三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究

实 施 方 案

承担单位： 义煤集团铁生沟煤业有限公司 研究机构： 河 南 理 工 大 学 起止年月： 2012年10月――2014年3月 项目负责人：

目 录

1项目来源及目的和意义 ...................................................... 1 1.1项目来源 .............................................................. 1 1.2研究目的 .............................................................. 1 1.3立项意义 .............................................................. 1 2国内外研究现状及存在问题 .................................................. 3 2.1国内外研究现状 ........................................................ 3

2.1.1三软煤层回采巷道支护理论研究现状 ................................... 3 2.1.2三软煤层回采巷道支护技术研究现状 ................................... 6 2.1.3三软煤层回采巷道稳定性控制设计方法研究现状 ......................... 8 2.2存在的主要问题 ........................................................ 9 2.2.1让压支护技术在时间和空间上存在模糊性 .............................. 10 2.2.2对三软煤层回采巷道最佳支护时间选择存在盲目性 ...................... 10 2.2.3对支护设计理念缺乏认识 ............................................ 11 2.2.4三软煤层回采巷道理论研究缺乏实践性 ................................ 11 2.2.5对三软煤层回采巷道支护材料的物理力学性能研究缺乏 .................. 11 3主要研究内容、研究方法和技术路线 ......................................... 12 3.1主要研究内容 ......................................................... 12 3.2研究方法 ............................................................. 12 3.3技术路线 ............................................................. 13 4关键性研究 ............................................................... 13 5研究工作基础条件 ......................................................... 14 5.1技术力量 ............................................................. 14 5.2试验设备 ............................................................. 14 5.3相关研究成果 ......................................................... 14 6资金来源及概算 ........................................................... 15 7研究计划进度 ............................................................. 15 8参考文献资料 ............................................................. 16

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

1项目来源及目的和意义

1.1项目来源

该项目属于2012年度义马煤业集团科学研究计划项目，项目编号：xxx。

1.2研究目的

本研究将从“三软”煤层回采巷道的大变形、长流变特征出发，针对义煤集团铁生沟矿11150回采工作面两巷的变形破坏支护难题，采用U型钢+门式立柱并配合煤层注水防片帮冒顶技术，对“三软”煤层破碎围岩回采巷道进行强力复合支护，以解决“三软”煤层回采巷道控制技术性难题，为未来“三软”煤层回采巷道的支护技术和支护理论开辟一条崭新途径。

1.3立项意义

自20世纪70年代以来，煤矿三软煤层回采巷道围岩控制问题已逐渐成为影响煤矿生产建设的重大技术难题。据不完全统计“九五”期间，我国在建的10个能源建设基地中8个出现三软煤层回采巷道支护问题，造成建井困难，投资巨大，其它矿区三软煤层回采巷道支护问题也日趋严重。其中大量节理裂隙极为发育的破碎三软煤层回采巷道在高应力作用下变形强烈，往往由于巷道支护措施不当，使得大量破碎三软煤层回采巷道逐渐陷入“前掘后修”的恶性循环，不仅浪费大量人力物力，而且直接影响煤矿高效生产，危及人身安全。尤其是近年来，随着煤矿开采深度和强度的不断增加，出现了大量的三软煤层回采巷道的支护难题，致使巷道维修费用大大超过成巷费用，大量的巷道因维护不当而报废，造成矿井无法正常生产。因此，研究煤矿生产中三软煤层回采巷道变形力学机制及三软煤层回采巷道的支护对策问题己成为煤矿开采面临的重大课题，这一问题己引起世界各国采矿界的高度重视。

本研究课题将依托义煤集团铁生沟煤矿11150回采工作面两巷为原形，综合运用岩石力学理论、弹塑性理论、流变理论和现代支护理论中的坍落拱理论、新

~ 1 ~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

奥法理论、应变控制理论、大变形理论、能量支护理论等，通过现场观测、数值模拟、实验室试验研究和理论分析、工程试验等方法和手段，在前人研究的基础进一步的深入探讨三软煤层大断面回采巷道破坏机制和支护机理，寻求一种新的控制三软煤层回采巷道变形破坏的支护技术和手段，以期破解三软煤层回采巷道支护难题。该项目的研究成功，不仅对义煤集团铁生沟煤矿三软煤层大断面回采巷道控制技术具有重要现实意义，同时，对于国内其它同类矿井的三软煤层回采巷道的支护问题具有很好应用价值和推广意义。

~2~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

2国内外研究现状及存在问题

2.1国内外研究现状

2.1.1三软煤层回采巷道支护理论研究现状

煤矿中的回采巷道是一种特殊类型的巷道，其围岩条件较复杂，巷道围岩的受力状态较差，其特点主要表现在三个方面:(1)回采巷道开挖前后岩体中应力较高，应力场变化复杂。这主要因为煤系地层中的原岩应力是不均匀的应力场，受断层等地质构造的影响很大，同时回采巷道还要经受采煤工作面推进过程中形成的移动支承压力的作用。(2)巷道围岩组成比较复杂，分层性质显著，分层之间的强度相差几倍到几十倍不等。(3)回采巷道的围岩强度人多较低，一般由各种粒度的砂岩、页岩及泥岩等沉积岩组成。回采巷道围岩压力显现一般很强烈，围岩变形量大，且各个方向变形存在相当大的差异，这对支护技术和参数的选择提出了特殊的要求。

（1）国外研究现状 ①新奥法理论

新奥法是60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz在总结前人经验的基础上提出来的一套隧道设计、施工新技术。随后，逐渐运用到煤矿三软煤层回采巷道支护中去。目前，已成为三软煤层回采巷道支护主要的理论之一。

新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性、岩石三轴压缩应力应变特性以及莫尔（Mohr）学说基础上，并考虑到隧道掘进的空间和时间效应所提出的新理论。1980年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：在岩体或土体中设置的是地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身成为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支撑环。

虽然新奥法的应用己经十分广泛，但是不同的使用者对它的解释还存在着矛盾。实际工程中存在着一种倾向，就是盲目地把新奥法应用于不适宜的地质条件，从而使这些巷道工程出现这样或那样的问题。这种情况在中国同样存在，尤其在煤矿，人们对三软煤层回采巷道的物理含义和力学性质理解不够、对利用仪器进

~3~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

行巷道变形及荷载测量的重要性认识不足，不仅时常出现不合理的套用理论来解释煤矿采动影响巷道、极软弱膨胀松散围岩巷道的支护机理，而且也出现过因应用新奥法不当，而造成锚喷或锚网喷支护的巷道大面积垮落、坍塌等事故，导致人力、物力的巨大浪费与损失。

②应变控制理论

日本的山地宏和樱井春提出了围岩的应变控制理论。该理论认为：隧道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而允许应变则随支护结构的增加而增大。因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许范围之内。支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。

③能量支护理论

20世纪70年代，萨拉蒙（M.D.Salamon）等又提出了能量支护理论，该理论认为：支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放名余能量的功能。

④数值计算方法

目前，数值计算方法日趋成熟，如有限元、有限差分、边界元，离散元等，以此为基础出现了大量的计算软件，如ANSYS、ADINA、UDEC、FLAC、FINAL、SAP等都开始逐渐为用户熟悉，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工程中得到了广泛的应用。

（2）国内研究现状

我国在高应力三软煤层回采巷道支护理论等方面的研究工作起于上世纪 50 年代，但当时许多矿区还未进入深部开采，这方面的技术和理论研究发展比较缓慢。随着开采深度的增加，到了上世纪 80 年代高应力三软煤层回采巷道支护理论和技术得到了较大的发展，现已形成了几种具有代表性的支护理论。

①轴变理论和系统开挖理论

由于学馥等人（1981年）提出的“轴变理论”和“系统开挖控制理论”，“轴变理论”认为：巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍塌是改变巷道轴比，导致应力重新分布，高应力下降低应力上升，直至自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。“开挖系统控制理论”认为

~4~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能，可以自行稳定。

②联合支护理论

由冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上，又提出了“联合支护技术”，认为：对于三软煤层回采巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术、锚喷网架支护技术、锚带网架、锚带喷架等联合支护技术。

③锚喷一弧板支护理论

以郑雨天教授、孙钧教授和朱效嘉教授为代表的学者提出了锚喷一弧板支护理论，该理论认为：对三软煤层回采巷道总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式为“钢筋混凝土弧板”，要坚决限制和顶住围岩向中空的位移。

④关键部位耦合组合支护理论

由何满潮教授提出的关键部位耦合组合支护理论，认为：巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度、结构等方面存在不耦合造成的。要采取适当的支护转化技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。

⑤围岩强度强化理论

由侯朝炯、勾攀峰教授等人提出的锚杆“围岩强度强化理论”，提出锚杆与围岩相互作用组称锚固体，锚杆可改善锚固体力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化，形成共同承载结构，充分发挥围岩自承能力。锚固体

随锚杆支护强度的增加而提高，锚固体强

度得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。

⑥围岩松动圈理论

由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论，其主要观点为：儿是裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。

⑦定量的控制分析理论

定量支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。目前，流变力学、断裂力学、非连续介质力学、复合材料力学、损伤力学、时间序列分析理论、

~5~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

灰色系统理论和人工神经网络理论等都引入了三软煤层回采巷道工程的研究。但由于考虑了各种因素的本构关系过于复杂，涉及的各种参数甚多，计算非常复杂和困难，而要确定支护力的大小，尚需要强度理论或稳定准则，复杂条件下的强度理论或稳定准则目前研究尚很不充分，所以难以将力学模型用于支护力的大小设计。而且目前建立的模型难以考虑支护过程和围岩变形过程，现有的定量支护理论既不能像新奥法那样可以直接指导三软煤层回采巷道支护的设计与施工的各个环节，也不能确定支护力的大小。不过随着计算机和数值计算方法的发展，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算机软件大量涌现，为地下工程围岩支护理论及其方法的研究提供了更加有力的工具。 2.1.2三软煤层回采巷道支护技术研究现状

（1）国外三软煤层回采巷道支护技术

美国和澳大利亚早期煤矿支护为砌碹、锚喷、金属支架等，近几十年以锚杆支护为主体。对于稳定和较为稳定的围岩重点采用普通锚杆支护，对于深部围岩多采用锚网、组合锚杆（网）、高强超长锚杆（网）等支护形式，对于极不稳定围岩主要采用组合锚杆桁架、锚索支护等，对一些特殊地点如随掘随冒，淋水大又破碎的地方采用金属支架。

西欧如英、法、德等国直到80年代仍以金属支架为主，对于不同围岩采用不同的金属支架，金属支架有专门的工厂统一加工，质量过硬、性能可靠、机械化安装调试，因此支护效果很好，但是从80年代以后开始引进锚杆技术。

俄罗斯和波兰等国至今以金属支架为主，金属支架用量约占支护总量的70%左右，辅以锚喷、木支架和砌碹等。对于深部高应力三软煤层回采巷道采用翻修的办法处理。

（2）国内三软煤层回采巷道支护技术

我国的支护类型更为多样，目前对于三软煤层回采巷道支护仍然是以金属支架支护为主流，现在尽管煤巷锚杆支护有了较大的发展，但是，由于三软煤层回采巷道围岩的特殊性，种种原因，锚杆支护技术始终没有在三软煤层回采巷道中得到广泛的推广和应用。

①锚喷支护

~6~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

1872年，英国北威尔士露天页岩矿山首次使用锚杆加固边坡。1912年，德国列兹矿山首次使用锚杆支护矿井。所以说锚杆技术已经有100多年的发展历史，但是真正被广泛使用主要是近五十年的时间。我国自50年代开始尝试使用锚杆技术，70年代煤炭工业部将锚喷技术定为井巷支护的发展方向，对锚喷支护技术进行系统研究总结和锚索实践，促进了锚喷技术的应用研究。80年代出现了一些锚喷支护技术用于隧道三软煤层回采巷道支护的成功范例，使锚喷技术得以巩固和发展。

这些年来，锚喷技术有了长足进步，从早期的胀壳锚杆、倒楔锚杆、楔缝锚杆等机械锚杆过渡到锚固性能良好、适应性更为广泛的树脂锚杆、水泥药卷锚杆以及自进式锚杆等。喷层材料从原来的素砂浆水泥、素混凝土到研制出掺加各种纤维的具有一定柔度的纤维混凝土。通过掺加聚乙烯、丙烯、尼龙等结晶聚合物制成的复合纤维材料大大增加了喷层适应三软煤层回采巷道大变形的能力，通过掺加微硅等微细填充材料，增加了喷层与岩面的密贴性能与强度等。

但是实践证明，普通锚杆有时难以满足三软煤层回采巷道大变形、高低应力的支护要求。超高强度螺纹钢锚杆具有更高的屈服强度（600MPa）和破断强度（800MPa），预紧力可以提高到600N/m。采用超高强度螺纹钢锚杆支护为巷道围岩提供了强大的支护阻力（比普通锚杆支护高36倍以上），大大增加了巷道围岩离层、变形和层理裂隙等弱面发展的约束力。此外高强度或超高强度螺纹钢可以实现全长锚固，有效控制巷道的大变形，提高支护系统的安全可靠性。

另外，三软煤层回采巷道松动范围大、岩体强度低，单纯使用锚杆支护难以使破碎岩块完全处于受压状态形成组合拱。要真正发挥锚杆的支护优势，必须从提高围岩的强度和变形模量入手，改变围岩的变形规律。

②金属支架支护技术

80年代末期，随着矿井采深日益加大，三软煤层回采巷道问题日渐突出，锚喷支护技术的成效开始降低，矿井发生底鼓、片帮等大变形现象，U型钢可缩支架受到重视，并受到了良好的效果。

U型钢可缩支架具有良好的断面和几何参数，搭接后可以缩让，支架本身没有塑性变形和损坏。不足的地方是支护强度仅为0.05～0.1MPa，不能有效控制围岩变形，自身可缩量有限，在很小的压缩量下就会发生破坏。但是，在三软煤层回采巷道中采用U型钢可缩支架+壁后充填技术，大大提高了U型钢可缩支架

~7~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

支护强度，如果在U型钢可缩支架和巷道围岩之间预留一定间隙和增加缓冲层，提高了支护体与围岩变形规律的耦合性，对三软煤层回采巷道无疑是一种理想的支护形式。

③联合支护技术

联合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。如果能充分发挥每种支护方式的支护性能，优势互补，就会提升支护效果和扩大使用范围。

联合支护有多种类型，如喷射混凝土+U型钢可缩性支架、U型钢可缩性支架+注浆壁后充填加固、锚喷+注浆加固、锚喷+弧板支架以及锚喷+注浆+U型钢可缩支架等。

总体而言，国内支护技术和国外相比差距不大，但国外的支护设计和制造更为规范和先进，安装和检测设备也更为先进和可靠。

上述研究成果在三软煤层回采巷道支护的各个方面都具有一定的代表性，但是大多数主要针对于原始开掘的巷道锚网索支护技术上，而系统的研究三软煤层回采巷道U型钢支架+混凝土喷层壁后充填支护技术极为少见。 2.1.3三软煤层回采巷道稳定性控制设计方法研究现状

在三软煤层回采巷道稳定性控制设计方法研究方面，也取得了较大的进展。最开始由于相关理论研究的不成熟广泛采用工程类比法，随着支护理论及相关学科的发展，出现了理论计算法、现场施工监测反馈法、非线性大变形力学设计法、计算机数值模拟设计法及多种设计方法的有机结合等，经历了一个逐渐发展的过程。现分述如下：

（l）工程类比法

依据可靠的基础资料、工程环境资料和类似地质条件相邻矿井的支护及围岩变形的有关资料，在对这些资料、工程条件分析的基础上进行类比方案设计。

（2）理论计算法

根据三软煤层回采巷道工程岩体和工程环境的相关资料确定三软煤层回采巷道类别、岩体结构、地压显现类型，建立相应力学模型和计算方法。通过验算巷道位移、支架的最大反力及支护结构力学参数等，从总体上验算工程类比法所选取的支架类型及设计参数是否符合巷道围岩变形规律。

~8~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

（3）现场施工监测反馈法

依据岩体动态施工过程力学，复杂岩体工程的设计与施工是一个非线性力学过程，其稳定性与应力路径紧密相关，取决于分步开挖与支护的方案，必须运用动态规划原理对施工过程进行优化设计与分析。施工监测内容包括岩石的物理力学性质确定、巷道收敛、支护荷载以及典型地段围岩深部位移监测等。依据实测数据资料整理分析，反馈信息，及时调整工程设计参数，完善初步设计方案。

（4）非线性大变形力学设计法

何满潮教授根据三软煤层回采巷道工程力学支护理论的研究成果，首次提出了三软煤层回采巷道非线性大变形力学设计方法。该设计方法认为，地下工程围岩的破坏多数是由于支护体与围岩在强度、刚度和结构上存在不耦合造成的，三软煤层回采巷道工程的支护应该从分析其变形力学机制入手，对症下药，采取适当的支护转化技术，使复合型转化为单一型。十多年来，该设计方法在全国30多个矿井推广应用，并且取得了良好的经济和社会效益。

（5）计算机数值模拟设计法

随着计算机技术的飞跃发展，工程数值计算方法日臻成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以此为理论基础的、适用于不同工程对象特点的岩土工程数值计算软件大量涌现，如ADINA、FINAL、UDEC、FLAC以及ANSYS等程序。针对具体深部工程特性，选用能最大程度地体现其工程特点的数值软件，根据工程及岩体物理力学参数，设计不同的支护方案及参数设计，据此构建相应力学模型，通过模拟运算来优化设计方案及参数。该方法目前在深部巷道及其它地下工程支护设计中得到了广泛的应用。近年来，利用数值模拟手段对深部巷道支护的机理进行研究也取得了一定的成果，对大断面铜室及交叉点支护、动压巷道支护等方面都作了大量的卓有成效的研究。

2.2存在的主要问题

大量的理论研究和工程实践表明，三软煤层回采巷道失稳破坏与巷道围岩的工程地质条件、应力场特征、岩石的矿物成分、物理、化学、力学特性、采掘扰动等因素密切相关。关于巷道破坏机理的研究也从只考虑单一因素向多因素综合考虑深入，由此发展起来的三软煤层回采巷道稳定性控制技术，也从单一的强力

~9~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

支护向多因素综合控制方面发展。上述理论与技术，对于保证煤炭资源开采过程中巷道稳定性控制做出了重要的贡献。然而，随着煤炭资源开采逐渐向深部发展，特别是在“三高一扰动”的复杂地质力学环境下，使得现有理论与技术难以适应深部三软煤层回采巷道工程稳定性控制要求，现有的适用于浅部巷道稳定性分析理论、设计方法和控制对策在解决深部三软煤层回采巷道定性问题方面存在许多问题，主要表现在以下几个方面：

2.2.1让压支护技术在时间和空间上存在模糊性

随着高应力三软煤层回采巷道支护技术的发展，逐渐形成了一次让压支护，二次加强支护的支护思想。长期以来，一次让压支护多采用锚网、预留巷道断面和锚喷＋塑性充填层等支护方式，并获得了较好的支护效果。但总体来看，目前采用的一次让压支护，无论锚网喷支护还是预留巷道断面金属支架等支护方式都是预先必须限定围岩的变形空间，如果预先限定的变形空间太小就不能充分释放围岩的变形能，如果围岩变形空间过大会使浅部围岩的弱化程度加大，围岩的整体强度降低，不利于发挥围岩的承载能力，这也是造成二次支护失败的主要原因之一，寻求一种主动有控卸压与围岩变形的相协调的三软煤层回采巷道支护技术是解决此问题的关键。

2.2.2对三软煤层回采巷道最佳支护时间选择存在盲目性

工程实践和试验均已证明，三软煤层回采巷道的破坏是一个渐进的过程，一般都会出现蠕变速率衰减、稳定和加速三个阶段，三软煤层回采巷道在这三个阶段的流变参数也并非定值，而是与时间和所处的应力水平有关。尤其是对深部三软煤层回采巷道受“三高一扰动”的复杂地质力学影响，特别是受巷道掘进与其它采动集中应力的作用，使得深部三软煤层回采巷道表现出软岩变形破坏的复杂性，建立在传统的经典线性力学理论基础上的巷道失稳机理研究成果，已难以甚至无法解释深部三软煤层回采巷道工程破坏失稳的非线性力学过程。关于二次支护控制三软煤层回采巷道蠕变那个阶段以及控制方法都还缺少相应的研究。

~10~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

2.2.3对支护设计理念缺乏认识

传统支护方式没有意识到支护材料间、支护材料与围岩间的耦合作用，只是被动地、机械的通过多种支护材料的联合使用，以期增加支护强度。由于高应力三软煤层回采巷道工程在地质条件恶化、地应力增大、碎裂岩体增多等复杂环境下，巷道围岩的受力、变形和破裂特征、巷道围岩应力的时空分布规律等方面与浅部岩体工程具有许多不同的特点，从而造成深部三软煤层回采巷道变形破坏产生的机理也明显区别于浅部开采条件，对于三软煤层回采巷道仍沿用浅部的技术从而可能导致：①对已经进入深部的三软煤层回采巷道工程仍沿用传统的适用于浅部的理论、方法和技术，将造成巷道大量返修甚至出现工程事故；②一味出于安全等方面的考虑，对尚未进入深部的浅部三软煤层回采巷道工程采取过于保守的工程措施，造成大量不必要的浪费。 2.2.4三软煤层回采巷道理论研究缺乏实践性

三软煤层回采巷道二次支护设计的主要目的是控制围岩变形在允许的范围内，二次支护前最大程度地释放围岩的变形能，充分发挥围岩自身承载能力。因此，合理二次支护时间的确定就成为三软煤层回采巷道支护设计中的核心。当前采用的二次支护技术多是从新奥法、联合支护等理论发展形成的，这些理论也都间接考虑了围岩的蠕变特性对支护的影响，但由于新奥法等理论是由一些定性的原则组成，对三软煤层回采巷道的二次支护时间和最大允许变形量等支护设计参数，未能给出一个定量的解答，导致目前对三软煤层回采巷道的支护设计多是参考一些经验值，不能提供科学、准确地支护设计方案。现有的工程实践和理论研究成果表明，对支护材料的选型仍然停留在经验选择上，对支护结构的理论研究停留在破坏机理、作用机理、受力分析等方面。针对三软煤层回采巷道围岩强度低，大变形、长流变特点，提出适应于三软煤层回采巷道变形特征的围岩–支护协同承载体，将围岩变形速率控制在合理范围的支护技术与理论研究还不多见。 2.2.5对三软煤层回采巷道支护材料的物理力学性能研究缺乏

现有的煤矿工程实践和理论研究成果表明，对支护材料的选型停留在经验选

~11~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

择上。尤其是对三软煤层回采巷道支护起决定作用的壁后充填材料的物理力学性能、配合比、浆液的凝结时间、泵送时间、早凝早强和后期强度等方面缺乏研究，最终导致充填层早期开裂造成支护体完全破坏。对于锚喷支护起主要护表作用的混凝土喷层材料物理力学性能的研究更是缺乏，大量三软煤层回采巷道早期喷层脱落，一方面是由客观围岩应力所造成，另一方面是喷层材料物理力学性能影响和现场施工工艺所造成，因此，开展对壁后充填材料和混凝土喷层材料物理力学性能试验研究已成当务之急。

3主要研究内容、研究方法和技术路线

3.1主要研究内容

本文采用现场考察、理论分析、动态设计、数值模拟、实验室实验和现场信息化工业性试验等方法，主要开展以下几个方面的研究：

（1）三软煤层回采巷道围岩变形破坏机理研究

（2）三软煤层回采巷道支护结构与围岩相互作用机理研究 （3）U型钢可缩性支架联合支护机理研究

（4）三软煤层回采巷道强力复合支护的实验室相似模型试验研究 （5）三软煤层回采巷道强力复合支护的数值模拟计算研究 （6）主要影响因素对支架承载能力的影响研究

（7）壁后充填材料与混凝土喷层材料物理力学性能及试验研究； （8）三软煤层回采巷道强力复合支护关键技术研究； （9）三软煤层回采巷道支护技术方案动态信息化设计；

（10）三软煤层回采巷道强力复合支护过程设计与施工工艺研究； （11）现场工业性试验研究

3.2研究方法

（1）现场调查法。主要是收集巷道原来的支护方式、破坏状况和维修情况、目前的破坏状况。

~12~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

（2）理论分析法。研究相关的理论，并借鉴国内外其他矿井在这方面的技术成果，进行分析、评价，研究和建立科学的支护理论，确定出合理的修复加固方案和技术。

（3）现场试验研究和工程实践。通过现场试验和工程实践，运用各种检测手段考察现场实施效果，并对方案进行调整。

3.3技术路线

（1）对于现有的三软煤层回采巷道支护理论和支护技术进行全面分析，提出“U型钢支架+混凝土喷层+壁后充填”强力复合支护原理。

（2）通过工程地质调查、现场测试、室内试验、理论分析和数值模拟等方法，分析三软煤层回采巷道支护失稳机理，找出影响巷道稳定性的主控因素。

（3）根据室内外试验及现场实测结果，结合铁生沟煤矿11150工作面两巷变形破坏机理分析，运用强力复合支护原理来确定铁生沟煤矿11150工作面回采巷道变形力学机制，提出相应的控制对策；

（4）采用动态信息化设计方法对三软煤层回采巷道支护方案和参数进行初步设计；

（5）对三软煤层回采巷道强力复合支护初步设计方案应用FALC3D软件进行巷道稳定性数值模拟：

（6）进行现场工业性试验，并对实验效果进行观测分析； （7）根据井下试验效果，进一步优化设计方案和参数。

4关键性研究

（1）“U型钢支架+混凝土喷层+壁后充填”强力复合支护理论研究； （2）壁后充填材料的选择及其力学性能试验研究； （3）聚丙烯纤维混凝土喷层材料力学性能试验研究； （4）煤层注水防片帮、冒顶技术研究； （5）强力复合支护快速施工工艺研究。

~13~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

5研究工作基础条件

5.1技术力量

义煤集团铁生沟煤矿建矿投产10多年来，不断加强科技投入，注重科学研究，积累了丰富矿山开采和井巷工程理论研究和现场实践经验，目前具有一大批现场实践经验丰富的工程技术人员，为该项目的研究奠定了良好人力基础，保证了该项目现场测试的准确性和各项措施的顺利实施。

河南理工大学具有一大批实践经验丰富的、长期从事矿山压力与支护技术、地下工程围岩控制理论与技术、研究的专家、教授，可以为该项目研究做充分的人员和技术保证；

5.2试验设备

河南理工大学具有先进的矿山压力、相似材料模拟、岩石测试试验室和材料科学与工程实验室，能准确的测定煤层顶、底板岩力学性质及参数和煤层顶底板岩层的破坏变形相似模拟。大型相似材料模拟实验室和数值模拟实验，利用多功能三维相似模拟试验台，进行六面主动加载（各面压力单独可调），能实现模型岩层内部的三轴应力特征，能够对煤层顶底板岩层的破坏机理和失稳的影响因素进行模拟实验研究。利用FLAC数值模拟软件能够模拟验证顶底板以及各种现场测定数据的准确性和吻合性。

5.3相关研究成果

河南理工大学近年来所承担的相关课题《焦作矿区复杂应力三软煤层回采巷道工程实践和支护理论》、《复杂环境下围岩改性增强技术研究》、《三软煤层回采巷道水仓变形破坏机理与控制技术研究》、《极软煤层复合顶板回采巷道锚杆支护技术研究》《煤巷锚杆支护设计新方法及支护新技术》《高分散性纳米碳酸钙的合成与改性研究》等均取得了成功。编著出版《复杂应力区三软煤层回采巷道控制理论与支护技术》、《煤巷锚杆支护技术》等均获得了专家和学者的好评。

~14~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

6资金来源及概算

项目研究总经费：50万元，有义煤集团公司计划内提供30万元，铁生沟煤矿自筹20万。其中：外协研究经费30万元，见《技术合同书》。

（1）技术交流、技术培训费：5万元； （2）调研、购买技术资料费：7万元； （3）购买、租赁设备、仪器费：15万元； （4）直接消耗的材料、燃料、试验费：7万元； （5）论证、评审、验收费：3万元； （6）项目组人员工资、劳务费用：10万元。 （7）项目管理费用：2万元。 （8）研究报告编写、印刷费用：1万元

7研究计划进度

具体研究进展大致划分为五个阶段：

第一阶段（2012年11月～12月）：现场调查、收集资料、煤层及围岩岩样采集，对现有的11150工作面三软煤层回采巷道现场矿压观测；实测了现有三软煤层回采巷道支承压力显现特征；

第二阶段（2013年1～3月）：壁后充填材料的选择及其力学性能试验研究；聚丙烯纤维混凝土喷层材料力学性能试验研究；

第三阶段（2013年4～2013年6月）：三软煤层回采巷道强力复合支护方案设计。采用“数值模拟”和“理论计算法”确定支护技术参数，设计出技术上可行、经济上合理的支护方案。并通过计算机数值模拟试验来验证方案的可行性。

第四阶段（2013年7月～2013年10月）：在铁生沟煤矿回采工作面两巷选择试验地点进行工业试验。并对巷道掘进过程中的围岩变形、顶板离层进行观测，并对深部岩层变形情况进行钻孔窥视分析。根据矿压观测数据和钻孔窥视结果，

~15~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

进一步完善巷道支护方案，最终提出适合铁生沟煤矿三软煤层回采巷道强力复合支护技术最佳方案。

第五阶段（2013年11月～2013年12月）：在铁生沟煤矿及周边矿井推广应用。

第六阶段（2014年1月～2014年3月）：组织验收，根据理论研究、实验室测试和现场矿压监测以及推广应用情况撰写研究报告。总结研究工作，准备鉴定材料。

8参考文献资料

[1]何满潮，齐干，许云良，白雪松.深部三软煤层回采巷道锚网索耦合支护设计及施工技术［J］：煤炭工程，2007(3)

[2]柏建彪，侯朝炯. 深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报，2006 (2).

[3]姚爱军，何满潮.HJS复合型三软煤层回采巷道耦合支护［J］.建井技术. 2006(6).

[4]何满潮，邹正盛，邹友锋．三软煤层回采巷道工程概论[M]．中国矿业大学出版社，1993.10.

[5]李希勇，孙庆国.深部巷道围岩工程控制理论及支护实践[M]．中国矿业大学出版社，2001.11.

[6]李明远等. 三软煤层回采巷道锚注支护理论与实践[M]. 北京： 煤炭工业出版社， 1992.56～60.

[7]董方庭等著. 巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001，5.

[8]何满潮，袁和生，靖洪文，王方荣等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004，6.

[9]侯朝炯，勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩土力学与工程学报，2000，3.

[10]孙晓明.煤矿三软煤层回采巷道耦合支护理论研究及其设计系统开发[D].北京：中国矿业大学（北京校区），2002.

~16~

三软煤层回采巷道刚柔结合强力支护技术研究 实施方案

[11]孙晓明，杨军，曹伍富.深部回采巷道描网索稱合支护时空作用规律研究[J].岩石力学与工程学报，2007，5.

[12]杨德传，高明屮，盛武等.深部煤巷锚网索耦合支护应用研究[J].煤炭工程，2011，2.

[13]李冲，徐金海，吴锐等.深井三软煤层回采巷道锚索-网壳衬砌耦合支护机理与实践[J].采矿与安全工程学报，2011， 6.

[14]田磊，谢文兵，荆升国等.综放跨采巷道棚-索耦合协同支护技术[J].煤炭科学技术，2011， 11.

[15]何满潮，齐干，程骋等.深部复合顶板煤巷变形破坏机制及藕合支护设计[J].岩石力学与工程学报，2009， 5.

[16]柏建彪，侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报，2006，2.

[17]中国知网全文数据库：http://www.cnki.net

~17~

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kq8o.html