李雅莊礦深部松散煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

楊文忠

(1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454150;2．霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西霍州031400)

李雅莊礦深部松散煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

楊文忠1，2

(1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454150;2．霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西霍州031400)

李雅莊礦2－6081巷道屬于深部松散煤層巷道，支護(hù)困難。在該巷內(nèi)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，分析了巷道變形特征，提出了“強(qiáng)護(hù)表、快支護(hù)、高預(yù)緊力”的支護(hù)技術(shù)，采用新材料支護(hù)并進(jìn)行井下試驗(yàn)，結(jié)果表明:地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，屬于中等應(yīng)力區(qū);巷道變形特征為幫部移近速度快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形量大，兩幫移近促進(jìn)底鼓，導(dǎo)致底鼓嚴(yán)重;新支護(hù)在巷道淺部圍巖形成強(qiáng)度較高的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，巷幫錨桿受力較小，兩幫移近量在200 mm以內(nèi)，支護(hù)效果顯著。

深部巷道;松散煤層;地應(yīng)力;支護(hù)技術(shù)

李雅莊礦開(kāi)采2#煤層，回采巷道在煤層中沿頂板掘進(jìn)，2－6081巷埋深超過(guò)600 m，屬于深部開(kāi)采范疇［1］，2－6081巷平行于落差11 m大斷層，距斷層20 m，受大斷層影響煤層松散破碎［2，3］，巷道類型屬于深部松散煤層巷道，巷道維護(hù)困難［4－6］．本文在2－6081巷內(nèi)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，分析了該巷的變形特征，提出了“強(qiáng)護(hù)表、快支護(hù)、高預(yù)緊力”的支護(hù)技術(shù)，并在井下進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了顯著的支護(hù)效果。

1 工程概況

李雅莊礦是霍州礦區(qū)埋深較大的礦井，六采區(qū)2－6081巷埋深超過(guò)600 m，煤層厚度3.26 m，含0.2 m厚的夾矸，煤層傾角5°～16°，平均7°，受臨近斷層影響，煤體松散破碎。直接頂為泥巖，厚度1.3 m，之上依次為1 m厚的細(xì)粒砂巖，2.5 m厚的粉砂巖。直接底為泥巖，厚度0.8 m，往下依次為1.4 m厚的細(xì)砂巖，5.87 m厚的砂質(zhì)泥巖。巷道在原支護(hù)方式下掘進(jìn)300 m，巷道兩幫移近量超過(guò)1 000 mm，底鼓嚴(yán)重，已經(jīng)開(kāi)始起底。

采用SYY－56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置在2－6081巷內(nèi)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，最大水平主應(yīng)力為14.62 MPa，最小水平主應(yīng)力為8.40 MPa，垂直應(yīng)力為15.03 MPa;為σV＞σH＞σh型應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn):0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)，大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)。由此判斷，測(cè)試區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域，水平應(yīng)力比較低的原因主要是受臨近斷層影響。相關(guān)研究結(jié)果表明，水平主應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔么笥趯?duì)巷道兩幫的影響，垂直應(yīng)力主要影響巷道的兩幫受力和變形，地應(yīng)力場(chǎng)類型不利于巷道幫部煤體保持穩(wěn)定。

2 2－6081巷變形特征

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)巷道變形特征如下:

1)巷道幫部移近速度快。在掘進(jìn)后兩幫移近量幾天內(nèi)就超過(guò)300 mm，幫部煤體破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)網(wǎng)兜。

2)巷道幫部移近持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。巷道距迎頭100 m后幫部變形還在持續(xù)，原因主要是巷道埋深較大，再加上臨近斷層影響地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，幫部煤體破碎，巷道圍巖應(yīng)力穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。

3)巷道幫部移近量大。兩幫移近量最大1 000 mm，原因主要是幫部采用鋼筋托梁護(hù)幫，護(hù)表能力差，鋼筋托梁與幫部為線接觸，不但不能很好地把錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散到幫部煤體中，還使錨桿預(yù)緊力集中在與鋼筋托梁接觸的煤體上，使鋼筋托梁附近煤體由于應(yīng)力集中而破碎，沒(méi)能在巷幫淺部形成剛度較高的承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷幫變形持續(xù)增大。

4)底鼓嚴(yán)重。巷道掘進(jìn)1個(gè)月后就開(kāi)始起底，底鼓的原因主要是巷道埋深較大，地應(yīng)力高，底板沒(méi)有支護(hù)，再加上兩幫移近量大，導(dǎo)致底鼓嚴(yán)重并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

3 2－6081巷支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)技術(shù)

根據(jù)巷道變形特征提出如下支護(hù)技術(shù):

1)提高護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度和剛度，采用W鋼護(hù)板護(hù)幫。W鋼護(hù)板與巷道的接觸面積較大，可以使錨桿預(yù)緊力和支護(hù)阻力有效地?cái)U(kuò)散到距錨桿較遠(yuǎn)的煤體中，充分發(fā)揮單根錨桿的支護(hù)效果，提高錨桿的工效。

2)及時(shí)支護(hù)。目前巷道掘進(jìn)后幫部空幫距離較大，由于巷道開(kāi)挖后幫部由三向受力狀態(tài)變?yōu)槎虬胧芰顟B(tài)，此時(shí)幫部最容易產(chǎn)生變形，應(yīng)該及時(shí)支護(hù)恢復(fù)幫部的三向受力狀態(tài)，減少幫部破碎煤體節(jié)理裂隙的進(jìn)一步發(fā)育。

3)提高錨桿預(yù)緊力。目前幫部錨桿預(yù)緊力矩不足200 N·m，預(yù)緊力矩較低導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力偏低，不能充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)的支護(hù)能力，應(yīng)把預(yù)緊力矩提高至300 N·m以上，提高預(yù)緊力后，預(yù)緊力在巷道圍巖中的擴(kuò)散情況見(jiàn)圖1．由圖1可以看出，預(yù)緊力通過(guò)W鋼護(hù)板的擴(kuò)散作用幾乎作用于整個(gè)巷道圍巖表面，使巷道淺部圍巖恢復(fù)至較好的三向應(yīng)力狀態(tài)，減少幫部煤體強(qiáng)度的降低，在幫部形成承載能力較高的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮幫部煤體承載能力。

圖1 錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散情況圖

4)采用新型錨桿托盤(pán)。原托盤(pán)為圓形，承載力曲線見(jiàn)圖2，承載力不足130 kN，而錨桿的破斷強(qiáng)度為186 kN，托盤(pán)的承載能力與錨桿強(qiáng)度不配套，錨桿受力到一定程度后出現(xiàn)托盤(pán)翻轉(zhuǎn)錨桿失效的現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿的支護(hù)作用不能充分發(fā)揮，不僅浪費(fèi)錨桿材料還影響了支護(hù)效果。而且圓形托盤(pán)不能安裝調(diào)心球墊和減摩墊片，導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率低，錨桿受復(fù)合應(yīng)力嚴(yán)重，當(dāng)錨桿與巷道表面不垂直時(shí)，錨桿會(huì)受到較大的剪切和彎曲受力而發(fā)生破斷。采用高強(qiáng)度拱形方托盤(pán)增加了減摩墊片和調(diào)心球墊，有效解決了上述問(wèn)題，提高了錨桿與其支護(hù)構(gòu)件的配套性。

圖2 錨桿托盤(pán)及其承載力曲線圖

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

1)頂板支護(hù)。

錨桿桿體為直徑22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度335 MPa，長(zhǎng)度2 400 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支樹(shù)脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，一支規(guī)格為Z2360。托盤(pán)采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，為150 mm× 150 mm×8 mm，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈。W鋼護(hù)板護(hù)頂，厚度4 mm，寬280 mm，長(zhǎng)度450 mm．錨桿排距1 000 mm，每排6根錨桿，間距900 mm．錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到300 N·m．錨索材料為d22 mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率7%，長(zhǎng)度5 300 mm，鉆孔直徑30 mm，采用3支樹(shù)脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，兩支規(guī)格為Z2360.錨索托盤(pán)300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板。錨索為“二·二間隔”布置，排距2 000 mm，錨索間距1 800 mm．錨索預(yù)緊力為250～300 kN．

2)兩幫支護(hù)。

錨桿桿體為直徑22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度335 MPa，長(zhǎng)度2 400 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支樹(shù)脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，一支規(guī)格為Z2360．錨桿托盤(pán)采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，托盤(pán)為150 mm×150 mm×8 mm，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈。W鋼護(hù)板護(hù)幫，厚度4 mm，寬280 mm，長(zhǎng)度450 mm．錨桿排距1 000 mm，每排每幫4根錨桿，間距1 000 mm．錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到300 N·m．

錨桿全部垂直巷道頂板和幫部打設(shè)，考慮到施工需要，允許5°誤差。支護(hù)圖見(jiàn)圖3．

圖3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 礦壓監(jiān)測(cè)

新支護(hù)應(yīng)用后進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，安裝8個(gè)幫部錨桿測(cè)力計(jì)，左4#及右1#測(cè)力計(jì)受水影響讀數(shù)不正常，其余幫部錨桿的受力變化情況見(jiàn)圖4，從圖4中可以看出:

1)除頂右2#錨桿預(yù)緊力較低為11 kN，其余5根錨桿預(yù)緊力在31～52 kN，這5根錨桿的預(yù)緊力均達(dá)到了桿體屈服強(qiáng)度的30%以上，能達(dá)到高預(yù)應(yīng)力支護(hù)要求，安裝時(shí)錨桿的預(yù)緊力矩均在300 N·m以上均符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 兩幫錨桿受力情況圖

2)幫部錨桿受力增加較大，測(cè)站距掘進(jìn)頭15 m左右時(shí)錨桿受力開(kāi)始穩(wěn)定，在60 m左右最大幫部錨桿受力78 kN．

3)幫部錨桿受力整體較小，原因主要是錨桿施加高預(yù)緊力后，在巷幫淺部形成了剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，減少了兩幫的變形量，也使錨桿受力變小。

巷道兩幫移近量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道穩(wěn)定后兩幫移近量不足200 mm，支護(hù)效果較好。

5 結(jié)論

1)6081巷最大水平主應(yīng)力為14.62 MPa，最小水平主應(yīng)力為8.40 MPa，垂直應(yīng)力為15.03 MPa;為σV＞σH＞σh型應(yīng)力場(chǎng)，地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域，地應(yīng)力場(chǎng)類型不利于巷道幫部煤體保持穩(wěn)定。

2)巷道變形特征為巷道幫部移近速度快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、變形量大，兩幫移近量大促進(jìn)底鼓，導(dǎo)致底鼓嚴(yán)重。

3)“強(qiáng)護(hù)表、快支護(hù)、高預(yù)緊力”的支護(hù)技術(shù)，在巷道淺部形成強(qiáng)度較高的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，采用與錨桿配套性更好的新型錨桿托盤(pán)，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)能力，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明幫部錨桿受力不大，兩幫移近量在200 mm以內(nèi)，巷道變形情況較原支護(hù)有明顯降低。

［1］張志康，王連國(guó)，單仁亮，等．深部動(dòng)壓巷道高阻讓壓支護(hù)技術(shù)研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012(1):33－37.

［2］余偉健，高謙，靳學(xué)奇，等．受斷層構(gòu)造影響的深部巖體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及力學(xué)特征分析［J］．地球物理學(xué)進(jìn)展，2013(1):488－497.

［3］劉武麟．臨近斷層回采巷道圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)研究［D］．青島:山東科技大學(xué)碩士論文，2010.

［4］康紅普．深部煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)踐［J］．煤礦開(kāi)采，2011(1):1－5.

［5］康紅普，王金華，林?。哳A(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2007(12):1233－1238.

［6］康紅普，王金華，高富強(qiáng)．掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力分布特征及其與支護(hù)的關(guān)系［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2009(12):1585－1593.

Research on the Roadway Supporting Technology of Deep Loose Coal Seam in Liyazhuang Coal Mine

YANG W enzhong

2－6081 roadway of Liyazhuang coalmine belongs to deep loose coal seam roadway，and the support is difficult．Ground stress test is conducted in roadway，the deformation characteristics of roadway is analyzed，and the support technology is put forward．New material is adopted to support and the test is carried out undergound．The results show that vertical stress plays a dominant role in ground stress，itbelongs to themedium stress zone．The deformation characteristics of roadway is that two sides approaching speed is fast，the duration of deformation is long，the deformation is high．The approaching of two sides leads to severe heaving floor．The new supporting forms the higher strength prestressed bearing structure in shallow surrounding rock of roadway，the stress of anchor in roadway two sides is lesser，the displacement of two sides is within 200 mm．The supporting effects is remarkable．

Deep roadway;Loose coal seam;Ground stress;Support technology

TD353

B

1672－0652(2015)09－0045－03

2015－08－18

楊文忠(1982—)，男，山西洪洞人，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事礦井生產(chǎn)技術(shù)工作(E－mail)908099041@qq．com