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目 录
一、引言 3
二、 煤巷顶板离层控制原理 4
(一)、 顶板垮冒类型 4
(二)、顶板支护失稳型式 5
(三)、顶板过程控制对策 6
三、承载结构形式及稳定性分析方法 8
(一)、关键岩梁结构 8
(二)、强化承载拱结构 9
(三)、 留小煤柱沿空掘巷的大小结构 10
四、高强预拉力支护技术 10
(一)、 高性能预拉力锚杆支护技术 10
(二)、小孔径钢绞线预拉力锚索梁技术 12
(三)、 高预拉力钢绞线桁架系统 12
五、结束语 13
参考文献 14
煤巷顶板离层控制原理
摘要 首先提出极易离层破碎型煤巷顶板的概念,分析了该类顶板的两种垮冒现
象及对应的两类锚杆支护失稳形式,进而提出基于高强预拉力支护的顶板离层控制原理和新型高性能顶板控制技术,通过分步实施高性能预拉力锚杆、顶板小孔径预拉力锚索和上帮角煤岩体为锚固基点的钢绞线预拉力桁架系统可以实现离层破碎型顶板的安全控制.
关键词: 煤巷顶板;垮冒;离层控制;高强预拉力支护
一、引言
据煤炭工业协会统计,“十五”以来我国国有大中型煤矿煤巷树脂锚杆支护应用比例已达到6O%,顶板的安全可靠性成为这一技术进一步推广应用的重要制约因素,特别是厚层复合破碎顶板条件下使用锚杆支护[1]时冒顶事故时有发生,支护易于失效.如何消除冒顶、确保煤巷顶板安全是进一步发展煤巷锚杆支护的关键.
煤矿层状赋存的顶板岩体结构中,煤巷较上部一层至数层厚度大、强度高的坚硬岩层不受巷道开挖影响,一般能够自稳,不需人工支护,而煤层及其顶底板多是强度低、厚度小的薄层状岩层组成。当顶板软弱岩层较薄时适用悬吊理论,用锚杆将薄层软岩锚固在坚硬岩层上即可以保证安全。这种条件在美、澳等国外先进采矿国家比较普遍,因而煤巷锚杆使用比重较高。但我国煤层赋存条件复杂多样,多数条件顶板软弱层较厚,松动破碎区范围大,悬吊理论不适用,支护困难较大。
以两淮矿区为例,大部分煤层顶板是由多层松软岩层和煤线组成的复合破碎顶板,比如淮南矿区13槽、11槽和6槽煤层,淮北临涣煤田7#、8#、9#煤层,宿县矿区8#煤层。这些煤层内广泛分布的顶板具有如下赋存特点:
1)顶板结构复杂,软弱夹层和层理十分发育,掘后顶板破碎范围大,空顶自稳时间短,极易发生离层垮冒;
2)煤层结构复杂,多数煤层含有坚固性系数f值仅为0.2~O.5的软弱煤线,煤体松散破碎,坚固性系数f值低于1.0,锚固性能差;
3)采深普遍达到500——600m,部分进入800m 以下;
4)煤层赋存状态频繁变化,构造影响随处可见、随时可遇,区域构造应力十分突出,水平应力的作用显现明显;
5)高瓦斯矿区,通风断面要求大,巷道跨度大;
6)顶板裂隙水发育,泥化严重。
我们称这类顶板为离层破碎型顶板。该类顶板累计不稳定层厚度很大,常常达到5.O~1O.Om以上,受巷道空间限制锚杆长度一般不能超过3.Om。在该种条件下采用高强树脂锚杆支护后,锚固区岩体得到有效加固,但整个锚固区仍处于不稳定范围内,即锚杆支护能限制锚杆长度范围内岩体的变形,消除锚固区内离层,并产生很大的支护抗力,但避免不了在锚杆长度以外的顶板弱面离层,进而导致垮冒,顶板的安全可靠性很低。
二、 煤巷顶板离层控制原理
(一)、 顶板垮冒类型
通过煤巷掘进施工迎头的长期观察,结合国内部分煤矿的一些典型冒顶现象[3-4],离层破碎型顶板主要表现为2种垮冒类型:随巷道掘进开挖出现临空自由面,应力重新分布,软弱围岩必然出现破坏,通常有0.5~1.5 m厚的松动层(顶板煤岩互层)随掘随冒,有时受端头效应影响处于潜在冒落状态,打眼等微小的施工扰动都可能诱发垮冒.而目前的支护方式和施工技术客观上具有一定的滞后性,因此顶板表层软弱岩体的冒落是不可避免的,称之为松脱型垮冒(图la),其范围一般在0.5~1.5 m内,主要是岩层自重对裂隙产生的张拉作用,产生的负荷一般在15~25 kPa以内.随着松动范围扩展到锚固区以外,在水平应力和自重应力双重作用下,锚固区发生弯曲变形,上位弱面受水平剪切破坏,层间位移导致弱面离层[5],密集的锚杆群尾部产生的局部应力集中进一步加剧附近软弱面的离层破坏,锚固区变形持续发展直至整体垮冒,称之为挤压型垮冒(图lb)
(a)松脱型垮冒 (b)挤压型垮冒
图1 离层破碎型煤巷顶板的2种垮冒类型
目前常用的顶板控制方式为架棚支护和普通高强锚杆支护,由于架后空虚,棚式支护架设之初对顶板松动岩体没有任何作用,而“九五”期间形成的锚杆支护技术更多地强调了锚杆支护系统的强度,其初锚力仍很低,一般仅能达到5 kN/根,尚不足以平衡松脱岩体重量,因此这两种低初始支护力的支护形式不能阻止松动范围的进一步扩大,不能防止松脱型冒顶,直到松动破坏岩体充满架后空区支架才起
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