碎脹煤層復(fù)用留巷支護技術(shù)

秦海忠

（晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西 晉城 048000）

碎脹煤層復(fù)用留巷支護技術(shù)

秦海忠

（晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西 晉城 048000）

通過現(xiàn)場調(diào)研和鉆孔窺視等方法，分析受掘進擾動和采動影響時煤柱體的變化及裂隙張開、擴容變形情況；研究圍巖結(jié)構(gòu)對巷道圍巖變形和穩(wěn)定性的影響；同時借助數(shù)值計算軟件，分析圍巖強度和結(jié)構(gòu)與圍巖變形的關(guān)系，提出成莊礦5306工作面受多次采動影響下的碎脹煤層留巷巷道支護設(shè)計方案，并成功應(yīng)用現(xiàn)場生產(chǎn)實踐，取得了顯著的支護效果。

碎脹煤層；采動影響；鉆孔窺視；數(shù)值模擬

為了少掘巷道、減小煤柱損失和緩解采掘銜接緊張的難題，現(xiàn)多數(shù)大型煤礦均采用留巷。復(fù)用留巷巷道即巷道要經(jīng)受本工作面劇烈的回采動壓影響后留下來為下個工作面服務(wù)，采用何種支護方式才能確保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困擾廣大工程技術(shù)人員的一大技術(shù)難題。

1 試驗點調(diào)查及地質(zhì)力學(xué)評估

5306工作面東西兩側(cè)共布置四條順槽，5211巷、5216副巷做為5306工作面的兩條進風(fēng)巷服務(wù)于該面；5212巷、5212副巷為工作面的兩條回風(fēng)巷，其中5212巷兼作輔助運輸巷，5212副巷為瓦斯尾巷，5212副巷還作為5304工作面瓦斯尾巷，5211巷、5212巷沿煤層底板掘進。直接頂：4.22 m的泥巖，深灰色，含植物化石，高角度裂隙發(fā)育。老頂：11.30 m的中粒砂巖，灰色-深灰色，硅質(zhì)膠結(jié)，斜層理發(fā)育，頂部為粉砂巖及細(xì)砂巖。實驗室進行的煤塊單軸抗壓強度為30.9 MPa，強度比較大，但在井下巷道鉆孔中測出的煤體強度為10.05 MPa～21.20MPa?？梢?，由于煤層節(jié)理裂隙，顯著降低了強度。煤層直接頂為泥巖，單軸抗壓強度為35.9 MPa～65.8 MPa；老頂為灰色細(xì)砂巖，單軸抗壓強度為79.9MPa～91.2MPa。

成莊礦區(qū)進行過3個測站的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測量，3個測點中σH最大為16.06 MPa，最小為12.18 MPa，3 個測站側(cè)壓系數(shù) σH/σV分別為2.01，1.81，1.51，2.43，側(cè)壓系數(shù)均大于1，說明礦區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。3個測站最大水平主應(yīng)力方向為：N18°W，N36°E，N43.4°E和N45.9°E，大體上屬于北偏東方向。

2 圍巖結(jié)構(gòu)和強度對圍巖變形破壞影響分析

巷道圍巖是一個極其復(fù)雜的地質(zhì)體。與其它工程材料相比，巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙等，這些不連續(xù)面的存在顯著改變了巖體的強度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強度相差懸殊。因此有必要對成莊礦3號煤層的圍巖結(jié)構(gòu)進行仔細(xì)的調(diào)查，對不同的圍巖強度對巷道的穩(wěn)定性的影響進行分析。本次對成莊礦3號煤層，受回采動壓影響的窺視鉆孔窺視共進行了12個，如圖1所示分別為對3號煤層留巷巷道的幫部和頂板進行窺視的結(jié)果。

圖1 留巷巷道滯后工作面300 m處窺視照片

從圖1-a可以看出，留巷巷道滯后回采工作面300 m處巷幫窺視鉆孔從孔口至12 m深孔底基本都比較破碎，裂隙極其發(fā)育，多處孔內(nèi)煤體破碎掉渣，中間僅有2段長不足1m的孔壁相對完整。從圖1-b可以看出，留巷巷道滯后本回采工作面300 m處頂板窺視鉆孔深10 m，頂板往上3.3 m窺視鉆孔孔內(nèi)裂隙發(fā)育，孔壁破碎，并且裂隙和破碎比較連續(xù)，3.3m至孔底，徑向裂隙比較多，中間還還有2處軟弱夾層。

成莊礦目前留巷巷道為普通錨桿支護的巷道，在回采之前進行錨索補強。巷道雖然成功留巷，但從窺視結(jié)果可以看出，留巷巷道經(jīng)過本工作面劇烈的回采動壓影響后，頂板破壞深度已經(jīng)超過錨桿支護范圍，巷幫距巷道表面12m范圍內(nèi)基本上沒有完整的孔壁，破壞極其嚴(yán)重，在服務(wù)相鄰下一個工作面回采時已經(jīng)破碎的巷道圍巖變形將進一步加劇，部分嚴(yán)重區(qū)域變形將影響巷道的安全使用。

綜合分析窺視結(jié)果可以得出：成莊礦碎脹煤層在只經(jīng)受本巷道掘進動壓的影響時基本能滿足巷道的安全使用，當(dāng)受到臨近巷道的掘進動壓或回采動壓的影響后，巷道圍巖破壞比較嚴(yán)重，一般的錨桿支護很難保證巷道的安全使用。普通錨桿支護由于提供的軸向力與切向力僅能滿足不受動壓影響的巷道使用，當(dāng)巷道經(jīng)受臨近巷道的掘進動壓影響或工作面的回采動壓影響后，便不能阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動與滑動。所以成莊礦早期形成的巷道尤其留巷巷道，由于受到臨近巷道的掘進動壓影響或工作面的回采動壓影響，錨桿支護提供的力不夠，導(dǎo)致了不連續(xù)面產(chǎn)生移動與滑動，最終巷道發(fā)生變形破壞。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同圍巖強度下的巷道圍巖應(yīng)力、變形和塑性破壞區(qū)進行分析。對于留巷巷道，兩幫多為煤體，強度相對巖體較小，煤巖體強度的變化對巷幫煤體的應(yīng)力分布和應(yīng)力大小變化有較大影響。隨著煤巖體強度的增加巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)域逐漸減小，應(yīng)力集中系數(shù)明顯增加，但煤巖體應(yīng)力集中系數(shù)增加的速度減小。隨著煤巖體強度的增加，巷道的垂直位移和水平位移基本與煤巖體強度呈線性減小。

3 復(fù)用留巷巷道支護設(shè)計原則及現(xiàn)場試驗

3.1 復(fù)用留巷巷道支護設(shè)計原則

此留巷巷道支護設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：

（1）提高單根錨桿與錨索的強度，在保證支護強度不低于原有支護強度和巷道安全的前提下，減小錨桿密度，降低單位面積上錨桿數(shù)量，從支護設(shè)計上提高成巷速度。

（2）提高錨固系統(tǒng)的整體剛度，增加錨固區(qū)抵抗變形的能力。

(3)大幅度提高錨桿的預(yù)緊力，提高錨桿控制圍巖的早期擴容與離層的能力，最大限度地保持錨固煤巖體的完整性和承載能力，避免圍巖產(chǎn)生較大的變形，使其強度過早、過快地降低。設(shè)計錨桿預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到其屈服強度的30%～40%。

(4)提高組合構(gòu)件的強度與剛度。由于錨桿密度降低，錨桿間的距離增大。為了有效控制錨桿之間煤巖體的變形、松散、破壞，需要增加鋼帶與金屬網(wǎng)的強度與剛度。

3.2 復(fù)用留巷巷道設(shè)計現(xiàn)場試驗

留巷巷道支護設(shè)計：巷道采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng)，并進行錨索補強。

（1）錨桿形式和規(guī)格：強力錨桿采用BHR500材質(zhì)、桿體為Φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2400 mm，桿尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支低粘度錨固劑，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360。W鋼帶規(guī)格：BHW-250-3-4300-5。托板：采用拱型高強度托盤，托板規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm，配合球形墊圈和塑料減摩墊片。網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護頂，規(guī)格為5 000 mm×1200 mm。 錨 桿 布 置 ： 錨 桿 排 距1000mm，每排5根錨桿，間距1000mm。

（2）錨索：單根鋼絞線，Φ22 mm，長度7.4 m，加長錨固，采用三支低粘度錨固劑，一支規(guī)格為K2335，兩支規(guī)格為Z2360。錨索每排2根，排距為1000mm。錨索預(yù)緊力250kN。錨索托盤：采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具。5212副巷錨桿支護布置，見圖2。

4 支護效果檢測及礦壓監(jiān)測

為了監(jiān)測強力錨桿支護應(yīng)用于井下之后巷道的支護效果，巷道掘進期間在5212副巷安裝了2組表面位移測站，測站安裝在距巷口1300m左右處，回采期間在5212副巷相同位置重新安裝了2組表面位移測站，5212副巷掘進期間監(jiān)測曲線如圖3和圖4所示，回采期間監(jiān)測曲線，見圖5和圖6。

圖2 5212副巷錨桿支護布置圖

圖5 回采期間5212副巷1號位移監(jiān)測曲線

圖3 掘進期間5212副巷1號位移監(jiān)測曲線

圖6 回采期間5212副巷2號位移監(jiān)測曲線

圖4 掘進期間5212副巷2號位移監(jiān)測曲線

從以上監(jiān)測曲線可以看出，5212副巷在掘進期間的兩幫最大收縮量為21mm，其中5212正巷側(cè)幫移近了16mm，說明5212正巷的掘進對副巷也產(chǎn)生了一定的影響，5212副巷的頂板沒有下沉。說明強力錨桿支護很好的控制了巷道在掘進期間的變形。

5212副巷為留巷巷道，為了監(jiān)測留巷巷道的表面位移變化規(guī)律，在5212副巷原測站處重新安裝了兩組表面位移測站。從圖中可以看出，回采期間，巷道基本上從超前工作面50 m～60 m之間開始變形，在超前階段變，兩幫位移量和頂?shù)装逡平慷急容^小，其中，頂?shù)装逡平恐饕堑坠牧?。?dāng)測站和工作面平行時，1號測站兩個斷面的兩幫移近量分別為155 mm和156 mm，頂?shù)装逡平糠謩e為360 mm和339 mm；2號測站兩個斷面的兩幫移近量分別為109 mm和92 mm，頂?shù)装逡平糠謩e為157mm和187mm。直到監(jiān)測結(jié)束時，1號測站兩個斷面的兩幫移近量分別為233 mm和190 mm，頂?shù)装逡平糠謩e為530 mm和490 mm；2號測站兩個斷面的兩幫移近量分別為231 mm和208 mm，頂?shù)装逡平糠謩e為350mm和352mm。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，5212副巷兩幫移近量基本上控制在240 mm以內(nèi)，巷道變形主要是底鼓量大。目前5306工作面已經(jīng)推進了接近2000m，測站處兩幫移近量基本上都在300 mm范圍之內(nèi)，底鼓量控制在500 mm左右，除個別構(gòu)造地段底鼓量達(dá)到1m以上以外，整條巷道的變形量能滿足巷道的安全使用。

5 小結(jié)

1）對成莊礦受采動影響巷道圍巖窺視結(jié)果分析可知，成莊礦碎脹煤層留巷巷道在只經(jīng)受本巷道掘進動壓的影響時基本能滿足巷道的安全使用，當(dāng)受到臨近巷道的掘進動壓或回采動壓的影響后，巷道圍巖破壞比較嚴(yán)重，目前一般的錨桿支護很難保證巷道的安全使用。

2）FLAC3D三維數(shù)值模擬對圍巖強度與巷道圍巖變形關(guān)系分析得出：隨著煤巖體強度的增加巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)域逐漸減小，應(yīng)力集中系數(shù)明顯增加，但煤巖體應(yīng)力集中系數(shù)增加的速度減小。隨著煤巖體強度的增加，巷道的垂直位移和水平位移基本與煤巖體強度呈線性減小。

3）對于碎脹煤層復(fù)用留巷巷道采用強力錨桿和錨索支護技術(shù)，一方面提高錨固系統(tǒng)的整體剛度，增加錨固區(qū)抵抗變形的能力；另一方面通過大幅度提高錨桿的預(yù)緊力，增強錨桿控制圍巖的早期擴容與離層的能力，最大限度地保持錨固煤巖體的完整性和承載能力，避免圍巖產(chǎn)生較大的變形，成功解決了成莊礦受多次采動影響巷道支護難題，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

Supporting Technology of Retained Roadway in Broken-expansion Coal Seams

QIN Hai-zhong
(Chengzhuang Mine,Lanyan Coal Co.,Jincheng Shanxi 048000)

Through field investigation and borehole peering,the coal pillar,fracture opening,and expanding deformation are studied under the influence of driving disturbance and mining.The surrounding rock structure's effect on the deformation and stability is also studied.Meanwhile,with some numerical calculation softwares,the relationship between the strength and structure of surrounding rock and its deformation is analyzed.The paper presents the supporting design of retained roadway in broken-expansion coal seams in5306 working face,Chengzhuang mine,which is successfully used in the production and achieves great supporting effects.

broken-expansion coal seam;mining effect;borehole peering instrument;numerical simulation

TD353

A

1672-5050（2011）06-0027-04

2011-02-25

秦海忠（1971—），男，山西高平人，大學(xué)本科，工程師，從事采礦與管理工作。

徐樹文