松軟破碎頂板巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用探究

何生武（神華寧煤集團(tuán)石炭井焦煤分公司生產(chǎn)科,寧夏 石嘴山 753300）

松軟破碎頂板巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用探究

何生武
（神華寧煤集團(tuán)石炭井焦煤分公司生產(chǎn)科,寧夏 石嘴山 753300）

隨著煤礦的開(kāi)采規(guī)模與強(qiáng)度逐漸提升，礦井的開(kāi)采正在不斷向深層地表發(fā)展。巷道的開(kāi)挖越深，地質(zhì)條件就越復(fù)雜，施工難度也會(huì)越大，此時(shí)就應(yīng)該考慮巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)可以支持深層巷道作業(yè)，不會(huì)發(fā)生變形開(kāi)裂，達(dá)到長(zhǎng)效使用壽命周期的目的。為了保證煤礦深井作業(yè)的安全高產(chǎn)，文章基于松軟破碎頂板條件下巷道極易出現(xiàn)的片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象展開(kāi)論述，探討了焦煤分公司開(kāi)采的三層煤松軟破碎頂板巷道支護(hù)技術(shù)難題的解決方案。

松軟破碎頂板；煤礦巷道；圍巖；支護(hù)監(jiān)測(cè)；支護(hù)參數(shù)

0 引言

焦煤分公司開(kāi)采的三層煤，屬于石炭紀(jì)、二疊系煤層。它的煤層是典型的不穩(wěn)定煤層，其煤層上部的直接頂板厚度約2.5～4m，是松軟破碎的炭質(zhì)泥巖體系。它的節(jié)理及層理裂隙屬于極其發(fā)育狀態(tài)，所以整體巖層的固結(jié)性不強(qiáng)，而且煤層賦存區(qū)域有明顯的內(nèi)斷層發(fā)育?；谏鲜銮闆r，三層煤巷道頂板容易出現(xiàn)冒頂或破碎現(xiàn)象。換言之，如果在對(duì)巷道進(jìn)行深層掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，可能出現(xiàn)巷道頂板泥巖冒落、風(fēng)化破碎等情況，這就為三層煤巷道的維護(hù)帶來(lái)了諸多問(wèn)題。對(duì)其巷道進(jìn)行頂板支護(hù)技術(shù)保護(hù)可以解決上述問(wèn)題，并有利于煤礦開(kāi)采，提升礦區(qū)經(jīng)濟(jì)效益。

1 對(duì)三層煤賦存特征的力學(xué)特性考量

1.1 煤層賦存特征及地質(zhì)分析

在進(jìn)行巷道支護(hù)之前，要對(duì)三層煤煤層賦存特征進(jìn)行檢測(cè)，了解其地質(zhì)特性。根據(jù)之前巷道挖掘鉆孔的資料顯示，三層煤的賦存特性較為穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在節(jié)理和層理方面發(fā)育較為成熟。整體煤層自南至北有厚度為0.18m的夾矸，其傾斜角度在0～2°左右。在煤層的上層頂部為炭質(zhì)泥巖體系，它的節(jié)理裂隙在發(fā)育方面呈現(xiàn)松軟特性，極易破碎，而且平均厚度僅為2.4m，炭質(zhì)泥巖上層還有薄煤及粉砂巖覆蓋，粉砂巖互層特性堅(jiān)硬但性脆。

1.2 力學(xué)測(cè)試

從三層煤的頂?shù)装鍘r層、煤層頂?shù)装鍘r層和煤層取煤、巖石樣本，主要根據(jù)掏芯法進(jìn)行樣本選取。每個(gè)樣本的規(guī)格在200mm x 200mm x100mm，保證所取得樣本不存在明顯裂隙并能清晰的辨別它們的層位，然后進(jìn)行煤、巖樣的物理力學(xué)特性測(cè)試。具體測(cè)試及計(jì)算方法如下：

首先對(duì)巖樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定，它的主要測(cè)試方法包括了蠟封法和稱(chēng)重法，這里選擇稱(chēng)重法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

在公式中g(shù)表示巖樣的密度，m表示巖樣的質(zhì)量，而v則表示其體積。巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)定要在壓力試驗(yàn)機(jī)上完成。根據(jù)巖石的力學(xué)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將巖樣和煤樣加工成為100mm x 100mm x 100mm的正方體，然后按照ISRM試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中，利用模擬垂直壓力來(lái)模擬煤層中現(xiàn)實(shí)的理面垂直壓力，其垂直壓力系數(shù)與破壞壓力值都從壓力試驗(yàn)機(jī)上取得。經(jīng)過(guò)測(cè)試取得X煤層中巖層和頂?shù)装逦锢砹W(xué)的各項(xiàng)參數(shù)如表1。

表1 三煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)各項(xiàng)參數(shù)表

根據(jù)上述參數(shù)確定三層煤巷道巖層的巖體體積節(jié)理數(shù)在＜3時(shí)，它的巖體完整性指數(shù)應(yīng)該＞0.75，巷道圍巖屬于典型的破碎型結(jié)構(gòu)，所以它的頂板屬于破碎型頂板[1]。

2 松軟破碎圍巖的巷道支護(hù)原則分析

在對(duì)三層煤巷道支護(hù)前要確定不同圍巖條件以及其不同的力學(xué)環(huán)境條件，然后才能確定圍巖控制和巷道支護(hù)的基本原則，保證圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)破碎圍巖巷道存在圍巖松動(dòng)變形等現(xiàn)象，要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行控制，并確定這些松動(dòng)圍巖的承載能力大小，確保它們?nèi)匀粨碛幸欢ǖ闹ёo(hù)能力，并不能小于松動(dòng)荷載，這里稱(chēng)之為“松動(dòng)性的穩(wěn)定狀態(tài)”。所以支護(hù)工程也要遵從圍巖周?chē)乃蓜?dòng)性穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)支護(hù)原則。

另一方面，有必要采取及時(shí)支護(hù)的原則，因?yàn)樗绍浧扑轫敯鍢O易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這是由于其初期支護(hù)時(shí)剛度不足所造成的。所以支架?chē)鷰r所形成的平衡狀態(tài)可能因?yàn)樯鲜鲈虺霈F(xiàn)較大的變形，如果變形超出了穩(wěn)定狀態(tài)所允許的最大變形量范圍，就可能出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌等情況。所以支護(hù)工作一定要及時(shí)完成，保證圍巖支護(hù)在初期具有一定的預(yù)應(yīng)力，及早控制圍巖發(fā)生變形，維護(hù)圍巖正在逐步喪失的承載能力。

3 三層煤巷道的錨固支護(hù)設(shè)計(jì)分析

根據(jù)上文的支護(hù)原則，對(duì)三煤層全巷道進(jìn)行了松軟破碎頂板的錨固支護(hù)設(shè)計(jì)?？紤]到該礦井的綜采工作巷道斷面屬于矩形結(jié)構(gòu)，斷面尺寸在4.2m x 2.5m，而掘進(jìn)面積也有11m2，所以整個(gè)巷道的支護(hù)方案采用了預(yù)應(yīng)力錨桿配合金屬網(wǎng)、鋼帶及錨索補(bǔ)強(qiáng)的整體支護(hù)方式。

3.1 頂板支護(hù)分析

支護(hù)工程中所采取的錨桿桿體為高強(qiáng)度的左螺旋紋鋼筋，它的規(guī)格為20mmx2200mm，而且桿尾有螺紋M22設(shè)計(jì)，并配合了金屬拱形的高強(qiáng)度托板結(jié)構(gòu)和萬(wàn)向球，它的規(guī)格為100x100x10mm?？紤]到前期要提升支護(hù)強(qiáng)度，所以錨桿間距排列緊密，約為500mm，排距控制在900～1000mm之間，每排設(shè)計(jì)6根錨桿，兩個(gè)肩角的錨桿與支護(hù)垂線間保證20°左右的外斜布置距離。錨桿的錨固力也要適當(dāng)加大，約為200kN，而預(yù)緊力控制在50～80kN范圍內(nèi)。另一方面，三層煤巷道的錨索長(zhǎng)度設(shè)置為7000mm，所采用的是15.30mm級(jí)的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并以“212”式進(jìn)行布置，間距保持在1300mm左右，錨固力設(shè)計(jì)為300kN。

3.2 巷道巷幫支護(hù)分析

巷幫的支護(hù)方案主要采取了錨桿配合網(wǎng)支護(hù)的形式。其中錨桿的桿體為普通的金屬錨桿，而巷幫的錨桿長(zhǎng)度為1500mm左右。另外采用了拱形的高強(qiáng)度托板，其規(guī)格為130x130x20mm，主要是三排五花式的布置結(jié)構(gòu)，其排距保持在600m左右，錨固力約為70kN，預(yù)緊力則為40kN，為了進(jìn)一步加強(qiáng)錨固穩(wěn)定水平，采用了一只樹(shù)脂錨固劑。在巷道的兩幫則用到了不同材質(zhì)的兩種護(hù)幫網(wǎng)，其中右邊護(hù)幫網(wǎng)為尼龍網(wǎng)片，它的規(guī)格是10000mmx2000mm，而左邊護(hù)幫網(wǎng)則采用了金屬菱形網(wǎng)，其規(guī)格為4500mmx2200mm。全巷道全部采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘巷，并且依靠液壓來(lái)完成支護(hù)工序。因?yàn)橄锏劳耆凑赵O(shè)計(jì)尺寸展開(kāi)施工，所以支護(hù)工程質(zhì)量有保證[2]。

3.3 支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)分析

支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要分為兩個(gè)方面，其一是巷道表面位移的監(jiān)測(cè)。這方面監(jiān)測(cè)采用到了基于巷道表面位移的十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)。它的觀測(cè)方法是在巷道方向每隔50m就布置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。如果圍巖條件良好，可以擴(kuò)大距離在每100m處設(shè)計(jì)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。巷道表面的位移曲線如圖1。

圖1 三層煤巷道頂?shù)装逡平^(guò)程中的觀測(cè)點(diǎn)變化情況曲線

圖2 三層煤巷道頂板離層移近過(guò)程中的觀測(cè)點(diǎn)變化情況曲線

從圖1的曲線數(shù)據(jù)觀測(cè)情況來(lái)看，巷道頂?shù)装宓淖畲笠平靠梢赃_(dá)到70mm左右，這種情況會(huì)在一周后實(shí)現(xiàn)基本穩(wěn)定的狀態(tài)。所以這也說(shuō)明此次巷道預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)方式對(duì)巷道支護(hù)起到了較好的作用，基本控制了巷道表面在前期不會(huì)發(fā)生變形現(xiàn)象。同時(shí)，也對(duì)頂板的離層進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)部分所采用的是頂板離層指示儀。同樣在巷道每50m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，并將測(cè)點(diǎn)用的離層儀安裝于巷道的頂板中線位置，而深基點(diǎn)則固定在錨索上方較為穩(wěn)定的巖層以?xún)?nèi)，其固定距離約為250m。如圖2所示，支護(hù)工程后14天左右，頂板離層會(huì)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)下其最大的頂板離層值將達(dá)到14mm，這就表示在預(yù)應(yīng)力錨桿方案的支護(hù)輔助下，巷道頂板可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 總結(jié)

在此次對(duì)三層煤巷道進(jìn)行圍巖支護(hù)工程中發(fā)現(xiàn)，其巷道的表面位移量其實(shí)并不大，但是存在前期的巷道圍巖變形情況，需要及早進(jìn)行支護(hù)防范。此次支護(hù)從本質(zhì)上改善了三層煤巷道內(nèi)的圍巖力學(xué)狀態(tài)，而且深層開(kāi)采作業(yè)的安全強(qiáng)度也大幅度提升，同時(shí)也提升了巷道掘進(jìn)速度。而在采用了預(yù)應(yīng)力錨桿配合金屬網(wǎng)的支護(hù)方法后，巷道的維護(hù)費(fèi)用也大幅降低25%，它極大程度的緩解了目前深層巷道開(kāi)采作業(yè)采掘接替成本消耗緊張的難題。

[1]丁國(guó)利.破碎頂板條件下回采巷道圍巖破壞機(jī)理及錨注支護(hù)技術(shù)研究[D].太原理工大學(xué),2014:32-40.

[2]楊平.極破碎頂板條件下錨網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[J].煤炭技術(shù),2009,28(07):93-94.

何生武(1970-)，男,寧夏中寧人，本科，助理工程師，研究方向：巷道支護(hù)。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.237