软弱破碎顶板巷道围岩变形机理及控制技术

孙广京^1,2，王平^1,3,4，冯涛¹，余伟健¹，尹中凯²，蒋运良⁵，刘海⁵，李立新⁵

1. 湖南科技大学资源环境与安全工程学院2. 山东能源新汶矿业集团有限责任公司3. 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室4. 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室5. 广西百色百矿集团有限责任公司

摘 要：针对软弱破碎顶板巷道支护困难的问题,通过现场调查和钻孔探测发现软弱破碎顶板巷道围岩具有自稳平衡拱结构,但极不稳定,在扰动作用下表现为局部到整体的连锁失稳特征。现场取样进行试验,发现顶板破碎岩块强度低,帮部煤块裂隙发育、底板泥岩软弱是造成巷道全断面变形失稳的主要原因。原支护棚架架型不合理、接顶效果差、支护缺乏整体性以及支护系统不能协调变形是导致巷道失稳的直接原因。进一步试验表明,该巷道的软弱破碎岩样在侧限约束条件下压实后具有较高的承载能力,在无侧限约束条件下则难以自稳。掺入一定水泥进行胶结后形成的弱胶结岩体,其稳定性和承载能力有明显提高。结合普氏自然平衡拱理论和"类双曲线"模型,构建了软弱破碎顶板巷道围岩"抛物线-半双曲线"破碎边界扩张模型,发现软弱破碎顶板载荷呈指数形式增长,当帮部煤体不稳定时顶板载荷急剧增加,而底鼓是造成帮部失稳的重要因素。因此,提出了强力控制软弱破碎顶板,强化约束帮部煤体,加强隔水预防巷道底鼓的控制原理和"控顶先固帮,固帮先护底"的支护原则。针对州景煤矿5305工作面的实际情况提出了"双层金属网+喷射混凝土+预支撑囧形棚架+可缩性纵向连接器"的组合控制技术,经初步的现场工程实践,取得了较好的支护效果。

关键词：软弱破碎围岩;围岩变形;围岩控制;自稳平衡拱;