由于煤体强度较低,深部回采煤巷一般属于工程软岩范畴,巷道开挖后,在工作面回采采动影响下,深部回采煤巷支护难度很大,巷道易出现较大的变形破坏,严重情况下会发生冒顶事故,造成工人伤亡和影响煤矿生产。冀中能源邯郸矿业集团云驾岭煤矿的掘进巷道大部分属于典型的深部软岩巷道,深部工作面回采煤巷支护问题尤为突出。本文以云驾岭矿八采区12808工作面回采煤巷(深部松散破碎巷道)为研究背景,结合实际矿井地质条件,借助理论分析、工程现场围岩松动圈观测、实验室实验及现场工业性试验等研究方法,对深部回采煤巷围岩稳定性、围岩松动圈大小、双壳锚注支护理论、双壳锚注支护技术进行系统分析研究,并通过现场检测和数值模拟分析原支护方案和双壳锚注支护方案下回采煤巷的围岩稳定性,初步确定双壳锚注支护方案中锚杆锚索的支护参数,研究深井软岩巷道破坏机理及支护参数优化设计和方案决策,并根据矿压观测对方案进行修正和完善,从而能够达到最佳的支护效果。本论文的主要研究成果如下:1.12808工作面回采煤巷稳定性评价为指导现场巷道支护和更合理确定巷道支护参数,需要对12808工作面运输巷围岩的稳定性进行分类。根据室内试验测试岩石试件力学参数和松动圈现场观测,分析巷道围岩的稳定性。(1)通过单轴压缩实验、三轴压缩实验、巴西(劈裂)实验,测试云驾岭煤矿12808工作面运输巷的基本顶、直接顶和直接底等岩石试件的单轴抗压强度、三轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等力学参数。结合云驾岭煤矿12808工作面运输巷的围岩的室内实验数据结果,采用新的模糊聚类分析评价方法对云驾岭煤矿12808巷道围岩进行稳定性评价,评价结果为IV类不稳定性巷道,为巷道支护方式和支护参数的初步制定提供了更加科学的依据。(2)通过采用声波法和窥视法对云驾岭煤矿12808工作面运输巷的围岩松动圈的测试,松动圈测试结果表明:顶板松动圈范围为1.5~2.2m;左帮松动圈范围为2.7m~3.5m;右帮松动圈范围为3.0m~4.2m。巷道四周围岩的松动圈范围均大于1.5m,右帮松动圈范围达到了4.2m,说明运输巷围岩条件较差,巷道稳定性很差,也验证了12808巷道围岩的模糊聚类分析评估结果的正确性。(3)结合松动圈测试结果和现场分析情况,12808回采煤巷围岩的破坏原因主要有以下几个方面:深部软软破碎回采煤巷的岩石强度低、巷道断面不合理、巷道支护强度不足、支护体锚固力不足。考虑到松动破碎大变形软岩巷道的松动破坏带范围大(3.5m以上),且围岩裂隙发育带范围更大,这两部分区域内的岩石强度都较低,变形量大且流变性强,由此产生的围岩荷载也很大。针对这种大变形软岩巷道变形破坏特点,论文提出了双壳锚注支护技术。采用锚杆注浆增强浅部围岩体的整体强度,采用锚索注浆强化深部围岩体的整体强度,从而实现巷道围岩的深部和浅部的双层注浆。2.深部松散破碎煤巷双壳锚注支护机理(1)基于云驾岭煤矿八采区12808工作面煤巷工程地质条件和围岩稳定性分析结论,提出深部松散破碎煤巷连续双壳锚注和非连续双壳锚注概念。然后,分析双壳锚注支护中围岩注浆和全长锚固锚杆(索)支护机理。注浆支护机理:改善围岩刚度和强度;注浆浆液固结体的骨架作用;注浆加固减小围岩松动圈;注浆加固防止风化;注浆能够有效改善锚杆锚索应力状态。全长锚固锚杆锚索支护机理:全长锚固锚杆可以将巷道周围内的煤岩体与锚杆粘结成一个较完整的整体,提高巷道煤岩体的抗剪强度和径向应力,从而抑制巷道围岩变形。(2)深部松散破碎煤巷双壳锚注支护理论基于弹性力学、塑性力学和岩体力学知识,建立松散破碎煤巷围岩变形破坏力学计算模型,在巷道无支护情况下,理论分析巷道围岩变形破坏情况(包括破碎区、塑性区大小及内部应力分布等),分析围岩岩石力学材料参数、巷道尺寸等因素对巷道围岩变形破坏的影响,为巷道后期锚杆索和锚注参数设计提供依据。巷道破碎区半径R_f=tR_p,巷道塑性区半径其中,初始地应力值是影响巷道(无锚注支护情况下)围岩稳定性的关键因素,其他影响巷道稳定的因素包括围岩内岩石的内摩擦角和内聚力、巷道半径等。很显然,锚注支护和锚杆锚索支护都会提高岩石的内聚力和内摩擦角,有利于大大增加巷道的稳定性。基于弹塑性力学理论和巷道围岩的变形破坏力学计算分析,结合煤巷锚注工艺技术,建立合理的支护结构理论计算模型,分析注浆和锚杆锚索对巷道支护影响程3.云驾岭煤矿深部煤巷双壳锚注支护数值分析(1)通过数值模拟分析不同巷道断面形状(矩形、梯形、切圆拱形和半圆拱形)对深部松散破碎煤巷的影响,确定最经济合理的巷道断面形状。数值模拟结果表明:相同地质条件和支护强度下,切圆拱形巷道的抗变形能力要远远优于矩形巷道和梯形巷道。(2)应用FLAC3D软件模拟分析12808回采煤巷在原支护方案和双壳锚注支护方案下巷道的稳定性。根据锚杆索的长度和支护密度对浅部围岩壳体和深部围岩壳体的范围和强度的影响大小,双壳锚注支护模拟方案1-6选取锚杆索的具体参数。数值模拟结果表明:在原支护方案下,巷道四周收敛变形量较大,且巷道顶底板围岩变形明显大于巷道两帮,巷道围岩塑性破坏区域较大,顶板围岩剪切破坏范围的最大厚度为5.1m,巷道围岩主要发生塑性剪切破坏。巷道内大部分锚杆(索)受力超过其自身极限强度。12808回采煤巷在原支护方案的顶板最大位移量、顶板塑性区厚度、顶板锚索受力极值远大于回采煤巷在双壳锚注支护方案1-6下的顶板最大位移量、顶板塑性区厚度、顶板锚索受力极值。(3)原支护方案和双壳锚注支护方案巷道围岩的变形破坏机理分析(1)在原支护方案下,深部大变形软岩巷道围岩产生较大范围的塑性变形和松动破坏,在锚杆锚索支护下,围岩体内部很难形成稳固的深部壳体支护结构,更难形成高承载力的浅部壳体支护结构,巷道最终产生失稳破坏。因此,在原方案支护下,巷道很难保持稳定。(2)12808回采煤巷锚注一体化支护方案提高了巷道围岩尤其锚固范围内围岩的力学性能,使全长锚固的锚杆、锚索,使锚杆锚索的支护加固作用更加突出,极大的减小围岩变形,保证大部分锚杆和锚索有效,维持了巷道长期稳定。双壳锚注支护结构分为浅部壳体锚注支护结构和深部壳体锚注支护结构两部分。根据锚杆锚索和注浆在双壳锚注支护中的作用机理,分析双壳锚注支护结构范围大小和支护强度:双壳锚注支护采用锚注一体化,即使用锚杆锚索钻孔实现注浆,因此,锚杆锚索长度决定了锚注围岩的范围和双壳的厚度,锚杆锚索长度越大,浅部壳体和深部壳体的厚度越大,围岩的内聚力和内摩擦角越大,即壳体内围岩自身强度都得到了不同程度的提高,因此围岩自承能力越大;另一方面,锚杆锚索支护密度决定了锚固区围岩强度提高程度,即支护密度越大,浅部壳体和深部壳体内围岩的内聚力和内摩擦角越大,同时,围岩径向的应力越大,越有利于巷道的稳定。因此,双壳锚住支护方案1~6中,随着锚杆(索)支护范围的增大和支护密度的提高,巷道支护效果肯定会越来越好。4.深部煤巷双壳锚注支护一体化一次施工技术研究和应用效果评价(1)经过不断研究和改进最终确定锚杆孔内下短管+锚索孔内下长管的注浆工艺,确定了注浆施工参数以及一体化一次成巷施工工艺流程。(2)从表面位移观测数据、锚杆索受力状况的统计数据可以看出,根据双壳锚注支护理论和数值模拟结果设计的深部软弱破碎回采煤巷的设计支护参数支护效果较好,围岩稳定性较好。(3)通过对多点位移计、钻孔内部变化录像及对巷表位移的观察分析:顶板的松软破碎圈在周围2m内,两帮的松软破碎圈在周围3~4m内。从目前拉拔试验情况来看,帮部松散破碎圈范围应该超过锚杆长度,但正常区域拉拔力可以达到17t,说明目前对锚杆锚固力影响不大。