急傾斜松軟煤層回采巷道上幫煤體的穩(wěn)定性控制

秦　濤,　馮俊杰,　石浩然

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點實驗室, 哈爾濱 150022;2.黑龍江省龍煤礦業(yè)控股集團有限責(zé)任公司 七臺河分公司, 黑龍江 七臺河 154600)

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急傾斜松軟煤層回采巷道上幫煤體的穩(wěn)定性控制

秦濤1,馮俊杰2,石浩然1

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點實驗室, 哈爾濱 150022;2.黑龍江省龍煤礦業(yè)控股集團有限責(zé)任公司 七臺河分公司, 黑龍江 七臺河 154600)

為控制新強煤礦急傾斜松軟煤層回采巷道上幫變形失穩(wěn),采用理論分析和現(xiàn)場實驗相結(jié)合的方法對急傾斜煤層回采巷道合理支護方式、支護參數(shù)和上幫穩(wěn)定性控制技術(shù)進行研究。結(jié)果表明:急傾斜煤層巷道的變形與破壞呈非對稱性;采用錨桿支護后,影響上幫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是巷道底臌的控制,巷道上幫底角是控制的關(guān)鍵部位。新強煤礦采用文中回采巷道支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方案,巷道變形得到了有效控制,取得了顯著的支護效果。

回采巷道; 急傾斜煤層; 穩(wěn)定性; 錨網(wǎng)支護; 支護參數(shù)

(1.Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College, Heilongjiang University of Science & TechnologyHarbin 150022, China; 2.Qitaihe Branch, Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd., Qitaihe 154600, China)

0　引　言

急傾斜松軟煤層巷道圍巖具有“軟、弱、松、散”的特點,其巖石強度低、破碎、易風(fēng)化、遇水易膨脹[1-2]。急傾斜松軟煤層巷道掘進容易,但維護困難,支護體除承受巖層的重力作用外,還承受較大構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力,部分情況下水平壓力比垂直壓力更大[2]。此時,需要采取合理的巷道穩(wěn)定性控制技術(shù),以提高圍巖強度,改善圍巖應(yīng)力狀況,充分發(fā)揮圍巖本身的承載能力,減緩其變形移動,保證巷道的支護斷面穩(wěn)定。國外關(guān)于急傾斜煤層開采的研究,主要集中在開采設(shè)備和采煤方法方面,而有關(guān)急傾斜煤層回采巷道穩(wěn)定性控制的研究相對較少[2]。國內(nèi)一些學(xué)者對急傾斜煤層施工與支護問題進行了相關(guān)研究,主要涉及急傾斜松軟圍巖回采巷道中的礦壓顯現(xiàn)特征[3]、不同傾角和不同開采方法情況下頂板破斷規(guī)律及其力學(xué)行為、急傾斜中厚煤層巷道的支護參數(shù),以及非對稱載荷下錨索耦合支護技術(shù)等[4]。目前,國內(nèi)急傾斜松軟煤層巷道圍巖控制技術(shù)方面,主要借鑒緩傾斜煤層的一些研究成果,然而,急傾斜松軟煤層巷道的支護技術(shù)及作用機理有其自身的特點,在支護工程設(shè)計和實施方面與傾斜煤層巷道區(qū)別較大[2]?；谝陨媳尘?筆者結(jié)合新強煤礦的生產(chǎn)條件與地質(zhì)條件,考慮急傾斜煤層巷道圍巖破碎松散的特點,對急傾斜松軟煤層回采巷道上幫煤體穩(wěn)定性控制技術(shù)進行相關(guān)理論與實踐研究,探索其應(yīng)用價值。

1　研究區(qū)概況及支護方式

1.1新強煤礦支護概況

1.2急傾斜煤層支護方式

急傾斜煤層回采巷道,在開挖時,煤層松動,自穩(wěn)能力下降,而且支護結(jié)構(gòu)受力不對稱,頂板控制問題更為突出。采用常規(guī)的架棚支護方式,很難適應(yīng)巷道變形,生產(chǎn)過程中往往需要多次對巷道臥底、翻修。采取相應(yīng)的臥底和翻修技術(shù)措施后,巷道仍難以滿足礦井安全生產(chǎn)的要求,制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。

錨桿支護方式對于受采動影響的回采巷道具有良好的支護效果,已經(jīng)被大量的工程所證實。巷道周邊破碎的煤巖層采取錨桿支護加固技術(shù),可充分利用圍巖自身承載性,增強圍巖穩(wěn)定性,以減小巷道圍巖的位移變形量。急傾斜煤層采空區(qū)端頭破壞范圍大,特別是下端頭,塑性區(qū)范圍超過15 m[2],使得區(qū)段平巷往往布置在松散、軟弱的煤層中。在這種生產(chǎn)條件下,更適合采用錨桿加固巖體,保持圍巖穩(wěn)定。為了進一步控制上幫的變形失穩(wěn),考慮上幫鋪網(wǎng)以防止煤壁冒落。

2　錨桿支護參數(shù)設(shè)計

2.1支護設(shè)計

急傾斜煤層巷道頂板下沉與底臌變形造成其中部拉應(yīng)力集中,巷道兩幫因受到較大的剪切應(yīng)力而產(chǎn)生膨脹變形,在兩幫角處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中[2],需采取合理的支護方式以保證巷道頂?shù)装搴蛢蓭头€(wěn)定。巷道布置在側(cè)向壓力塑性區(qū),屬于大松動圈范圍,巷道上幫和底臌是支護的重點。因此,應(yīng)用圍巖大松動圈的組合拱支護理論,確定急傾斜煤層巷道錨桿支護基本參數(shù)[3]。

急傾斜煤層巷道變形呈現(xiàn)明顯不對稱性,導(dǎo)致回采巷道不對稱變形和破壞的主要原因是,圍巖底板微隆、上幫膨脹。因此,需根據(jù)巷道變形破壞特點,采取有針對性的巷道支護措施。上幫底角是急傾斜煤層回采巷道支護的關(guān)鍵控制部位,上幫底角的有效加固可提高其強度特性,避免上幫角的過早破壞,以及由上幫角破壞而引起的圍巖失穩(wěn)。

急傾斜回采巷道關(guān)鍵控制部位可采用錨索重點加強支護,該加強支護方式可有效地減少巷道圍巖變形,減輕底臌膨脹,大大增強巷道圍巖穩(wěn)定性[2]。加固巷道幫、角可以強化圍巖的強度,控制巷道圍巖塑性區(qū)的進一步發(fā)展,以防止和減少因底板圍巖塑性變形、黏塑性流動和破裂圍巖體積膨脹造成的底臌。另外,加固巷道幫腳可提高巷道兩幫圍巖自承能力,減少兩幫下沉量和底臌量。

2.2支護參數(shù)

急傾斜煤層回采巷道布置在上區(qū)段的側(cè)向壓力塑性區(qū)內(nèi),其破壞松動范圍符合大松動圈條件,因此,文中基本支護參數(shù)設(shè)計,依據(jù)圍巖大松動圈的組合拱支護理論[4-6]確定。

2.2.1頂錨桿長度和間距

實際生產(chǎn)巷道寬度為2.8 m,采用小煤柱護巷沿空留巷布置方式,設(shè)計錨桿支護形成的組合拱厚度為1 100 mm。根據(jù)新強煤礦圍巖松碎和變形大的實際情況,借鑒國內(nèi)急傾斜煤層回采巷道錨桿支護經(jīng)驗[3, 7],適當(dāng)增大錨桿的支護密度,錨桿間距和排距確定為1 000 mm,外露錨尾段確定為100 mm,錨桿長度由式(1)計算,最終確定錨桿長度為2 200 mm。

錨桿長度計算式為

l=δ+a+lw,

(1)

式中:l——錨桿長度,mm;

a——錨桿間排距,mm;

δ——組合拱厚度,mm;

lw——錨尾外露長度,mm。

2.2.2幫錨桿長度和間距

實際生產(chǎn)巷道兩幫高度為2.0 m,設(shè)計錨桿支護形成的組合拱厚度1 100 mm。錨桿間距和排距確定為800 mm,外露錨尾段確定為100 mm,錨桿在巖體中的控制角取45°,則錨桿長度為2 000 mm。

2.2.3錨桿錨固力及桿體、鉆孔直徑

根據(jù)工程類比法,急傾斜煤層巷道錨桿的錨固力確定為FQ=60 kN,可以滿足支護要求。

煤幫加固時,根據(jù)工程類比法,設(shè)計錨固力為60 kN,A3鋼材抗拉強度為380 MPa,錨桿直徑計算式為

(2)

式中:d——錨桿直徑,mm;

σt——鋼抗拉強度,MPa;

K——考慮富余系數(shù)。

根據(jù)式(2)求得錨桿直徑為18 mm。根據(jù)錨桿直徑,確定錨桿鉆孔直徑為28 mm。

2.2.4錨固劑參數(shù)

對于大變形巷道,為了保障支護的可靠性,設(shè)計采用樹脂錨固劑。錨固力計算式為

Fc100=0.1π×dh×τc,

(3)

式中:Fc100——每100 mm孔長的錨固力,kN;

dh——錨桿孔直徑,mm;

τc——煤體的抗剪強度,MPa。

經(jīng)計算，煤體中鉆孔的錨固力Fc100=14.1 kN,巖體中鉆孔的錨固力Fr100=50.1 kN,樹脂錨固劑的錨固力為61.5 kN。錨固長度按煤體強度考慮,可以滿足煤層和巖層支護安全要求,則錨固長度426 mm。鉆孔直徑為28 mm時,每根K2530錨固劑的錨固長度為575 mm。因此,采用一支K2350樹脂錨固劑即可滿足要求。2.2.5鋼筋托梁

為了有效維護上幫的破碎煤巖體,在每個錨桿支護循環(huán)中加w型鋼帶,使錨桿支護系統(tǒng)的抗彎能力增加,錨桿間圍巖的變形與移動減小,錨桿系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性增強。在不具備使用w型鋼帶情況下,可采用兩根平行的φ12 mm鋼筋,以橫筋焊接成的梯子狀的鋼筋托梁替代。鋼筋拖梁寬度80 mm,橫筋間距600 mm,長度根據(jù)巷道高度確定。2.2.6金屬網(wǎng)

巷道圍巖破碎段,圍巖脫落后將導(dǎo)致錨桿組合拱的承載圈變薄,甚至?xí)沟缅^桿支護失效,所以在巷道圍巖破碎段采用金屬網(wǎng)防止圍巖脫落?？紤]到巷道圍巖所承受的動壓,支護中采用12#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng),選網(wǎng)目50 mm×50 mm,金屬網(wǎng)規(guī)格為5 500 mm×600 mm。

2.2.7托盤

端錨錨桿的支護主要依靠錨頭的錨固力和托盤壓力的反向拉緊作用?？紤]到圍巖容易滑移、抽冒的特點,設(shè)計中選用碟形鋼托盤以提高加載效果,托盤尺寸為100 mm×100 mm×8 mm,中孔直徑為18 mm。為了增大圍巖破碎的防護能力,在圍巖松碎的地區(qū)增墊木托板,木托板尺寸為50 mm×200 mm×400 mm,中孔直徑為18 mm。錨桿與巖層法線傾角大于10°的,采用斜拖盤,以保證拖盤與圍巖表面均勻接觸。2.2.8加強錨索長度和間距

采用錨索加強巷道上幫腳關(guān)鍵部位支護。根據(jù)新強煤礦實踐經(jīng)驗,每三排錨桿布置一套高預(yù)應(yīng)力小孔徑錨索,錨索長度為4.0 m,每孔采用三條CK2340超快樹脂藥卷和三條K2350快速樹脂藥卷。

2.3布置方式

文中設(shè)計的急傾斜煤層回采巷道支護系統(tǒng),基本呈放射狀布置,綜合布置見圖1。

圖1　巷道支護布置Fig. 1　Support assignment of roadway

3　控制技術(shù)

為了有效控制上幫失穩(wěn),提高巷道圍巖整體的穩(wěn)定性,增強巷道自身承載能力,采取如下技術(shù)措施:

(1)采用大功率的風(fēng)動扳手,提高錨桿預(yù)緊扭矩和預(yù)緊力,增大巷道初期的支護強度。

(2)增加樹脂藥卷數(shù)量,并采用全長錨固錨桿。在原回風(fēng)巷設(shè)計施工中,錨桿采用一支Z2350型樹脂藥卷,當(dāng)圍巖較破碎時,錨固端容易失效,導(dǎo)致圍巖自身強度降低。頂錨桿使用一節(jié)CK2340和兩節(jié)Z2350型樹脂藥卷,幫錨桿采用三節(jié)Z2350型樹脂藥卷進行全長錨固,以改善圍巖受力狀態(tài),提高圍巖自身強度及承載能力。

(3)加長幫錨桿長度,以增厚擠壓加固拱。錨桿越長,巷道圍巖內(nèi)形成的擠壓加固拱越厚,巷道圍巖的支承力越強,圍巖抗變形的能力越強。巷道頂板支護強度大于巷道兩幫,變形破壞易在支護強度相對較低的幫部顯現(xiàn)。當(dāng)幫錨桿出現(xiàn)斷根時,將幫錨桿長度加長至2 400 mm。

(4)加大幫錨桿直徑,以增強幫部支護強度。當(dāng)支護強度不夠時,將引起巷道的變形,支護強度越弱圍巖變形量越大,可將幫錨桿直徑由18 mm加大至22 mm,同時將與錨桿配套的托盤由原規(guī)格100 mm×100 mm×8 mm改為100 mm×100 mm×12 mm,防止因托盤嚴重凹進或被壓裂破壞而導(dǎo)致錨桿支護失效。

(5)增設(shè)幫錨索,以加強幫部支護強度。當(dāng)出現(xiàn)窄小煤柱整體向巷內(nèi)移近時,在距巷道底板1.0和2.2 m位置,以2.5 m間距交錯布置兩排φ17.8 mm×4 600 mm幫錨索,加強煤柱深部支護強度,提高煤柱整體穩(wěn)定性,控制深部位移量。錨索每平方米不少于0.3根,煤柱凈寬5 000 mm,幫錨索外露350 mm,錨索錨入煤體長度4 200 mm;托盤選用80 mm木托盤+10 mm鋼托盤,使用四節(jié)Z2360型樹脂藥卷錨固,錨固長度達到錨索錨入長度的二分之一。

4　圍巖變形量實測

圖2　巷道圍巖變形位移曲線Fig. 2　Deformation displacement curves of roadway surrounding rocks

5　結(jié)束語

針對急傾斜松軟煤層回采巷道上幫失穩(wěn)特點,分析急傾斜松軟煤層回采巷道支護方式。采用松動圈理論進行錨桿支護參數(shù)的設(shè)計,確定錨桿直徑、長度、錨固長度等關(guān)鍵參數(shù),以及支護材料,同時提出回采巷道上幫穩(wěn)定性控制技術(shù)措施。新強煤礦急傾斜煤層回采巷道支護實例表明,采用錨桿支護,巷道上幫通過鋪網(wǎng)和打底錨索進行加固,可取得良好的支護效果,且能有效控制巷道圍巖變形失穩(wěn)。

[1]楊培功, 侯敬民, 王久偉. “三軟”煤層采準(zhǔn)巷道全錨索支護技術(shù)[J]. 煤礦開采, 2013(2): 55-57， 70.[2]秦濤, 劉永立, 馮俊杰, 等. 急傾斜煤層巷幫變形失穩(wěn)數(shù)值模擬[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2013(5): 582-586.

[3]董方庭. 巷道圍巖松動圈支護理論及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2001.

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(編輯荀海鑫)

Control technology of roadway rise side in steeply inclined soft coal seams

QINTao1,FENGJunjie2,SHIHaoran1

This paper follows from the need for controlling the instability of roadway rise side in steeply inclined soft coal seams in Xinqiang mine. This control solution involves investigating the reasonable supporting approaches and parameters, control technology of rise side in steeply inclined soft coal seams roadway by means of theoretical analysis and on-site tests. The study shows that there occurs asymmetry between the deformation and failure in steeply inclined soft coal seams roadway. The use of bolt support is followed by the control of floor heave, which forms the key factor ensuring the stability of the roadway rise side and in which a key controlling part is the foot of the rise side. The final support parameters are determined by theoretical analysis and optimization, and are tested on-site． The use of the roadway support parameter optimization design results in the effective control of roadway deformation in Xinqiang mine, with an improved support effect．

mining roadway; steeply inclined coal seams; stability; bolt-net supporting; supporting parameter

2013-10-08

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究(指導(dǎo))項目(12533065)

秦濤(1983-),男,黑龍江省湯原人,講師,碩士,研究方向:采煤方法與巷道支護,E-mail:qintao-1983@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.06.002

TD353

1671-0118(2013)06-0510-04

A