煤礦72煤層首采工作面煤巷合理支護技術(shù)

孫疃煤礦72煤層首采工作面煤巷合理支護技術(shù)研究報告中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院淮北礦業(yè)集團孫疃煤礦2009年08月20日目錄孫疃煤礦72煤層 0首采工作面煤巷合理支護技術(shù) 0研究報告 0目錄 01引言 11.1立項背景 11.2淮北礦區(qū)煤巷支護技術(shù)現(xiàn)狀 21.3礦區(qū)煤巷支護存在主要問題 31.4孫疃礦72煤層首采面特征及主采煤層賦存情況分析 51.4.1井田概況 51.4.272煤層首采面特征 61.4.372煤層賦存分析 61.5研究內(nèi)容、目標及方法 72煤礦巷道支護理論及支護技術(shù)綜述 82.1巷道錨桿支護理論概述 82.1.1懸吊理論 82.1.2組合梁理論 92.1.3組合拱理論 102.1.4基于水平地應(yīng)力的錨桿支護理論 112.1.5圍巖松動圈支護理論 122.1.6“剛性梁〞理論 132.1.7煤巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護理論 132.2巷道支護技術(shù)開展現(xiàn)狀 172.2.1U型可縮性鋼支架支護技術(shù)和壁后充填技術(shù) 172.2.2錨桿支護技術(shù) 182.2.3桁架錨桿支護技術(shù) 192.2.4錨索支護技術(shù) 202.2.5噴射混凝土支護技術(shù) 202.2.6錨注支護技術(shù) 212.2.7組合支護技術(shù) 212.3孫疃礦新型煤巷強化控制原理與技術(shù) 222.3.1煤巷強化控制技術(shù)原理 222.3.2煤巷強化控制技術(shù) 342.3.3大斷面煤巷掘進圍巖穩(wěn)定性分析 402.3.4大斷面高地應(yīng)力巷道支護根本原那么與思想 412.4小結(jié) 423孫疃礦首采72煤層巷道合理支護數(shù)值計算分析 443.1錨桿支護參數(shù)設(shè)計方法 44數(shù)值模擬分析方法 443.1.2FLAC應(yīng)用程序簡介 453.1.3模擬方法的選擇 463.2數(shù)值模型的建立 473.3圍巖及節(jié)理面力學參數(shù) 483.4數(shù)值模擬方案 483.5數(shù)值模擬方案與結(jié)論 493.5.1模擬方案 493.5.27215工作面實體煤巷道 494工業(yè)性試驗過程 534.1根本地質(zhì)概況 534.2實體巷道維護特點 574.3切眼維護特點 574.4實體巷道錨桿支護參數(shù)設(shè)計 584.4.1支護方案確實定 58支護方案及參數(shù) 594.4.3錨桿支護施工工藝 644.5切眼錨桿支護參數(shù)設(shè)計 674.5.1支護思路及技術(shù)路線 674.5.2特殊地段的處理 674.5.3支護方案及參數(shù) 674.6支護方案修改 714.6.1第一次風巷支護方案修改 734.6.2第二次風巷、機巷支護方案修改 754.7礦壓監(jiān)測及實施方案 794.7.1礦壓觀測內(nèi)容 79實施方案 804.7.3礦壓觀測分析 814.7.4支護效果分析 865課題結(jié)論 87參考文獻 89計劃任務(wù)書 921引言1.1立項背景煤巷支護作為礦區(qū)平安生產(chǎn)的重大根底性技術(shù)，國內(nèi)外主要產(chǎn)煤國家都十分重視其系統(tǒng)研究和集成，美國、澳大利亞全面地把握了錨桿支護技術(shù)所涉及的各個方面，不僅重視錨桿支護設(shè)計和施工管理等軟件，而且強調(diào)錨桿機具特點和錨桿加工性能等硬件，堅持科學管理，嚴格質(zhì)量監(jiān)測，并有一套可靠的監(jiān)測手段，因而確保了大面積使用中的平安可靠。比照使用條件，國外煤巷錨桿支護主要使用在煤質(zhì)中硬以上的煤層中，而我國煤巷錨桿支護不僅在煤質(zhì)中硬、圍巖穩(wěn)定程度較高的=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII類回采巷道中使用，而且必須在軟巖回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等復(fù)雜困難條件下使用，才能帶來綜合優(yōu)勢，這就需要解決很多復(fù)雜的技術(shù)問題，平安可靠性問題也就更加突出。其中煤礦巷道圍巖的多變性和支護質(zhì)量的隱蔽性帶來了一定的隱患，特別是對于地質(zhì)條件惡劣、煤體強度很低、受屢次采動高應(yīng)力作用的煤巷來說，錨桿支護更是一把雙刃劍，是存在相當平安隱患的隱蔽性工程，處理不當極易造成各類事故?；幢钡V區(qū)在20世紀90年代中后期很好地把握了世紀之交的采掘技術(shù)開展態(tài)勢，緊緊圍繞采掘工藝改革，大力開展技術(shù)創(chuàng)新工作，新型煤巷錨桿支護應(yīng)用技術(shù)研究和推廣應(yīng)用取得突破性進展，淮北礦業(yè)集團于2002年底建立了煤巷高強預(yù)應(yīng)力成套應(yīng)用支護技術(shù)體系和平安質(zhì)量保障體系，具體解決了很多典型的煤巷錨桿支護技術(shù)難題，開展了煤巷分類及合理支護技術(shù)方案及參數(shù)研究，并制定了技術(shù)管理標準、企業(yè)標準、設(shè)計標準等一系列技術(shù)管理文件，極大地推動了礦區(qū)支護技術(shù)改革。截止2003年已累計完成40余萬米，沒有發(fā)生重傷以上事故，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益、平安效益和社會效益，整體平安狀況居于全行業(yè)領(lǐng)先水平。近年來礦區(qū)從總體上擺脫了煤巷支護依賴于礦用工字鋼梯形支架和U型鋼拱形可縮支架的被動局面，煤巷錨桿支護技術(shù)取得了實質(zhì)性進展和非常明顯的成果。從另一方面看，淮北礦區(qū)年巷道掘進工程近25萬余米，隨著南部新建礦井的投產(chǎn)、生產(chǎn)礦井的快速延伸，開采深度加大，巖體應(yīng)力急劇增加，復(fù)合型煤巷的支護比重加大，當時形成的煤巷支護技術(shù)主要解決了埋深在-500~-600m以上各類圍巖條件相對較好、構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)不突出的常規(guī)煤巷支護問題，在礦區(qū)仍占較大比重的頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力突顯區(qū)域、整體圍巖強度惡化、鄰近區(qū)段開采影響、沿空掘巷等多種因素綜合作用下的煤巷(稱復(fù)合型煤巷)采用現(xiàn)有支護技術(shù)效果仍不理想。這類巷道比重占全礦區(qū)煤巷的20%~30%，制約生產(chǎn)平安的矛盾仍十分突出，是礦區(qū)煤巷支護本錢居高不下，維護狀況惡劣的主要原因。同時礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件相差很大，對新技術(shù)的掌握程度也不相同，開展很不平衡，平安隱患和技術(shù)漏洞還很多，平安事故偶有發(fā)生，并在局部礦井動搖了這一技術(shù)的進一步應(yīng)用。但是，隨著礦區(qū)的不斷開展，新區(qū)的多對礦井逐漸進入投產(chǎn)階段，許多礦井首采工作面首采煤層的巷道合理支護技術(shù)顯得尤為重要。因此，開展淮北礦區(qū)孫疃煤礦首采煤層巷道巷里支護技術(shù)研究非常有必要，對淮北礦區(qū)支護技術(shù)的進一步開展具有重要推動作用。本課題研究在充分借鑒國內(nèi)近年煤巷支護技術(shù)新成果的根底上，以孫疃煤礦首采煤層首采工作面開展的典型煤巷具體成果為根底，形成針對孫疃礦72煤層巷道的合理支護技術(shù)體系。1.2淮北礦區(qū)煤巷支護技術(shù)現(xiàn)狀1)支護技術(shù)手段升級(1)大力實施和推廣高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)，提高了煤錨支護技術(shù)水平。應(yīng)用大直徑錨索、長錨桿聯(lián)合支護技術(shù)，推動了巖巷錨噴支護技術(shù)開展。礦井支護工藝改革后，高強預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿在煤(巖)巷中得到推廣應(yīng)用，但錨桿參數(shù)沒有太大改變，錨桿長度多為1.8~2.2m，直徑20mm。對于軟煤(巖)巷道，圍巖松動圈大，已經(jīng)不能滿足軟煤(巖)控制的需要。(2)提高棚式支架支護強度，支護形式向多樣化開展。傳統(tǒng)的工字鋼梯形棚被動式支護，抗壓強度低，尤其是隨著采掘機械化程度的提高，提出了“系統(tǒng)大能力，巷道大斷面〞的要求，使得工字鋼梯形棚已不再適用于高地壓煤巷。(3)錨噴技術(shù)與全封閉U型棚聯(lián)合支護技術(shù)獲得應(yīng)用。有效控制了底鼓破壞，提高了巷道的整體穩(wěn)定性。在高地壓軟煤(巖)巷道中，不管是錨噴與錨索、錨注，還是錨噴與架棚，都較好地貫徹了“聯(lián)合支護〞的軟巖治理思想，實現(xiàn)多種支護形式的聯(lián)合，根本到達了控制圍巖的目的。2)設(shè)計思想更加科學，為治理提供了技術(shù)保障圍巖治理堅持綜合治理原那么，設(shè)計上從優(yōu)化巷道布置、合理選擇巷道層位入手，注重分析巷道破壞原因、維護特點、巷道所處地質(zhì)條件、周邊開采環(huán)境，基于科學分析的根底上，提出最正確支護設(shè)計方案。在工程設(shè)計時不僅要考慮設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟性，還要考慮到巷道效勞期采動影響下的維護效果等，改變了以往簡單類比或相互套用的設(shè)計思路，設(shè)計思路得到改良。以下一些科學認知在設(shè)計中得到表達。(1)單一的支護形式不適用于高地壓軟煤(巖)巷道，必須堅持“因地制宜、聯(lián)合支護〞的原那么。從已治理的巷道看，煤巷錨帶網(wǎng)作為根本支護形式，聯(lián)合錨索、桁架、錨索梁、錨注或架棚等聯(lián)合支護手段。針對具體的圍巖條件，合理選擇支護形式及組合關(guān)系，可以有效地控制高地壓圍巖的劇烈變形。(2)錨桿、錨索支護的優(yōu)越性普遍得到認同。錨桿支護作為主動支護，調(diào)動圍巖的自承載能力，是軟煤(巖)巷道一次支護的首選支護形式。錨索支護是將圍巖應(yīng)力移至深部的有效手段，并實現(xiàn)與錨桿支護的耦合，是軟煤(巖)巷道支護技術(shù)開展的主流之一?？茖W設(shè)計錨桿(索)支護參數(shù)，選擇好其他支護形式的組合，是軟煤(巖)治理重要技術(shù)手段。(3)圍巖改性和支護結(jié)構(gòu)改良，相輔相承，共同作用，可發(fā)揮出最正確支護效果。圍巖改性的重點是水患治理和提高圍巖的自承載能力，堵水治水防止圍巖泥化是圍巖治理的關(guān)鍵之一。改良支護結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)主件與輔件、支與護、主動與被動的合理匹配，可有效提高支護體系的承載能力。3)施工工藝研究受到重視，并取得進展，提高了治理的效果圍巖治理工程支護工藝相對較復(fù)雜，治理手段各不相同，對施工工藝的要求相對較高，在施工安排上，已經(jīng)注意到巷道施工的合理排序，最大程度地減少施工應(yīng)力對臨近巷道的擾動。選擇什么樣的斷面形狀；如何改良巷道成型控制；圍巖補強的方式、手段；底鼓的治理等，這些都需要通過工藝改良來實現(xiàn)，在圍巖治理中孫疃礦都進行了積極的探索。斷面形狀上采用了全圓形、方環(huán)形、馬蹄形等全封閉斷面。施工控制上，通過改良挖掘方式或爆破控制來減少對圍巖的破壞。通過噴漿封閉或注漿補強來實現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)與圍巖的密帖，發(fā)揮“圍巖-支護〞體系的最大承載能力。支護結(jié)構(gòu)上，可縮性支架應(yīng)用高阻限位卡纜技術(shù)、壁后充填、水泥背板改為鋼筋網(wǎng)和鐵背板并進行噴漿封閉，實現(xiàn)支護主體與輔件合理匹配，提高了支護結(jié)構(gòu)體的性能。機具材料上，應(yīng)用大功率施工機具、大直徑錨索、高強度鋼帶、馬麗散化學注漿材料等新設(shè)備、新材料，為實現(xiàn)軟巖治理的技術(shù)方案找到了可靠的途徑。1.3礦區(qū)煤巷支護存在主要問題1)認識上存在偏差總認為要解決軟煤(巖)支護問題，主要的手段和途徑就是提高支護的強度和剛度。不可否認，在圍巖綜合治理前，我們的巷道支護強度是低的，這也是造成巷道大量損壞的根本原因。前人的工程實踐已經(jīng)證明，對軟煤(巖)巷道單一地提高支護的強度和剛度是得不償失的，而且支護體的強度和剛度越高，巷道支護反而更容易受到破壞。新奧法明確提出：任何人工構(gòu)筑物都不可能抵御自然的壓力。協(xié)調(diào)支護理論指出：要保證軟煤(巖)巷道的支護平安，必須做到支護與圍巖變化的協(xié)調(diào)。新奧法還提出了支護不是一個工序，而是一個過程的思想。支護不是一勞永逸的，它融合于巷道的效勞周期之內(nèi)，有巷道的存在就有支護。必須通過長期的巷道變形受力觀測，不斷地對支護結(jié)構(gòu)進行調(diào)整和加固。雖然錨桿支護的先進性得到認可，但一旦遇到具體問題，不知不覺中舊有的支護觀點仍在左右我們的思維。條件好時采用錨桿支護，條件差時首先想到的不是如何提高支護強度，而是退回到架棚支護的老路上去，局部南部礦井高地壓復(fù)雜條件煤巷一直依賴于棚式支護的狀況沒有根本改善。2)重進尺、輕治理現(xiàn)象依然存在局部巷道工程未能嚴格執(zhí)行治理技術(shù)方案，主要原因是擔憂工藝復(fù)雜給工程進度造成影響，給施工管理帶來難度，對治理方案能否有效心存顧慮。3)治理技術(shù)手段的綜合應(yīng)用不夠目前的治理較注重支護形式的選擇和施工工藝的改良，除此之外的治理手段應(yīng)用不夠，如圍巖改性、卸壓技術(shù)、錨注技術(shù)等。錨注支護是提高圍巖自承載能力的有效手段之一，在治理實施方案都有要求，但由于工藝操作有一定難度，推廣應(yīng)用還不夠。卸壓技術(shù)根本未在治理中應(yīng)用。同一條巷道內(nèi)圍巖條件不可能一樣，有破碎帶、有淋水帶，有軟巖、有硬巖，而局部巷道的治理仍不能采取針對性的治理手段，不能根據(jù)條件變化而及時改良支護設(shè)計。當掘進巷道后路出現(xiàn)支護強度缺乏或效果不理想時，不能及時采取補強措施。4)監(jiān)測監(jiān)控開展不正常對監(jiān)測監(jiān)控在軟煤(巖)支護中的作用認識不清。新奧法提出巷道監(jiān)測監(jiān)控是軟煤(巖)支護的根底，根據(jù)巷道變形量及受力狀況的觀測和分析，及時對支護方式和支護強度進行調(diào)整。目前各礦對治理巷道的支護受力和變形量監(jiān)測仍是宏觀的和經(jīng)驗的，監(jiān)測手段單一，監(jiān)測儀器設(shè)備的投入缺乏，布點不合理，日常觀測記錄不正常，即使進行了觀測也只是局限在掘進期間，巷道在回采期間或動壓條件下的觀測未能開展。對監(jiān)測數(shù)據(jù)不分析、不處理，更沒有總結(jié)和利用。5)支護材料的加工、管理和標準等尚存在一些問題錨桿支護材料的性能尚不能完全滿足復(fù)雜條件的支護要求，研制和升級的工作動力缺乏、力度不大，內(nèi)部市場由過去的技術(shù)引導性機制轉(zhuǎn)變?yōu)槿藶榉指钚停夹g(shù)部門的參與和監(jiān)督力度減弱；U型鋼加工粗糙，對接段幾何形狀不能滿足滑動要求，卡纜強度低、滑動性能差，支架不可縮，壁后充填不實，承載分布不均，U型鋼支護的整體性能遠未發(fā)揮；雖然堅持實行了定點加工的政策，但是外圍隊伍、基建施工用料等尚有漏洞；菱形金屬網(wǎng)、鋼筋笆片、鋼帶等附件材料性能差，導致錨桿支護整體抗變形差，急需在新一輪支護改革中在解決，為推動這項工作，為必要在支護設(shè)計中明確支護產(chǎn)品性能的要求，鼓勵開發(fā)研制新型產(chǎn)品，并嚴格執(zhí)行。6)施工隊伍的技術(shù)素質(zhì)有待提高支護觀念在改變，支護的技術(shù)和手段也不斷豐富和開展，而局部職工隊伍素質(zhì)仍停留在原有單一支護的技術(shù)水平和操作水平上，特別是基層管理干部還不能很好理解和掌握治理技術(shù)方案的實質(zhì)，技術(shù)關(guān)鍵，對技術(shù)要求把握不準，對新工藝操作不熟練，對施工工序的安排和組織仍停留在以前的水平上，對工程質(zhì)量的控制仍視為一般巷道，因而造成技術(shù)方案落實上有差距，也是圍巖治理工程掘進單進難以提高，治理效果不理想的主要因素之一。7)復(fù)雜條件下圍巖治理還需進一步研究煤巷治理中的一些沿空巷道或近距離煤層巷道，基于高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護體系的治理未能取得較理想的效果，其支護問題還需進一步進行治理研究。1.4孫疃礦72煤層首采面特征及主采煤層賦存情況分析井田概況地層：孫疃井田為全隱蔽含煤區(qū)，鉆探所及地層由老到新依次有奧陶系、石炭系、二疊系和新生界。構(gòu)造：本井田位于淮北煤田中部童亭背斜東翼之北段，總體構(gòu)造形態(tài)為一走向近南北、傾向東、傾角10°~20°〔一般為17°〕且沿走向略有扭曲的簡單單斜。據(jù)精查地質(zhì)報告，全井田共發(fā)現(xiàn)正斷層28條，其中最大落差大于等于100m的9條，小于100m而大于等于50m的6條，小于50m而大于等于20m的13條。斷層的延展方向絕大多數(shù)為北東向，少數(shù)為近東西向，從而將井田切割成多個寬窄不等的條塊。煤層：本井田含煤地層為華北型石炭、二疊系，其中二疊系的山西組和上、下石盒子組為主要含煤層段。井田內(nèi)主要含煤層段總厚約990m，共含自上而下編號為1、2、3、4、5、6、7、8、10計9個煤組30余層煤，煤層平均總厚11.22m，含煤系數(shù)為1.1%；其中31、32、51、72、82和10為可采煤層，平均總厚10.15m，約占煤層平均總厚的90%；而72、82和10為主要可采煤層，平均總厚6.39m，約占可采煤層平均總厚的63%。煤質(zhì)：本井田各可采煤層以低~中高灰、特低~低中硫、特低~低磷、中高~高揮發(fā)分、高~特高熱值和具中~強粘結(jié)性的1/3焦煤為主，氣煤次之；主要可作煉焦配煤，也可用于工業(yè)鍋爐燃燒。瓦斯：井田瓦斯測試資料說明，瓦斯成分和瓦斯含量的兩極值分別為8.32~92.38%和0.18~8.33m3/t。地質(zhì)精查報告認為：本井田的瓦斯風化帶底界大致位于地表下垂深500m處。水文地質(zhì)：本井田二疊紀煤系主要由砂巖、泥巖、粉砂巖和煤層等組成，且以泥巖、粉砂巖居多。根據(jù)可采煤層的賦存位置，可將二疊紀煤系大致分為1~3煤上隔水層〔段〕、3~4煤間含水層〔段〕、4~5煤下隔水層〔段〕、7~8煤上下含水層〔段〕、8煤下~10煤上隔水層〔段〕、10煤上下含水層〔段〕和10煤下~太灰間隔水層〔段〕。一般情況下，含水層〔段〕砂巖裂隙不甚發(fā)育，富水性較弱，地下水主要受區(qū)域?qū)娱g徑流補給，且補給水源缺乏，以儲存量為主；而隔水層〔段〕那么除10煤下~太灰間這一區(qū)段局部受斷層影響，導致彼此間距縮小、隔水性能較差以外，其余均具良好的隔水作用。巖漿巖：燕山早、中期的巖漿巖主要分布在井田北部的7、8煤組中。巖漿由北向南順層侵入，所及之處，往往使煙煤變?yōu)闊o煙煤甚至天然焦，或使煤層結(jié)構(gòu)變復(fù)雜、煤層變薄乃至被吞蝕。72煤層首采面〔7215工作面〕特征1〕工作面概況面長184m，走向長度1385m，煤厚平均約1.9m，容重1.4，F(xiàn)=0.4，工作面可采儲量66.3萬噸。工作面切眼10°~15°，走向傾角4°~15°；最大俯采傾角15°，長度約400米。據(jù)三維地震資料，本面內(nèi)共發(fā)現(xiàn)7條斷層，落差0~10m。2〕工作面地質(zhì)概況煤層及頂?shù)装澹?215工作面共有6個鉆孔，煤厚1.22m~2.5m，平均厚1.9m，其中煤厚為1.22m沿走向長約300m，煤厚為2.5m沿走向長約250m。72煤直接頂為泥巖，厚為0.3m~1.43m，平均0.8m。上層71煤發(fā)育不穩(wěn)定，煤厚0~1.1m，平均0.7m，直接頂為泥巖，厚為0~6m，老頂為泥巖、粉砂巖及細砂巖，厚度為3~15m。71、72煤(含夾矸)總厚1.97~4.1m，其中厚度H＜2m、2m＜H＜3m各有1個孔，3m＜H＜3.5m及3.5m＜H＜4.1m各的有2個孔，分別占鉆孔總數(shù)的百分比為17%、17%、33%、33%。72煤直接底一般為泥巖，厚0~9.3m，老底為泥巖、粉砂巖、細砂巖及粗砂巖，厚2~20m。工作面瓦斯：據(jù)精查報告，本工作面屬瓦斯風化帶，合肥院按高瓦斯礦井設(shè)計，從實揭看煤層瓦斯較大。水文地質(zhì)：工作面回采受頂板砂巖裂隙水影響，巷道實揭頂板涌水1~2m3/h。1.4.372煤層賦存分析1〕煤層結(jié)構(gòu)：根據(jù)礦井可采塊段72個鉆孔資料統(tǒng)計，井田內(nèi)72煤層屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，夾矸發(fā)育，多數(shù)為復(fù)合頂板，層厚0.7~4.42m，平均厚1.94m；考慮煤層偽頂及71煤厚0.7~4.64m，平均厚2.4m。煤層平均視密度2〕頂?shù)装迩闆r：據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，該煤層頂?shù)装逯饕獮槟鄮r、粉砂巖及中、細粒砂巖，其中：煤層直接頂為泥巖44個孔、粉砂巖12個孔、中細粒砂巖16個孔分別占61%、16.7%和22.2%；老頂為泥巖30個孔、粉砂巖20個孔、中細粒砂巖22個孔分別占41.7%、27.8%和30.5%。從井下實揭資料看，煤層頂板中細粒砂巖有淋水現(xiàn)象。1.5研究內(nèi)容、目標及方法煤巷錨桿支護的推廣試驗工作涉及到錨桿支護技術(shù)的各個環(huán)節(jié)，涉及到對成熟技術(shù)的準確把握，地質(zhì)條件的細微變化(特別是涉及到頂板弱面位置、厚度等賦存狀況的變化)、支護產(chǎn)品性能的降低(特別是涉及到預(yù)拉力的實現(xiàn))、施工質(zhì)量的滑坡、平安監(jiān)測的形式化等都可能導致支護效果的衰減甚至冒頂事故的發(fā)生。課題方案以孫疃礦首采煤層巷道支護問題為研究對象，從推廣應(yīng)用中存在的問題出發(fā)，采用綜合研究手段深入剖析近年開展的煤巷支護技術(shù)成果，開展系統(tǒng)研究，形成孫疃礦72煤層巷道合理支護技術(shù)。研究工作主要在孫疃礦首采72煤層開展，分三階段完成：第一階段主要圍繞首采煤層圍巖條件分類；第二階段提出并研究圍巖穩(wěn)定的判斷條件和支護對策；第三階段通過工程實踐修改和完善穩(wěn)定條件和支護對策。研究內(nèi)容和預(yù)期目標：利用實驗室?guī)r石性質(zhì)力學測試、數(shù)值計算、理論分析及綜合分類，結(jié)合現(xiàn)場工程實踐展開研究，最終孫疃礦首采煤層巷道合理的控制原理和控制技術(shù)。2煤礦巷道支護理論及支護技術(shù)綜述正確地設(shè)計和應(yīng)用錨桿支護，必須有完善的錨桿支護理論作為指導。傳統(tǒng)的錨桿支護理論有：懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論，松動圈理論。近年來，錨桿支護理論研究有了進一步的開展，基于水平地應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的作用，提出最大水平應(yīng)力理論、“剛性梁〞理論，基于錨桿對破裂巖體的加固作用，提出巷道圍巖強度強化理論。這些理論都從各自的角度認識錨桿支護的規(guī)律，揭示錨桿的作用效果，都有一定的指導意義。課題組自2000年以來針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的離層破碎型煤巷頂板提出了極易離層破碎型煤巷圍巖預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)，針對性地解決了離層破碎型煤巷錨桿支護的頂板穩(wěn)定性問題；近年來，針對深部、復(fù)雜條件錨桿支護，展開深入研究，提出錨桿強化控制技術(shù)原理和技術(shù)體系，該系統(tǒng)對煤巷支護實踐具有直接而明確的指導意義，便于礦井生產(chǎn)技術(shù)人員接受。為便于分析比擬，首先簡述幾個常規(guī)的支護理論。2.1巷道錨桿支護理論概述2.1.1懸吊理論1952~1962年，LouisA.Panek通過理論分析、實驗室實驗及現(xiàn)場測試，提出了錨桿的懸吊理論，該理論認為：錨桿支護的作用就是將巷道頂板較為軟弱的巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性。圖2-1懸吊理論對于回采巷道經(jīng)常遇到的層狀巖體，當巷道開挖后，直接頂因彎曲、變形與老頂別離，如果錨桿及時將直接頂擠壓并懸吊在老頂上，就能減少和限制直接頂?shù)南鲁梁碗x層，以到達支護的目的。當巷道淺部圍巖松軟破碎，或開掘巷道后應(yīng)力重新分布，頂板出現(xiàn)松動破裂區(qū)，這時錨桿的懸吊作用就是將這局部易冒落巖體懸吊在深部未松動巖層上。根據(jù)懸吊巖層的重量就可以進行錨桿支護設(shè)計。懸吊理論直觀地揭示了錨桿的懸吊作用，在分析過程中不考慮巖層的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開，與實際情況有一定的差距。懸吊理論只適用于巷道頂板，不適用于巷道幫、底。如果頂板中沒有堅硬穩(wěn)定巖層或頂板軟弱巖層較厚，圍巖破裂區(qū)范圍較大，無法將錨桿錨固到上面堅硬巖層或未松動巖層上，懸吊理論就不適用。懸吊是最早的錨桿支護理論，它具有直觀、易懂及使用方便等特點特別是在頂板上部有穩(wěn)定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下這種支護理論應(yīng)用比擬廣泛。但是，該理論存在以下明顯缺陷：(1)錨桿只有在當松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下才受力，受力大小等于破碎巖層的重量，而這種情況在實際中并不多見。(2)沒有考慮錨桿安設(shè)后對破碎巖層變形和離層的控制作用。特別是當水平應(yīng)力比擬大時，頂板離層將增大。為持頂板的穩(wěn)定性，錨桿工作阻力必須增大。(3)沒有考慮破碎巖層經(jīng)過錨桿作用后其自身的承載能力。事實上破碎巖層經(jīng)錨桿作用后，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度地提高破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力，從而減小錨桿受力。2.1.2組合梁理論1952年，德國Jacobio等發(fā)表了錨桿組合梁作用理論，該理論認為：在層狀巖體中開挖巷道，當頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅硬穩(wěn)定巖層時，錨桿的懸吊作用處于次要地位。圖2-2組合梁理論如果頂板巖層中存在假設(shè)干分層，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，防止各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪強度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層(組合梁)。這種組合厚巖層在上覆巖層載荷的作用下，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小，而且組合梁越厚，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的撓度也就越小。組合梁理論是對錨桿將頂板巖層鎖緊成較厚巖層的解釋。在分析中，將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開，與實際情況有一定的差距，并且隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時，組合梁也就不存在了。組合梁理論充分考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用，原理上對錨桿作用分析得比擬全面，在頂板比擬完整且層狀巖體中得到廣泛應(yīng)用，但是它存在以下明顯缺陷：(1)組合梁有效組合厚度很難確定。它涉及到影響錨桿支護的眾多因素，目前還沒有一種方法能比擬可靠地估計有效組合厚度。(2)沒有考慮水平應(yīng)力對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞、失穩(wěn)的主要原因。2.1.3組合拱理論早在1955年，TLVRabcewicz就提出安裝錨桿后使巷道圍巖中形成連續(xù)的壓縮帶，錨桿的作用是使圍巖中產(chǎn)生一定厚度的壓縮帶承受圍巖壓力的觀點。70年代初美國TALang和Pender提出錨桿的拱形壓縮帶作用原理，TALang通過二次元光彈性試驗證實了拱形壓縮帶的存在。拱形壓縮帶作用即組合拱理論。圖2-3組合拱理論組合拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱(亦稱組合拱或壓縮拱)，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向載荷。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應(yīng)增大。因此，錨桿支護的關(guān)鍵在于獲取較大的承壓拱厚度和較高的強度，其厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定和支撐能力的提高。組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護的作用機理，但在分析過程中沒有深入考慮圍巖—支護的相互作用，只是將各支護結(jié)構(gòu)的最大支護力簡單相加，從而得到復(fù)合支護結(jié)構(gòu)總的最大支護力，缺乏對被加固巖體本身力學行為的進一步分析探討，計算也與實際情況存在一定差距，一般不能作為準確的定量設(shè)計，但可以作為錨桿加固設(shè)計和施工的重要參考。由于壓縮拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用，在軟巖巷道中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷：(1)加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準確地估計。(2)當加固拱厚度遠小于巷道跨度時，加固拱是否發(fā)生破壞不僅與其強度有關(guān)，更主要取決于加固拱的穩(wěn)定性，而在該理論中沒有考慮。2.1.4基于水平地應(yīng)力的錨桿支護理論自從八十年代以來，水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響已經(jīng)引起了人們的普遍關(guān)注。澳大利亞W.Gale博士(1987)通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場觀測，得出礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5~2.5倍。并認為巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，得到了水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的最根本認識：巷道軸向與最大主應(yīng)力方向平行時，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好；二者垂直時，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差；二者呈一定夾角時，巷道其中一側(cè)會出現(xiàn)水平應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力較低，因而頂?shù)装宓淖冃螘蛳锏赖哪骋粋?cè)。并提出在最大水平地應(yīng)力的作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動，因此要求錨桿必須具有強度大、剛度大、抗剪切阻力大的特點才能起到約束圍巖變形的作用。圖2-4巷道的3種水平應(yīng)力狀態(tài)雖然，最大水平地應(yīng)力理論提出了水平地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響，但在錨桿支護參數(shù)設(shè)計中如何考慮水平地應(yīng)力的作用等方面存在如下的問題：(1)由于周邊工作面、巷道、硐室等開挖活動的影響，巷道周邊的應(yīng)力狀態(tài)要發(fā)生改變，同時水平應(yīng)力具有明顯的方向性，水平應(yīng)力方向特別是最大水平應(yīng)力方向與巷道軸向的夾角對頂板穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。所以，錨桿參數(shù)設(shè)計是一個三維問題，即必須采用三維地質(zhì)力學模型來進行錨桿支護參數(shù)設(shè)計，現(xiàn)場中真正能夠簡化為二維問題的特例并不多。最大水平地應(yīng)力理論的錨桿參數(shù)設(shè)計方法仍然采用簡化的二維地質(zhì)力學模型，無法對錨桿的排距進行設(shè)計。(2)沒有將錨桿預(yù)應(yīng)力作為錨桿支護設(shè)計的參數(shù)。與預(yù)應(yīng)力錨桿相比，無預(yù)應(yīng)力錨桿是一種被動的支護形式，只有當巷道頂板彎曲下沉以后，錨桿才受力起作用，但此時由于水平應(yīng)力的作用，巷道頂板非常容易產(chǎn)生壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象，導致拉伸破壞，引起巷道的冒頂。(3)現(xiàn)場觀測說明：水平應(yīng)力對于巷道的破壞形式主要是引起頂板離層，進而引起頂板的彎曲下沉、垮落，當巷道頂板圍巖產(chǎn)生離層以后，頂板的承載能力將大幅度下降。所以，在錨桿支護參數(shù)設(shè)計中，應(yīng)將巷道頂板是否離層作為巷道穩(wěn)定性判別的標準。最大水平地應(yīng)力理論判斷巷道穩(wěn)定性的標準為巷道圍巖變形量的大小，由于不同巖性所允許的變形量差異很大，所以為準確判斷巷道的穩(wěn)定性帶來了麻煩。2.1.5圍巖松動圈支護理論圍巖松動圈巷道錨桿支護理論是基于煤礦生產(chǎn)中大量的地下工程都是在圍巖破壞和開展中支護的客觀實際狀況而提出的，該理論在對圍巖狀態(tài)進行深入研究后，發(fā)現(xiàn)松動圈的厚度值如是圍巖應(yīng)力P與圍巖強度R的復(fù)雜函數(shù)，即Lp＝f(P，R)是一個綜合性指標，它的大小反映了支護的難易程度，而且大量的相似模擬試驗及現(xiàn)場實測說明，它與煤礦巷道的跨度(一般3~5m范圍)及有無支護等關(guān)系不大，巷道支護的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn)生、開展過程中的碎脹變形力。當采用錨桿支護時，錨桿受拉是由圍巖松動圈的發(fā)生和開展而引起的。圍巖松動圈理論認為：(1)地應(yīng)力與圍巖相互作用會產(chǎn)生圍巖松動圈；(2)松動圈形成過程中產(chǎn)生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護的主要對象，松動圈尺寸越大，巷道收斂變形也越大，支護越困難；(3)依據(jù)松動圈的大小采用不同的原理設(shè)計錨桿支護。小松動圈(0~40cm)采用噴射混凝土支護即可；中松動圈(40~150cm)采用懸吊理論設(shè)計錨桿支護；大松動圈(>150cm)采用組合拱原理設(shè)計錨桿支護參數(shù)。松動圈支護理論對于錨桿支護的指導作用主要在于確定普通錨桿(如普通圓鋼錨桿、水泥藥卷錨桿等等)的適用條件和范圍。2.1.6“剛性梁〞理論該理論是基于巖體中存在的水平應(yīng)力，由美國的郭頌博士提出的。其主要內(nèi)容有：(1)錨桿預(yù)應(yīng)力大小對頂板的穩(wěn)定性具有決定作用。當預(yù)應(yīng)力到達一定程度時，錨桿長度范圍內(nèi)的頂板離層得到控制，建立了剛性梁頂板，它本身形成一個壓力自撐結(jié)構(gòu)。(2)剛性兩頂板可充分利用水平應(yīng)力來維護頂板的穩(wěn)定性。水平應(yīng)力的存在，在一定程度上保護著頂板，使其代表頂板巖層處于橫向壓縮狀態(tài)。(3)在“剛性梁〞頂板的條件下，頂板的垂直應(yīng)力被轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)煤體縱深，巷道兩側(cè)的壓力減少。與無預(yù)應(yīng)力錨桿支護的“先護幫，后護頂〞的原那么相反，該理論主張“先護頂，后護幫〞的原那么。在一定的極限范圍內(nèi)頂板的穩(wěn)定性與巷道寬度關(guān)系不大。以此理論為指導，進行錨桿支護設(shè)計，可以極大地增大錨桿排距，從而降低巷道支護本錢，提高巷道掘進速度。要使巷道頂板“剛性化〞的關(guān)鍵就是大力提高錨桿安裝時的預(yù)應(yīng)力。2.1.7煤巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護理論1)層狀頂板預(yù)應(yīng)力支護結(jié)構(gòu)的概念眾所周知，巷道開挖后在圍巖很小變形時(約在破壞載荷的25%以下)，脆性特征明顯的巖體就出現(xiàn)開裂、離層、滑動、裂紋擴展和松動等現(xiàn)象，使圍巖強度大大弱化。如果巷道開挖后立即安裝錨桿，但未施加預(yù)拉力，由于錨桿極限變形量大于圍巖極限變形量，又由于各類錨桿都有一定的初始滑移量，因而錨桿不能阻止圍巖的開裂、滑動和弱化。只有當圍巖的開裂位移到達相當?shù)某潭?在鋼筋混凝土中到達極限載荷的60%~75%)以后，錨桿才起到阻止裂紋擴展的作用，這時圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力，加固體的抗拉和抗剪主要依靠錨桿的抗拉和抗剪能力。也就是說，這里圍巖和錨桿不同步承載，先是圍巖受力破壞，到達一定程度，錨桿開始承載，在目前的開采深度不大和非強烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，這種矛盾常常不突出，支護的成功掩蓋問題的實質(zhì)。如果在安裝錨桿的同時，立即施加足夠的預(yù)拉力，不僅消除了錨桿支護系統(tǒng)的初始滑移量，而且給圍巖一定的預(yù)壓應(yīng)力，改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境：對于受拉截面來說，可以抵消一局部拉應(yīng)力，從而大大提高抗拉能力；對于受剪截面，由于壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，大大提高了加固體的抗剪能力。因此及時施加預(yù)拉力直接防止巷道圍巖過早出現(xiàn)張開裂縫，可以大大減緩圍巖的弱化過程，巖體利用自身強度及時參與承載過程，即形成整體承載結(jié)構(gòu)，保證了巷道的長期穩(wěn)定。與主動錨桿支護相比，普通無預(yù)拉力被動錨桿支護旨在建立“鋼〞性頂板，即每一排使用盡量多的錨桿，行間距和排間距都很小，有使頂板“鋼鐵化〞的勢態(tài)。被動錨桿支護能保證在錨桿長度范圍內(nèi)離層變形后產(chǎn)生很大的支護抗力，但因頂板已發(fā)生離層，這種抗力已無助于恢復(fù)或提高頂板總體的抗剪強度。盡管錨桿長度范圍內(nèi)的頂板“鋼〞性化，但防止不了在錨桿長度以外的頂板中發(fā)生離層，出現(xiàn)垮冒，實際上這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。(a)預(yù)拉力錨桿支護(b)普通高強錨桿支護圖2-5主被動錨桿的支護效果據(jù)統(tǒng)計，我國高強錨桿的推廣應(yīng)用中，冒頂?shù)谋戎卣伎傔M尺的萬分之五左右，平安可靠性尚不能滿足煤礦生產(chǎn)的實際需要。我國現(xiàn)在錨桿間排距普遍在0.6~0.8m之間，即使桿體強度再高，實踐中時有錨固區(qū)整體離層破壞甚至垮冒，而錨桿實際受力卻很小的現(xiàn)象，這促使我們思考如何發(fā)揮錨桿的作用，并防止這類現(xiàn)象發(fā)生。由此提出煤巷支護預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的概念：在施工安裝過程中，及時給錨桿或其他支護構(gòu)件以很高的張拉力，并傳遞到層狀頂板，使頂板巖層在水平應(yīng)力作用下處于橫向壓縮狀態(tài)，從而阻止高水平應(yīng)力對頂板圍巖體的破壞，消除弱面離層現(xiàn)象，減緩兩幫圍巖的應(yīng)力集中，阻止巖體破壞進程，從根本上維持圍巖穩(wěn)定。這種“柔性化〞的壓力自撐結(jié)構(gòu)就叫頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。2)層狀頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論(1)預(yù)拉力(或稱初撐力)的大小對頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。在高水平應(yīng)力條件下頂板外表的剪切破壞是不可防止的，但當預(yù)拉力大到一定程度時，通過建立頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可提高頂板整體的抗剪強度，使其破壞不向頂板縱深方向開展。并且使頂板巖層處于橫向壓縮的狀態(tài)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。圖2-6預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與頂板變形特征圖2-7主動支護條件下頂板沿垂直方向典型的應(yīng)變線示意圖(2)在一定條件下，水平應(yīng)力的存在有利于巷道頂板的穩(wěn)定。所以，當最大水平應(yīng)力與巷道軸向垂直時，巷道不一定難以維護，通過對錨桿施加較大的預(yù)拉力可以充分利用水平應(yīng)力來維護頂板穩(wěn)定性；當最大水平應(yīng)力與巷道軸向平行時，巷道不一定容易維護，關(guān)鍵是巷道圍巖本身的強度與水平地應(yīng)力的比值及錨桿預(yù)拉力的大小。在水平應(yīng)力大的條件下，高預(yù)拉力的短錨桿比無預(yù)拉力的長錨桿會起到更好的支護效果。(3)錨桿參數(shù)和預(yù)拉力的合理配置可以使錨桿長度之內(nèi)和錨桿長度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞。當預(yù)拉力到達一定值后頂板巖層在不同的層位會出現(xiàn)一定的正應(yīng)變和負應(yīng)變，其累計值還缺乏以造成明顯的頂板下沉，即預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)(梁)可以做到不出現(xiàn)橫向彎曲變形，只有縱向的微小的膨脹和壓縮變形。(4)當錨桿預(yù)拉力到達一定程度后，預(yù)應(yīng)力頂板將使得兩幫垂直壓力均化到巷道兩側(cè)縱深，巷道兩側(cè)的壓力減少，片幫的現(xiàn)象緩和，兩幫的維護將變得相對簡單。與被動錨桿支護原那么“先護幫，后控頂〞相對照，主動錨桿支護的原那么是“先控頂，后護幫〞。其實幫部圍巖的穩(wěn)定可以同比頂局部析，并無更多的特殊性，只是由于對頂板的平安可靠性要求更高而強調(diào)一些。層狀賦存松散煤體巷道應(yīng)該遵循“幫頂同治〞的原那么。圖2-8頂板載荷的傳遞模式(5)頂板的穩(wěn)定性與垂直壓力關(guān)系不大，比方采深因素、長壁工作面超前垂直支承壓力等對頂板穩(wěn)定性影響較小；在一定極限范圍內(nèi)，頂板的穩(wěn)定性與巷道寬度關(guān)系不大。傳統(tǒng)上認為巷道寬度越大，頂板穩(wěn)定性越差，這一思想僅適合于被動支護(棚子和錨桿)，因為在此條件下頂板中部的拉應(yīng)力越大，頂板拉破壞的可能性也就越大。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)(梁)頂板的形成杜絕了頂板發(fā)生拉破壞的可能。(6)在同等地質(zhì)條件下，提高錨桿預(yù)拉力可以進一步增加錨桿間排距，減少錨桿用量，降低巷道支護本錢，為提高巷道掘進速度創(chuàng)造條件。(7)施工機具、施工工藝和錨桿結(jié)構(gòu)及加工等方面的研究應(yīng)以實現(xiàn)高預(yù)拉力為中心。3)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)判斷標準傳統(tǒng)的支撐式巷道支護是從圍巖外部提供圍巖支撐力，而錨桿那么是在圍巖內(nèi)部進行加固，形成了圍巖－錨桿的整體承載結(jié)構(gòu)，并充分利用圍巖的自承能力，這是關(guān)于錨桿支護的經(jīng)典論述，但整體承載結(jié)構(gòu)的形成不是沒有條件的，已有的工程實踐說明，大多數(shù)普通錨桿(無初錨力或初錨力極低)和圍巖不能形成可靠的共同承載結(jié)構(gòu)。頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的形成需要以下條件：1)支護構(gòu)件安裝時能夠提供一個明確的作用力，其絕對值應(yīng)明顯大于松動巖體的重量，這種主動施加的作用力應(yīng)適度，過小或過大都不適宜；2)安裝完成后，加固區(qū)內(nèi)圍巖和構(gòu)件的相互作用是始終存在的，并隨巷道變形而得到加強；3)支護圍巖結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)匹配，同步承載，協(xié)調(diào)變形。層狀巖體在水平地應(yīng)力的作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)離層現(xiàn)象，當巷道頂板圍巖產(chǎn)生離層以后，頂板的承載能力將大幅度下降，不僅影響到支護效果，更直接影響到根本的平安問題，因而應(yīng)將巷道頂板是否離層作為巷道穩(wěn)定性判別的標準，離層與否正是頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形成的根本要素，因而可以將二者統(tǒng)一起來，把錨桿預(yù)拉力納入錨桿支護參數(shù)設(shè)計中，以頂板離層作為分析的原那么和依據(jù)，提供一個防止或大大減少巷道冒頂事故的設(shè)計方法。應(yīng)該指出，由于不同巖性不同支護條件所允許的變形量差異很大，以巷道圍巖變形量的大小作為準確判斷巷道的穩(wěn)定標準是不適宜的，是不能保證平安的。PP圖2-9張拉力與頂板離層的關(guān)系由于目前國內(nèi)常用的單體鉆機扭矩偏低，無法實現(xiàn)設(shè)計要求的錨桿預(yù)拉力，真正意義上的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)尚難形成，但它指出了技術(shù)開展的方向，如何提高錨桿的預(yù)拉力，并通過其他手段進一步增加頂板預(yù)應(yīng)力水平是努力的目標。比方孫疃71煤層頂板條件需錨桿預(yù)拉力到達40kN左右，而目前采用大扭矩鉆機安裝加工精良的高性能錨桿只能到達20~30kN，所以單純采用高預(yù)拉力錨桿支護尚不能滿足要求，需進一步加強支護，確保巷道頂板局部離層或圍巖發(fā)生較大變形時支護系統(tǒng)平安可靠。在類似條件下國內(nèi)目前大多采用小孔徑預(yù)拉力錨索加強支護技術(shù)，但根據(jù)我們所做的實驗說明，當錨索作用范圍超過6m時，難以從根本上控制中間局部巖體的變形或離層，因此采用錨桿、錨索組合支護技術(shù)也難以在厚層復(fù)合頂板條件下取得支護的根本成功，必須采用新型的預(yù)拉力支護技術(shù)對頂板巖層進行有效加固，才能解決這一技術(shù)難題。頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能否形成是判斷支護形式合理性的標準，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的厚度和承載力是控制巷道變形的關(guān)鍵，它取決于支護構(gòu)件的布置和預(yù)拉力的大小，即支護參數(shù)的設(shè)計，這需要結(jié)合具體條件做更深入的探討。2.2巷道支護技術(shù)開展現(xiàn)狀國內(nèi)外礦山巷道支護技術(shù)總的來講經(jīng)歷了木支架→剛性金屬支架→可縮性金屬支架→錨桿→組合支護的開展過程，今天已經(jīng)形成了包括各種料石碹、混凝土碹、噴射混凝土梁網(wǎng)、桁架錨桿、錨索、錨注、高強度混凝土弧板支架等多種支護形式，其中，U型可縮性支架和錨桿被公認為是井下支護技術(shù)上的兩次重大突破。2.2.1U型可縮性鋼支架支護技術(shù)和壁后充填技術(shù)U型可縮性鋼支架于1932年最早從德國開展起來的。到70年代形成了以新TH-58型型鋼系列為代表的比擬完善的U型鋼支架系列。U型鋼支架一度成為德國、波蘭、前蘇聯(lián)等國家最主要的支護形式。我國“六五〞期間及其以后，可縮性金屬支架取的了很大的開展，逐漸形成了18，25(新25)、29，36kg/m等定型U型鋼系列。雖然U型鋼金屬可縮性支架同木材、工字鋼等支架相比，具有承載能力強，可縮量大等優(yōu)點，但由于目前所采用的巷道掘進和支護工藝上的限制，在支護結(jié)構(gòu)與圍巖外表之間形成一定大小的超挖空間，或因局部冒頂而形成不規(guī)那么的空穴等都是不可防止的這些支架壁后空間假設(shè)不及時有效地加以充填，支護結(jié)構(gòu)與圍巖將呈隨機的點、線接觸，從而使支護結(jié)構(gòu)承受集中載荷或偏心載荷，惡化支護結(jié)構(gòu)的受力狀況，使支護結(jié)構(gòu)受損或支撐能力得不到充分的發(fā)揮。如果在巷道掘進及支護后，及時地用力學特性良好，強度適宜且具有一定可縮性的充填材料將壁后空間充滿，使圍巖-充填體-支護結(jié)構(gòu)三者形成一個共同的力學承載體系，就能充分發(fā)揮支架和圍巖本身的承載能力，有效地控制圍巖變形，提高巷道的穩(wěn)定性。我國在淮北礦區(qū)軟巖巷道中成功地進行了U型鋼金屬可縮性支架壁后充填的試驗工作。采用錨噴作一次支護，掘巷后立即安設(shè)間排距為0.7m×0.7m、長度為1.6m的錨桿，并噴70mm厚的混凝土及時封閉圍巖。一次支護后滯后工作面20m架設(shè)U型鋼可縮支架。架后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)及竹席片做隔離層，各架支架間以拉桿相互聯(lián)接成整體結(jié)構(gòu)，沿巷道縱向每隔4~6m在支架背后用編織袋裝碎矸石粉、水泥等，先按設(shè)定比例混合充填料，然后按設(shè)計的水灰比調(diào)配成灰漿，最后用充填泵對支架壁后進行充填。通過對實施架后充填與未實施架后充填的不同巷道的礦壓觀測，在地質(zhì)條件和開采條件相同的松軟圍巖條件下，前者的巷道移近量等明顯小于后者，一般前者僅為后者的1/3~1/8左右，巷道的維護狀況幾年來一直良好。2.2.2錨桿支護技術(shù)錨桿支護技術(shù)作為地下巷道和其它地下工程支護技術(shù)的一種主要形式，早在40年代，美國、前蘇聯(lián)就在開始使用。錨桿支護技術(shù)是井巷支護比擬經(jīng)濟合理的有效手段，在煤礦、金屬礦山、水利、隧道以及其它地下工程中迅速得到開展，目前，估計國內(nèi)外各種各樣的錨桿有數(shù)百種至多。較長時期以來，美國、澳大利亞等國家的錨桿支護使用十分普遍。在煤礦巷道的支護比重幾乎到達了100%。隨著開采深度的不斷增加，巷道支護越來越困難，原來主要使用金屬支架的國家80年代后越來越重視錨桿支護技術(shù)的開展與應(yīng)用。英國在1994年己經(jīng)完全改變過去以金屬支架為主的局面，錨桿支護到達80%。德國在80年代以后，也開始在采準巷道推行錨桿支護技術(shù)。法國的錨桿支護技術(shù)也開展很快，錨桿支護已超過50%?；貞浳覈^桿支護技術(shù)的開展，大致可分為三個階段：1)單體錨桿支護階段從50-60年代錨桿支護技術(shù)誕生以來，以鋼絲繩水泥砂漿錨桿為代表。錨桿無托板，錨桿與錨桿間無聯(lián)系。錨桿只起懸吊作用，被動承載，不能與圍巖共同作用。2)組合錨桿階段進人70年代以后，我國科技攻關(guān)將錨桿支護技術(shù)作為主攻方向，錨桿支護技術(shù)又有了很大的開展。錨桿類型出現(xiàn)了多樣性，有錨固劑型錨桿(如水泥錨桿、樹脂錨桿)、機械錨固式錨桿等。這一時期錨桿的特點是在尾部增加了托板及其他附屬設(shè)施來控制錨桿之間圍巖。如加金屬網(wǎng)，噴射混凝土，直到目前加鋼帶、鋼筋梯、鋼架等形式組合錨桿支護技術(shù)。3)預(yù)應(yīng)力錨桿支護體系階段近年來，隨著錨桿支護在松軟、破碎、動壓和大跨度巷道中的推廣應(yīng)用，人們注意到，繃緊錨桿網(wǎng)、鋼帶，利用有橫向預(yù)應(yīng)力的管縫式錨桿和桁架錨桿，對此類井巷支護起到了顯著的支護效果。為了適應(yīng)軟巖巷道以及動壓巷道圍巖的大變形和流變變形的變形規(guī)律，目前，國內(nèi)外有關(guān)單位致力于研究一種能夠在靜載荷條件下剛度很高，恒定載荷條件下產(chǎn)生讓壓的錨桿。讓壓是發(fā)生在當錨桿所承受的力到達設(shè)計的讓壓載荷時，錨桿開始發(fā)生均勻變形滑動。2.2.3桁架錨桿支護技術(shù)桁架錨桿支護是在錨桿支護根底上開展起來的，美、英等西方國家60年代開始應(yīng)用，在我國80年代后期初開展起來的一種新型支護方式。該種支護不僅適用于巷道頂板穩(wěn)定或較穩(wěn)定的條件，而且用于巷道頂板巖石不穩(wěn)定的(塊狀多層、破碎)或受采動影響的惡劣頂板條件和大斷面、大跨度平頂井巷中。桁架錨桿一般由頂板錨桿、桁架錨桿、托架組成。頂板錨桿的數(shù)量由頂板條件決定，經(jīng)常為位于井巷兩角上的兩根傾斜錨桿懸吊。三根以上錨桿懸吊的桁架錨桿稱為連續(xù)桁架錨桿。采用桁架錨桿支護時，錨桿作用力與拉桿的作用力形成合力作用于頂板巖層，使頂板巖層形成壓應(yīng)力區(qū)，改變了圍巖受力狀態(tài)，提高了頂板巖石的強度。同時，桁架錨桿又具有一定的柔性，允許巷道頂板巖石有適量的下沉。隨著應(yīng)用的廣泛，近年來出現(xiàn)了新型的鋼托架，單、雙拉桿桁架錨桿，鋼托架連續(xù)桁架錨桿，錨網(wǎng)桁架錨桿等先進結(jié)構(gòu)型式。圖2-10頂板桁架支護形式2.2.4錨索支護技術(shù)錨索支護原理就是基于錨桿支護原理中的懸吊理論，再增加相當數(shù)量級的預(yù)應(yīng)力，不致形成離層脫落，使圍巖穩(wěn)定，是一種傳遞主體結(jié)構(gòu)的支護應(yīng)力到深部穩(wěn)定巖層的主動支護方式。預(yù)應(yīng)力錨索支護是錨桿支護技術(shù)開展中占有重要地位的一種支護形式，其與普通錨桿相比有突出的特點:一是長度大，能夠錨人到深部穩(wěn)定巖石中，并可以施于預(yù)應(yīng)力；二是能限制巖體的有害變形開展，從而保護巖體的穩(wěn)定。錨索一般是錨桿長度的3~5倍，因此除了能夠起到普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用外，還能對巷道圍巖進行深部錨固而產(chǎn)生強力的懸吊作用，在實際應(yīng)用中往往錨桿與錨索配合使用。近年來，國內(nèi)外錨索支護技術(shù)開展迅速，應(yīng)用也越來越廣泛。在巖土邊坡、交通隧道、礦山井巷、深坑基、壩基及結(jié)構(gòu)加固方面廣泛應(yīng)用了錨索支護技術(shù)。在英國、澳大利亞錨索支護技術(shù)的應(yīng)用十分普遍，尤其在煤巷的應(yīng)用十分突出，利用輕型錨桿鉆機即可施工。今后在圍巖較差的大酮室、交叉點、斷層附近及受動力影響的巷道采用錨索支護的前景比擬廣泛。2.2.5噴射混凝土支護技術(shù)20世紀70年代開始，加拿大就開始了運用噴射混凝土支護。它是由混凝土和一些添加劑混合而成的拌和料在高壓氣的作用下由噴頭高速噴向巖體外表而形成巖體外表支護層。通過填充巖體裂縫而減小或阻止圍巖的變形，并將載荷轉(zhuǎn)移到較穩(wěn)定的巖體上，對巖體外表實施封閉以防止風化，并對表層圍巖施加第三向壓力。噴射混凝土技術(shù)開展比擬快，現(xiàn)已開展多種噴射混凝土，如干式噴射混凝土、潮濕噴射混凝土和濕式噴射混凝土、水泥裹砂噴射混凝土(SEC)、鋼纖維噴射混凝土以及塑料網(wǎng)噴射混凝土。長期以來，我國對噴射混凝土技術(shù)的應(yīng)用和推廣十分重視。上世紀60-70年代，我國主要推廣使用干式噴射混凝土?！捌呶濞暺陂g，我國研制成功潮式混凝土噴射機，為潮噴技術(shù)的全面推廣打下了堅實的根底。濕式噴射混凝土是80年代初開展起來的，我國在“六五〞期間就開始研制擠壓泵式濕噴機及液體速凝劑，并在人防工程和大型隧道小面積推廣應(yīng)用。鋼纖維噴射混凝土是80年代中期開展起來的噴射混凝土新工藝，我國在“七五〞期間就著手研究、試驗鋼纖維噴射混凝土和鋼纖維制造技術(shù)。目前已開發(fā)了不少形式的鋼纖維，并進行了鋼纖維噴射混凝土工業(yè)性試驗。2.2.6錨注支護技術(shù)錨注加固錨注加固是在巖體錨桿加固與注漿加固的根底上，利用特種中空錨桿兼作注漿管，對巖體實施外錨內(nèi)注加固的一種巷道加固方式。它充分利用錨桿加固與注漿加固的各自優(yōu)點，把兩種加固技術(shù)有機地結(jié)合起來，解決膨脹松散圍巖巷道、受采動影響巷道等的維護問題。巖體的錨注加固作用在于“密壓〞了巖體中的“縫隙〞，這種密壓可以是注漿漿液對縫隙的的充填與粘合，也可以是錨桿作用下縫隙的互鎖與閉合。伴隨著巖體中的縫隙在錨注過程中的逐漸密壓，巖體的完整性逐漸提高，巖體的工程強度逐漸增加，巖體自身的承載能力和自穩(wěn)能力逐漸提高。巖體的錨注加固一方面表現(xiàn)為錨注活動加強了巖體的完整性，提高了巖體的強度，另一方面也表現(xiàn)在錨注活動改變了載荷作用下巷道周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。這些作用影響綜合在一起，最終以提高巖體強度的方式表現(xiàn)出來。2.2.7組合支護技術(shù)隨著煤礦開采深度的增加及新區(qū)開發(fā)軟巖井巷施工所占比例越來越大，在軟巖井巷中往往單一的支護形式難以取得理想的效果。隨著研究的深人，出現(xiàn)了一些組合支護或稱為復(fù)合支護技術(shù)。組合支護技術(shù)就是指采用兩種或兩種以上支護方式，同時對井巷圍巖進行支護的技術(shù)。目前常用的形式有：1)錨桿+噴混凝土+金屬網(wǎng)2)錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)3)桁架錨桿+金屬網(wǎng)4)錨桿+U型可縮性支架+噴混凝土+金屬網(wǎng)5)錨桿+鋼筋梁+金屬網(wǎng)6)錨索支護+錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)7)錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索+桁架支護8)錨桿+U型可縮性支架+錨索支護9)錨桿+環(huán)型可縮支架10)錨桿+環(huán)型可縮支架+錨索隨著井巷施工的需要和生產(chǎn)技術(shù)的開展，井巷支護已不再是一種單一支護，而是根據(jù)具體的巷道的施工地質(zhì)條件和目前可行的的技術(shù)標準，由多種支護類型在發(fā)揮其各自優(yōu)勢的情況下組合起來形成的一種新型組合支護，使井巷施工更平安、更可靠、更穩(wěn)定。綜上所述，在巷道圍巖支護領(lǐng)域內(nèi)，研究、分析了了多種支護理論并得到了較好的推廣和應(yīng)用，但由于我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，生搬硬套理論往往得不到好的效果，這些理論與實踐往往出現(xiàn)一定的偏差或應(yīng)用不合理，必須根據(jù)具體情況采取行之有效的支護形式。煤礦巷道頂板跨落、冒頂事故時有發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。尤其是工作面順槽，受力條件復(fù)雜，受采動影響較嚴重，是井下巷道事故多發(fā)地段，其支護質(zhì)量合理性直接影響到工作面平安高效生產(chǎn)。2.3孫疃礦新型煤巷強化控制原理與技術(shù)前文論述了孫疃礦首采72煤層賦存條件和頂?shù)装宓牧W性質(zhì)和特點；根本明確了72煤層圍巖的賦存狀態(tài)，經(jīng)過分析得出孫疃礦主采煤層巷道圍巖地質(zhì)條件的主要特點：1)煤層頂?shù)装鍘r性很差，直接頂和直接底以泥巖為主，支護范圍內(nèi)富含軟弱夾層，頂?shù)装蹇箟汉涂估瓘姸绕毡槠?，易風化并具有一定的膨脹性；2)受頂板水作用，巷道都不同程度受水的影響，膨脹性泥巖的強度會隨著水的侵入而降低；3)由于是采準巷道，巷道在掘進和后期維護過程中將受動壓影響。2003年淮北礦區(qū)與中國礦業(yè)大學共同研究并提出并預(yù)應(yīng)力支護理論指導煤巷錨桿的推廣應(yīng)用工作，該理論是在分析層狀頂板的離層破斷現(xiàn)象和平安隱患的根底上，明確地提出了以錨桿預(yù)拉力為中心的巷道圍巖控制思想，針對性地解決了煤巷錨桿支護的頂板穩(wěn)定性問題，對推廣煤巷錨桿支護所涉及到的支護用品、施工等各個方面都有明確的指導性。本課題組在此根底上，結(jié)合孫疃礦近年的科研進展提出煤巷強化控制技術(shù)原理，以進一步推動復(fù)雜困難條件下煤巷支護技術(shù)的進步，特別是復(fù)雜條件下新型煤巷錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用。由以上孫疃礦主采煤層巷道圍巖地質(zhì)條件的特點，可以看出，頂板水的防治和動壓影響下巷道的控制技術(shù)將成為巷道成功支護的關(guān)鍵，因此很有必要提出一套適合于孫疃礦的巷道強化控制理論和技術(shù)，更好的指導巷道的支護設(shè)計和現(xiàn)場的施工。2.3.1煤巷強化控制技術(shù)原理2.3.1.1煤巷強化控制根本原理煤巷強化控制技術(shù)原理，包括一優(yōu)化三強化，即巷道圍巖應(yīng)力場的優(yōu)化、錨桿支護承載性能強化、巷道破裂圍巖體強度強化和圍巖承載結(jié)構(gòu)強化。1)巷道圍巖應(yīng)力場優(yōu)化原理(1)區(qū)域應(yīng)力場優(yōu)化巖體處于天然產(chǎn)狀條件下所具有的原始內(nèi)應(yīng)力主要是由于地殼構(gòu)造運動所產(chǎn)生的水平應(yīng)力造成，其次是由上覆巖層自重作用造成的內(nèi)應(yīng)力和變異應(yīng)力以及其它應(yīng)力。開挖巷道造成應(yīng)力的重新分布，在局部區(qū)域特別是在巷道周圍形成了應(yīng)力集中。在開采過程中還可能造成巷道圍巖應(yīng)力的疊加，使巷道承受更高的應(yīng)力載荷作用，加劇巷道周圍巖體的破壞。因此，從區(qū)域應(yīng)力場的角度，應(yīng)該想方法合理設(shè)計開采布局，安排好煤層群的開采順序，采面的合理接續(xù)，盡量使巷道處于低應(yīng)力場區(qū)域，防止高應(yīng)力場的疊加破壞，防止巷道在采動應(yīng)力影響下掘進。(2)微觀應(yīng)力場優(yōu)化在宏觀區(qū)域應(yīng)力場已確定的情況下，只有從巷道所處的周圍巖層環(huán)境中去降低其應(yīng)力強度，即從微觀應(yīng)力場的角度改善巷道周圍巖層的應(yīng)力強度，使巷道處于相對有利的維護環(huán)境。要到達這一效果，只能通過支護手段改善這個微觀應(yīng)力場。研究說明，巷道周圍巖體相對破碎，采用超強錨桿通過施加高預(yù)應(yīng)力及高剛度附件，最大程度的擠壓緊固巷道圍巖，消除圍巖中的弱面和空隙，提高巖層的整體承載強度，形成具有一定強度和剛度的承載層，并使得上覆巖層的垂直應(yīng)力向巷道兩側(cè)深部巖層轉(zhuǎn)移，同時有力抵抗和平衡巷道水平高應(yīng)力的剪切作用，有效改善巷道周邊微觀應(yīng)力場，優(yōu)化圍巖淺部應(yīng)力環(huán)境，促使圍巖由兩向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這是巷道周邊圍巖微觀應(yīng)力場優(yōu)化的最有效手段，而傳統(tǒng)的U型棚支護、低預(yù)緊力的普通錨桿支護技術(shù)都無法到達這一效果。2)“三強化〞控制技術(shù)原理(1)錨桿承載性能強化當巷道周圍層狀巖體受到采掘工程影響后會產(chǎn)生兩方面的反響，一是由于各個巖層的剛度不同產(chǎn)生沿垂直層面方向上的離層膨脹，二是沿層面方面的相對剪切滑移。如果支護不力巷道就會產(chǎn)生兩種變形：即巷道圍巖的結(jié)構(gòu)變形和巖層的松動擴容變形，理論和實踐觀測說明，結(jié)構(gòu)變形通常占整個變形的40%，而松動擴容變形那么占到整個巷道變形的60%。巷道的開挖使得圍巖原始應(yīng)力場遭到破壞，圍巖自身的自組織功能使得圍巖相互影響和作用，巖層發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)變形是在所難免的，這種結(jié)構(gòu)變形只要發(fā)生在一定的范圍和尺度內(nèi)，圍巖整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定就行，這種結(jié)構(gòu)變形可以通過錨索和桁架支護技術(shù)得到控制。而巖層的松動擴容變形主要發(fā)生在巷道淺部圍巖，是由于卸荷作用造成的，如果得不到及時有效的支護這種擴容變形將很快演變?yōu)閲鷰r的破裂和垮冒，只有通過提高圍巖初始支護強度這種松動擴容變形才能得到有效控制。有學者研究指出，當錨桿的預(yù)緊力到達70~80kN時，圍巖的淺部松動根本可以消除。本課題研究認為，當錨桿的初始支護強度小于0.1MPa時，松散變形隨初始支護強度的增大下降曲率很大；初始支護強度界于0.1~0.3MPa時，松散變形隨初始支護強度的增大下降曲率相對減小，但仍在明顯下降；而當初始支護強度超過0.3MPa時，松散變形已很小。因此可見，煤巷錨桿支護錨桿對圍巖的初始支護強度應(yīng)到達0.3MPa。按照目前錨桿的間排距布置方式，每根錨桿的預(yù)緊力應(yīng)在100kN左右才能保證實現(xiàn)這個效果。而目前大多數(shù)情況下錨桿僅有20~30kN的預(yù)緊力，是遠遠不夠的。深部煤巷錨桿支護掘進完成后變形量就到達400~500mm，且已有大范圍松動破壞。因此，煤巷錨桿支護技術(shù)的開展已經(jīng)不再單純強調(diào)錨桿的強度，綜合強化錨桿支護的承載特性是錨桿支護的開展方向，其本質(zhì)是促使其錨桿支護特性曲線具有及時早強速增阻的特性，如圖3-11所示：1—典型的支護圍巖關(guān)系曲線；2—傳統(tǒng)支護特性曲線；3—高強錨桿支護特性曲線；4—“三高〞錨桿支護特性曲線圖2-11支護阻力與圍巖變形關(guān)系圖典型的支護圍巖特性曲線如圖曲線1所示，巷道圍巖壓力隨圍巖變形而急劇衰減，適當滯后支護可以釋放一定的圍巖壓力，但支護的滯后常常產(chǎn)生松動變形。通過及時安裝的高預(yù)拉力錨桿提供初期的支護阻力消除掘巷煤巖體松動變形，通過高剛度的護表材料及錨桿附件，促使錨桿在后續(xù)圍巖變形過程中實現(xiàn)高增荷特性，很快到達高的工作載荷，限制后續(xù)的圍巖變形，錨桿工作荷載如圖中曲線4所示，實現(xiàn)了及時、高初錨力、高增荷特性，進而到達高工作荷載，可以控制巷道在掘進期間的變形；錨桿工作荷載如圖中曲線3所示，錨桿施工安裝時間滯后一些，增荷速度低一些，最終形成的工作荷載也有降低，掘巷期間的圍巖變形就大一些，這是目前支護實踐常見的現(xiàn)象；錨桿工作荷載如圖中曲線2所示，支護在圍巖充分松動變形以前不起作用，壁后很空、和圍巖接觸不好的U型鋼支護類似這種狀況，掘巷期間圍巖變形很大，頂板松動、離層，極易垮冒。強烈動壓影響巷道并長期維護時，對掘巷階段變形提出了更高的要求，必須實現(xiàn)上圖中曲線4的工作特性曲線，即以高強錨桿為根底以高預(yù)緊力為核心的“三高〞錨桿支護才能滿足巷道錨桿支護的要求：①高預(yù)拉力：錨桿預(yù)拉力(或稱初撐力)的大小對頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用。當預(yù)拉力大到一定程度時，錨桿長度范圍內(nèi)和錨桿長度以上的頂板離層得以消除。同時頂板的垂直壓力被轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)巖體縱深，巷道兩側(cè)附近巖體的壓力減少，片幫現(xiàn)象緩和。通過高預(yù)拉力實現(xiàn)承載性能的強化。②高剛度：保持初始工作載荷那么依賴于護表材料的性能，錨桿載荷向圍巖的擴散和增荷速度依賴于增大護表構(gòu)件的剛度和強度；因此護網(wǎng)、托盤和鋼帶的抗變形能力必須進一步加強，并適應(yīng)強動壓影響，到達高增阻限制變形的工作狀況。③高強度：由于強烈動壓影響，高預(yù)拉力錨桿荷載增加很大，桿體及配套螺母、托盤強度必須適應(yīng)動壓大變形的特點；在高預(yù)拉力的根底上，進一步實現(xiàn)高阻讓壓的工作狀態(tài)，限制圍巖變形。這里有一個臨界支護強度、剛度概念，有效控制巷道圍巖變形、保持巷道空間，必須從掘巷階段開始支護設(shè)計，根本消除掘巷階段圍巖松動變形，在超前采動階段錨固體變形控制在200~300mm以內(nèi)，因此不同的巷道工程地質(zhì)條件，支護強度、預(yù)緊力和剛度有不同的要求，必須超過某個臨界值。(2)破裂圍巖體強度強化煤層巷道圍巖強度一般都較低，開挖以后必然產(chǎn)生一定程度的破壞，淺部的圍巖處于低圍壓破裂狀態(tài)，承載能力很低，在根本上決定著巷道圍巖的穩(wěn)定性，只有對巷道周圍低圍壓破裂巖石進行有效加固，才能提高巷道圍巖的承載能力和穩(wěn)定性。通常采用錨桿和注漿兩種加固方式。①錨桿加固。圍巖強度強化原理揭示了錨桿支護對錨固范圍巖體峰值強度和剩余峰值強度的強化作用以及對錨固體峰值強度前后的δ、E、C等力學參數(shù)的改善，分析了錨固體強度強化后對巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度。在巷道周邊低圍壓條件下，巖體強度隨圍壓的逐步增大而呈急劇增長趨勢，所以，要想提高破碎巖體的承載強度，就必須增大其圍壓，從巖層內(nèi)部增大其承載能力。相對被動作用的U型棚支護，主動作