急傾斜煤層回采巷道破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)探究

盧啟湘

摘 要：針對急傾斜煤層回采巷道變形破壞獨(dú)特性以及巷道難支護(hù)問題，文章探討了急傾斜煤層回采巷道的破壞機(jī)理以及有效的巷道控制措施，并結(jié)合工程實(shí)際，分析了錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在急傾斜煤層回采巷道支護(hù)中的應(yīng)用；結(jié)果表明：通過巷道斷面優(yōu)化與支護(hù)參數(shù)的改變，巷道圍巖變形量與變形速度得到了有效控制，滿足了巷道的使用要求。

關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；回采巷道；破壞機(jī)理；支護(hù)

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0163-02

1 急傾斜煤層回采巷道破壞機(jī)理

根據(jù)眾多理論研究與工程實(shí)踐得出，急傾斜煤層回采巷道圍巖變形特征表現(xiàn)出非對稱性，巷道變形集中區(qū)域主要為上頂角、頂幫、底幫以及下底角。當(dāng)巷道進(jìn)行掘進(jìn)開挖時，由于圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致被開挖區(qū)域成為應(yīng)力釋放突破口，圍巖變形量急速增加，并造成嚴(yán)重的剪切拉伸破壞。由于煤層傾角較大，導(dǎo)致巷道圍巖受載不均勻程度明顯大于緩傾斜煤層，使得底板下滑與頂板下沉現(xiàn)象比較明顯；受頂?shù)装暹\(yùn)動以及圍巖應(yīng)力分布影響，急傾斜煤層回采巷道圍巖出現(xiàn)顯著的非對稱變形。因此，急傾斜煤層回采巷道支護(hù)重點(diǎn)在于對關(guān)鍵部位（頂?shù)讕蛡?cè)上部以及頂板）加強(qiáng)支護(hù)，改變此區(qū)域受力狀態(tài)，增強(qiáng)其抗剪切能力。

2 急傾斜煤層回采巷道控制

巷道發(fā)生破壞的根本原因在于支護(hù)或支護(hù)所形成的承載結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度低于圍巖應(yīng)力，致使圍巖出現(xiàn)頂板下沉、兩幫變形與底板鼓起。對于急傾斜煤層巷道穩(wěn)定產(chǎn)生影響的因素主要有三個方面，即巷道圍巖強(qiáng)度、圍巖應(yīng)力值及分布狀況、支護(hù)承載能力。因此，急傾斜煤層巷道控制重點(diǎn)在這三方面進(jìn)行。

2.1 提高圍巖自身承載能力

巷道上覆巖層重量以及圍巖變形所造成的壓力，大多由圍巖結(jié)構(gòu)自行承擔(dān)，而由巷道支護(hù)體所承擔(dān)的載荷較少，而巷道支護(hù)的目的旨在控制圍巖變形，保證圍巖體的承載能力，因此對于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力。巷道圍巖承載能力提高常見的措施主要有三種：

①圍巖注漿，注漿的作用能夠膠結(jié)破碎圍巖成為整體，改變破碎圍巖的物理力學(xué)特性，并為錨桿、錨索支護(hù)提供可靠的著力基礎(chǔ)。

②錨網(wǎng)索支護(hù)，錨網(wǎng)索支護(hù)能夠顯著提高破碎圍巖的殘余強(qiáng)度，進(jìn)而形成主次承載拱結(jié)構(gòu)，共同承載圍巖應(yīng)力，控制圍巖變形。

③關(guān)鍵部位補(bǔ)強(qiáng)，煤礦巷道由于受地應(yīng)力分布的影響，存在嚴(yán)重的非對稱變形現(xiàn)象，究其原因，主要是由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中造成的。

針對此類問題，應(yīng)有目的地對巷道易變形破壞部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，如增加錨桿錨索打設(shè)數(shù)量、注漿加固等。

2.2 轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力的分布條件

對急傾斜巷道圍巖受力分析可知，巷道附近存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為維持巷道圍巖穩(wěn)定性，回采巷道布置與支護(hù)中應(yīng)采取措施降低或轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力分布狀況。可行的措施有三種：

①合理留設(shè)保護(hù)煤柱尺寸，保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)尺寸對于回采巷道圍巖應(yīng)力分布有著顯著的影響，足夠?qū)挾鹊拿褐軌蚴瓜锏捞幱趹?yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)，但煤柱留設(shè)過寬易造成煤炭資源的損失，對于保護(hù)煤柱的留設(shè)應(yīng)綜合考慮支護(hù)方式、資源回收等方面。

②爆破卸壓，爆破過程能夠消耗部分圍巖彈性能，且爆破形成的大量爆破裂隙能夠吸收一定的應(yīng)力變形，將圍巖彈性能轉(zhuǎn)移至深部圍巖大結(jié)構(gòu)。

③巷道斷面形式的合理選擇，合理選擇巷道斷面形狀對改善圍巖應(yīng)力分布、提高圍巖承載能力有著重要意義。

2.3 改善支護(hù)參數(shù)

支護(hù)參數(shù)選擇的不合理性易造成支護(hù)效果達(dá)不到預(yù)期要求，產(chǎn)生劇烈的圍巖變形現(xiàn)象。急傾斜煤層回采巷道支護(hù)中應(yīng)用較多的支護(hù)方式為錨網(wǎng)支護(hù)，以錨網(wǎng)支護(hù)為例，支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化改善內(nèi)容主要包括錨桿預(yù)緊力、直徑、長度、安裝角度以及間排距等，此外與錨網(wǎng)支護(hù)相關(guān)的鋼筋梯子梁、托盤、樹脂藥卷等亦對錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)有著明顯的影響。

3 錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在急傾斜煤層回采巷道支護(hù)中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某礦主采煤層為15#煤，煤層平均埋深在430 m，煤層傾角在46 ？觷～49 ？觷，平均為48 ？觷，為急傾斜煤層。15#煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)條件簡單，頂板巖性依次為頁巖、砂質(zhì)泥巖，底板為碳質(zhì)頁巖頁巖。現(xiàn)階段正進(jìn)行15403工作面回采巷道準(zhǔn)備階段，在相鄰15402工作面回采過程中，運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽都出現(xiàn)了不同程度的圍巖變形，對工作面正常開采產(chǎn)生影響，需對新工作回采巷道進(jìn)行重新支護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

①回采巷道斷面優(yōu)化。為改善急傾斜煤層回采巷道圍巖受力條件，設(shè)計(jì)將15403工作面回采巷道原斷面梯形優(yōu)化巷道斷面為三心拱形，新巷道斷面尺寸為：

底寬×中高=2 500 mm×2 000 mm。

②底板不支護(hù)?？紤]回采巷道服務(wù)年限較短，且巷道底板為強(qiáng)度較低的軟巖，設(shè)計(jì)巷道底板不采用支護(hù)。對特殊地質(zhì)條件下底鼓量較大的巷道區(qū)段，設(shè)計(jì)采用臥底方式返修。

③高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)。巷道原支護(hù)采用預(yù)緊力螺紋錨桿，錨桿預(yù)緊力在50 kN，規(guī)格為Φ18 mm×1 800 mm，間距為800 mm×800 mm。設(shè)計(jì)新巷道支護(hù)采用高強(qiáng)預(yù)緊力螺紋鋼錨桿，錨桿直徑為18 mm，長度為1 800 mm，預(yù)緊力設(shè)計(jì)為60 kN，間排距700 mm×800 mm；配套支護(hù)設(shè)備為鋼筋梯梁與金屬網(wǎng)，藥卷選用Z2350；頂板肩角處錨桿外擺20 ？觷，對關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，如圖1所示。

3.3 工程支護(hù)效果

3.3.1 圍巖變形分析

巷道變形曲線如圖2所示，分析巷道變形量可知，在距離掘進(jìn)工作面0～20 m的范圍內(nèi)，巷道圍巖變形量逐漸增加，基本上成一定比例正相關(guān)關(guān)系；掘進(jìn)工作面20 m之后，工作面變形量增長幅度明顯降低，到35 m后變形量不再增加。兩幫與頂?shù)装宓淖冃瘟炕揪S持在113 mm與86 mm，且兩幫變形量始終大于頂?shù)装逡平俊?/p>

3.3.2 變形速率分析

分析兩幫及頂板板變形速率曲線如圖3所示，可知，兩幫變形速率與頂?shù)装逅俾首兓€基本保持一致，變形速率曲線峰值出現(xiàn)在距掘進(jìn)工作面后方7 m處，兩幫與頂?shù)装遄冃嗡俾史逯捣謩e為10 mm/d與8 mm/d。35 m之后變形速率曲線基本保持一水平直線，符合圍巖變形量曲線。

巷道圍巖變形表現(xiàn)出底板側(cè)幫變形量大，符合急傾斜煤層回采巷道變形特點(diǎn)。

綜上分析可知，巷道整體變形量較小，均在安全變形允許范圍之內(nèi)，掘進(jìn)工作面后25 m之后，變形量與變形速率均保持在一穩(wěn)定狀態(tài)?；夭上锏雷冃畏€(wěn)定后的斷面尺寸為：

底寬×中高=2 379 mm×1 920 mm

達(dá)到巷道使用條件，表明巷道支護(hù)效果良好。

4 結(jié) 語

急傾斜煤層回采巷道破壞機(jī)理主要為頂板下沉與底板下滑引起巷道的非對稱變形，變形區(qū)域主要集中在上頂角、頂幫、底幫以及下底角。對于此類巷道的圍巖控制應(yīng)在研究區(qū)域圍巖運(yùn)動規(guī)律及特征基礎(chǔ)上，有針對性地對選擇巷道支護(hù)方式。工程實(shí)踐得出，該礦在原先工作面巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行巷道斷面優(yōu)化與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，改善后的圍巖支護(hù)條件良好，圍巖變形得到了有效控制。

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