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1概况1.1课题的提出城郊开拓采准目前已进入到-800m水平，距地表深度最大将达到1000m以上，因而带来的问题是：矿山主要开拓及采准巷道支护困难，原有的支护技术与措施失效，巷道返修率高，永久性巷道支护后存在片帮、底鼓等现象，需要多次维护与加固，维护工作量大，支护成本高；其它采准巷道支护时间短，维护量大，作业不安全，对矿山的正常安全开采带来了严重影响。另外，局部采准巷道受动压影响大，造成巷道维护困难。若采用传统的支护方式，造成施工进度慢，进而影响全矿井的采掘接替。大采深、高地应力等特殊的地质采矿条件，决定城郊煤矿巷道支护特别困难。在二2煤巷道掘进中表现出巷道矿压显现特别显著，传统的锚网支护几乎不能有效控制巷道围岩变形。为此，城郊煤矿适时调整了顺槽锚杆（索）支护参数，但仍然出现断锚杆、锚索压脱、巷道整体变形量大和大部分巷道复修架棚的情况，巷道支护效果仍不理想。因此，城郊煤矿各巷道围岩的合理、稳定控制是目前生产中所面临的亟待解决的首要问题。为探询合理有效的解决深部高地应力巷道支护这一难题，城郊煤矿的技术管理人员，经过多方调研，采用先进的支护理念，尝试解决城郊煤矿二2层巷道的锚杆支护问题，并于2011年6月开始启动“岩体结构特征统计评价及巷道支护技术应用研究”课题。该课题旨在研究两水平不同采深条件下，采区两巷、上（下）山、顺槽等开采后围岩的分类，并针对不同围岩分类提出具体的支护形式及参数，做到今后支护设计中有据可依。该项目通过现场试验的方法，经过将近一年的试验观测表明：项目所采用的让压支护理念和注浆锚杆，成功地解决了大采深的巷道支护问题。另外，采用锚网喷结合壁后注浆的支护形式，有效解决了岩巷支护问题。针对城郊煤矿复合顶板厚的特点，选取了特定的支护形式，确保锚杆锚索耦合支护达到最好效果；针对城郊煤矿回采巷道受动压影响变形严重情况，利用力学分析，提出了沿空掘巷回采巷道非对称锚网支护技术。该项目获得的技术成果可以在周围矿区巷道支护中推广应用，该技术成果具有显著的经济效益和社会效益。1.2研究现状我国是发展中国家，正处于国民经济高速持续发展时期，依靠国外的能源保障和矿产资源的持续供应是不可想象的，且浅部资源的开发已接近尾声。因此，深部资源的开发和利用不仅是必然的世界性的发展趋势，而且将成为21世纪我国最经济、最有效的能源和矿产资源保障措施。80年代以来，深井开采的事故越来越严重。以南非为例，在南非深部金矿的开采中，由于地震等事件诱发的岩爆、岩石冒落，使南非的采矿工业成为最危险的工业之一。一些有深井开采矿山的国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非，波兰等，政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合深部开采相关技术开展基础问题的研究。南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7月开始启动了一个“DeepMine”的研究计划。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期10年的两个深井研究计划。美国Idaho大学、密西根工业大学及西南研究院就此展开了深井开采研究。西澳大利亚大学在深井开采方面也进行了大量工作。我国50~60年代建成投产的矿井，每年都在以12～15m的速度延深开采，初采水平300~400m的矿井现在都已达到了700~800m，甚至更深。我国煤矿开采深度超过600m的矿井已超过100对。有近20对矿井进入1000m以下开采，其中新汶矿业集团就有4对矿井进入1000m以下开采。关于深部的定义：有专家提出以岩爆发生频率明显增加来界定，也有专家认为应以围岩达到岩石的强度来界定。但深部开采中的煤矿与金属矿有明显的差异和不同，根据目前和未来的发展趋势并结合我国目前的客观实际，大多数专家认为中国的深部资源开采的深度可界定为：煤矿500m以下，金矿与有色金属矿1000m以下。关于深部与浅部的区别：专家一致认为是“三高与时间效应”，即深部岩体处于地应力高、温度高、渗透压高以及较强的时间效应。由于“三高与时间效应”，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性变化，也是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。深部、大倾角、冲击危险煤层的安全高效开采，一直是我国急需解决的重大研究课题。随着采深的增加，井下所暴露的问题日益严重。地压、地温、冲击矿压、瓦斯和水的问题已成为制约一些矿井正常生产的主要原因。加强深部开采方法和灾害机理的研究，采取切实可行的技术方法进行深部开采，对大部分矿区来说确实势在必行。在深部开采掘进过程中，特别对于巷道支护，要面临很多影响矿山安全和生产的问题：1）随着采深的增加，压力增大多少；2）巷道变形范围如何，变形量多少；3）控制巷道变形，保持巷道应有断面需要什么样的支护方式；4）深部岩性受温度、湿度的影响有什么变化特点；5）巷道周边的主应力方向如何；6）应力随采深增大的梯度是多少。这些问题直接影响煤矿的生产安全，其变化有什么规律和特点，必须研究清楚。也有部分矿井对此采取了措施，也确实收到一定的效果，控制了巷道变形恶化的现象，但这些措施的依据是什么，却不十分清楚，缺乏研究，只能起到暂时治表的作用。但随着采深增加，这些方法就会既不经济又不奏效，起不到作用。也有的矿井仍沿用浅部的支护方法和管理经验，从而造成支护失效，常出现大量的折梁断腿、锚杆失效、反复维修、冒顶塌方，耗费了大量的人力物力，仍不能保证正常的安全生产。究其原因，主要是对深部地压的显现规律掌握不清，没有掌握矿山压力的规律和特点，没有采取有针对性的支护方式和手段。因而难以提出合理有效的深部地压控制措施和配套的巷道支护方法。煤矿深部开采，首先揭露深部地层的作业是巷道掘进，所掘巷道是为了煤炭的安全有效开采。因此深部开采首先解决的是巷道“安全、高效、经济、快速”的支护问题。1.3矿井概况1.3.1二2煤层情况可采煤层二2煤层位于组中部，厚0.8m～7.68m，平均煤厚2.95m，煤层稳定，对比可靠，全区可采，偶含一层夹矸，结构简单可采煤层赋存条件：二2煤层至上部K4标志层底平均距离52.02m；与下部K4标志层顶平均距离49.10m，层位稳定，大面积内煤层表现为单层结构，仅在个别钻孔中见到双层结构，且分布零星。夹矸多为泥岩和炭质泥岩厚度小，范围不大。煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩，局部为砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩和砂岩，厚度稳定，结构简单。1.3.2水文地质情况新生界松散层划分为四个含水层组及四个隔水层组，由于新生界底部砂层少，富水性又弱，与基岩之间有平均厚44.29m的粘土隔水层，对矿床一般无充水影响。煤层顶板砂岩裂隙水是矿床主要直接充水的水源，但由于井田内砂岩富水性很弱，渗透性差，径流滞缓，补给源不足，故对将来的矿床开采一般不会造成太大的威胁。太原组上段灰岩是开采二2煤层的间接充水含水层，二2煤底板下距K3（L11灰岩，平均厚1.64m）平均距离50m，距L8灰岩（平均厚10.49m）平均距离80m，L8上距L11一般平均在30m左右，其间又有泥岩，砂质泥岩相隔，基本无水力联系，因此，如不受断裂构造影响，正常情况下不会造成突水。本井田断层富水性微弱，具有一定的隔水性能，一般情况下不会发生大导水威胁。1.3.3顶底板条件二2煤层直接顶、底板多为细中粒砂岩，厚层状泥岩（厚度一般大于5m），局部为砂质泥岩或薄层状泥岩，抗压强度一般大于600kg/cm2，岩石的完整性，稳定性较好，顶板易于管理，底板一般不易发生底鼓。1.3.4瓦斯、煤尘、地温等井田中各煤层沼气含量一般小于0.5cm3/g，属低沼气矿井。各煤层均无煤尘爆炸危险。各煤层均属不自燃发火煤层。井田内地温仅随深度的增加而增加。井田的平均地温梯度为2.67°C/100m，从地温梯度看，浅部地温梯度较高，深部地温梯度较低。从二2煤、三22煤层地温等值线图上看出，等温线与煤层底板等高线基本平行，二2煤层-500m以浅的地温一般低于30°，-600m以深的地温除井田东南部小面积低温区外，一般为一级高温区。在3127孔（F3断层西侧）-700m以深地段，地温大于31°，为一级高温区，其余地段地温一般低于31°。1.4研究内容与技术路线1.4.1研究内容研究不同采区间岩体结构的特征并在此基础上提出合理的支护参数。具体内容如下：1）以城郊煤矿的实际地质条件及地质资料，借助地质统计学原理，对岩体节理裂隙发育程度、沉积变化和构造影响等进行统计，而后应用模糊数学原理对整个矿区的地质条件特征分区域进行研究并加以分类描述。2）进行深部“HS”赋存条件下岩石力学性质实验及岩石力学参数反演研究。3）利用地质雷达测试技术测试围岩松动圈范围，并得出矿区围岩松动圈变化规律。4）针对不同围岩类型提出相应的锚杆（索）支护参数，包括锚杆（索）长度及直径、锚固长度、间排距、预紧力及锚固力设计等。5）借助AutoCAD-Ansys-FLAC3D等有限元、离散元软件研究岩体破坏及其运移特征，并对支护参数合理性加以论证。1.4.2技术路线2掘进工作面围岩分类及其控制2.1围岩分类2.1.1工作面柱状图统计对城郊煤矿各采区柱状图进行统计如下：表2.1各采区工程地质情况一采区辅助采区十六采区十二、十四采区煤厚/m3.362.472.68伪底0.37m砂质泥岩0.57m泥岩直接底13.65m细粒砂岩、粉砂岩3.98m泥岩或炭质泥岩6.3m细粒砂岩基本底2.98m砂质泥岩4.63m细粒砂岩16.37m中粒砂岩直接顶3.29m细粒砂岩8.28m砂质泥岩11.28m砂质泥岩基本顶8.61m砂质泥岩、2.34m细粒砂岩3.76m细粒砂岩5.16m中粒砂岩埋深/m-315~-390-410~-740-380~-600地面标高/m+32.1~+33.5+32.26~+33.45+32.79~+34.06面积/m240480028933726090794断层个数81438五采区八采区十采区九采区煤厚/m2.2232.82.39伪底0.3m伪底炭质泥岩、砂质泥岩1.09m厚泥岩直接底泥岩或砂泥岩互层、粉细砂岩3.98m砂质泥岩3.52m砂质泥岩11.74m细粒砂岩、砂质泥岩基本底大于15m中细粒砂岩大于10m中细粒砂岩大于10m中细粒砂岩10.76m细粒砂岩直接顶5.67m泥岩或砂泥岩互层、粉细砂岩6.71m砂质泥岩6.9m砂质泥岩6.01m泥岩、砂质泥岩基本顶9.53m中细粒砂岩或砂质泥岩7.88m中细粒砂岩或砂质泥岩7.88m中细粒砂岩或砂质泥岩6.51m中、细粒砂岩埋深/m-495~-800-330~-480-460~-670-600~-852地面标高/m+31.65~+32.2+32.81~+33.83+32.84~+34.84+31.87~+32.29面积/m22696635198639514299982218940断层个数31151618从表2.1中可以看出，五采区、八采区、九采区、十采区、十六采区顶板为泥岩类顶板，强度较弱，易形成厚度较厚的复合顶板，给巷道支护带来影响。煤层直接顶是煤层巷道支护的重要对象，它由泥质页岩和砂质页岩等强度较低的岩层组成．巷道开挖后若不及时支护，这部分岩层会发生较大变形而垮落。直接顶以上为老顶，由强度较高的砂岩、石灰岩和砾岩等组成。只有在少数情况下，煤层直接顶可能是强度较高的稳定岩层。实践证明，巷道浅部围岩，即巷道两帮、1.5h（h为巷道高度）顶板岩层以及1.0h底板岩层的强度对巷道围岩稳定性起决定性作用，围岩松动圈也是主要在巷道浅部围岩中产生和发展。因此，尽管实际矿山中煤层巷道的围岩组成千差万别，但大体可将城郊煤矿围岩分为图2.l所示的5种类型。第1种围岩组成特点是顶、底板岩层的强度较低，更深部为强度较高的老顶和老底；第2种围岩组成特点是顶、底板岩层都较坚硬，强度大大高于两帮的煤体；第3种围岩顶板为有一定厚度的直接顶，直接底板却是较坚硬的岩层；第4种围岩组成与第3类恰好相反。即直接顶较坚硬，直接底是煤或较软的岩层；第5种围岩顶、底板都是较坚硬的岩层，为岩石巷道，可以看成是均质的（这类型围岩在下一部分论述）。1234图2.1巷道围岩类型采区围岩分类见表2.2所示。表2.2城郊煤矿围岩类别分区表围岩类别123