)措施。主要有以下結(jié)論：（1）運(yùn)用斷裂力學(xué)及巖石力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，分析了“三軟煤層”綜采面工作面圍巖破碎的機(jī)理，得到了工作面推進(jìn)過程中頂板和煤壁動(dòng)態(tài)受力規(guī)律以及裂紋的擴(kuò)展方向和特征，為控制工作面冒頂和片幫提供了理論依據(jù)。（2）設(shè)計(jì)了“三軟煤層”工作面頂板、煤壁的加固方案，并優(yōu)化了施工工藝。以木錨桿作為主要支護(hù)措施，在局部破碎嚴(yán)重地段注馬麗散，進(jìn)行煤巖固化，改善煤巖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)煤巖承載能力，達(dá)到控制工作面冒