兩軟一硬煤層巷道支護(hù)技術(shù)

沈　斌，　王海濤，　榮向東

（1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱150022；2.黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程系，黑龍江 雞西158100；3.河南永錦能源有限責(zé)任公司，河南 禹州461670）

兩軟一硬煤層巷道支護(hù)技術(shù)

沈斌1，王海濤2，榮向東3

（1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱150022；2.黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程系，黑龍江 雞西158100；3.河南永錦能源有限責(zé)任公司，河南 禹州461670）

為解決云蓋山煤礦一礦21203綜采工作面回風(fēng)巷道兩幫和底板變形大、支護(hù)困難問題，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合該礦“兩軟一硬”煤層上覆巖層移動(dòng)規(guī)律、垮落特征及超前支承壓力分布規(guī)律，將巷道原錨桿+錨索+錨網(wǎng)的矩形斷面支護(hù)形式改進(jìn)為馬蹄形U形鋼縮性支架支護(hù)形式?；趪鷰r單軸壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬。結(jié)果顯示：改進(jìn)后的支護(hù)形式有效改變了巷道應(yīng)力特征?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：馬蹄形U形鋼支護(hù)形式能夠有效控制兩幫移近量和底板臌起量，解決回風(fēng)巷道變形量大的問題。該研究為礦井掘進(jìn)相似巷道提供了支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

兩軟一硬煤層；巷道支護(hù)；馬蹄形U形鋼；數(shù)值模擬

“兩軟一硬”煤層，即煤質(zhì)軟、底板軟、頂板硬煤層，是繼三軟（煤質(zhì)軟、底板軟、頂板軟）特殊地質(zhì)條件煤層后又一特殊煤層?！皟绍浺挥病泵簩酉锏乐ёo(hù)是煤層開采和掘進(jìn)中亟需解決的難題［1-2］。河南永錦能源有限責(zé)任公司云蓋山煤礦一礦21203綜采回風(fēng)巷道屬于典型的“兩軟一硬”煤層［3］，回風(fēng)巷道兩幫和底板變形大、支護(hù)困難。針對(duì)這一情況，筆者根據(jù)該礦回風(fēng)巷道礦壓的觀測(cè)結(jié)果和巷道變形特點(diǎn)，改進(jìn)巷道原有支護(hù)方式，為礦井同類巷道施工提供了理論依據(jù)和工程技術(shù)方案。

1　工程概況

1.1煤層賦存條件

回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)在二1煤層中，煤質(zhì)呈粉末狀，黑色，疏松染手，暗淡型，局部含絲碳，煤層總體呈單斜狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普氏硬度系數(shù)f≤0.37。煤層傾角為14°～17°，平均15°。沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度為1.7～3.1 m，平均厚度為2.4 m。于回風(fēng)巷道-23～13 m段采樣，分析煤層賦存條件，結(jié)果如表1所示。

表1　煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Coal seam roof and floor condition

1.2巖石抗壓強(qiáng)度

巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行，采用傳統(tǒng)位移控制，加載速率為0.005 mm/s。巖石單軸壓縮的破壞形態(tài)見圖1。從圖1可以看出，試樣單軸壓縮破壞特征較為復(fù)雜，以剪張型破壞為主。

巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：老頂粉砂巖和直接頂中粒砂巖抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，屬于堅(jiān)硬類巖石；直接底砂質(zhì)泥巖和泥巖抗壓強(qiáng)度相對(duì)偏低，屬于軟巖類巖石；老底粉砂巖，抗壓強(qiáng)度中等，屬于中等堅(jiān)固類巖石。

2　巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)礦井回風(fēng)巷道具體的地質(zhì)條件、“兩軟一硬”圍巖性質(zhì)、上覆巖層結(jié)構(gòu)特征以及相鄰采面地質(zhì)構(gòu)造情況，得出以下規(guī)律［3-5］：

（1）在開采初期巖層移動(dòng)量較小，隨工作面的推進(jìn)，巖層的移動(dòng)量逐漸增大，并且在整個(gè)移動(dòng)過程中，各測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)并非完全同步，而呈現(xiàn)非線性。

（2）頂板巖層從下往上分層垮落，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巖層垮落存在較明顯的分層現(xiàn)象。煤層上覆巖層的破壞具有分層破壞的特性。

（3）煤層開采引起上覆巖層的變形、破壞、冒落。巷道底板是炭質(zhì)泥巖、泥巖，已經(jīng)掘進(jìn)的巷道底板巖層呈典型的蠕變狀態(tài)，在頂板壓力作用下這些軟化了的巖石便向巷道空間整體流動(dòng)，巷道的兩幫也隨底臌產(chǎn)生內(nèi)移。

以上規(guī)律作為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1　巖石單軸抗壓和破裂破壞狀態(tài)Fig.1 Rock uniaxial compression and rock burst

2.2斷面支護(hù)設(shè)計(jì)

基于二1煤層中回風(fēng)巷道現(xiàn)場(chǎng)矩形斷面支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了馬蹄形斷面支護(hù)形式，并給出設(shè)計(jì)參數(shù)。

當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)回風(fēng)巷道的支護(hù)形式為錨網(wǎng)+錨桿+梯形和M形鋼帶矩形斷面［6－7］，斷面寬4.3 m，凈高2.8 m。頂板平均坡度16°時(shí)計(jì)算，斷面掘進(jìn)面積Sa= 12.54 m2，斷面凈面積Sb=12.04 m2。幫部錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)度2.5 m，間距0.7 m，排距0.7 m；頂部錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)度2.0 m，間距0.8 m，排拒0.7 m；錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度8.0 m，僅在頂部打錨索，如圖2a所示。

［8-10］，將矩形斷面支護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)為采用五節(jié)36#可縮性U形鋼加底拱的馬蹄形斷面支護(hù)。斷面凈寬4.3 m，凈高3.3 m；頂板平均坡度16°時(shí)計(jì)算，斷面掘進(jìn)面積Sa=15.5 m2，斷面凈面積Sb=12.4 m2，間距0.6 m，如圖2b所示。支架與圍巖之間間隙采用木制備板充填。

2.3斷面支護(hù)應(yīng)力數(shù)值模擬

為分析矩形巷道和馬蹄形巷道兩種支護(hù)形式的效果，采用FLAC3D3.0軟件對(duì)兩種支護(hù)形式下的圍巖受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬。模型為非單一均質(zhì)材料，煤層厚度2.4 m，煤的硬度系數(shù)0.37，巖層的力學(xué)參數(shù)為容重24.5 kN/m3，體積模量2.2 GPa，剪切模量1.5 GPa，抗拉強(qiáng)度8.7 MPa，內(nèi)摩擦角27°，內(nèi)聚力3 MPa。根據(jù)巖層力學(xué)參數(shù)，選用理想彈塑性模型，采用 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則［11-12］，建立數(shù)值模型，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2　巷道支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of roadway supporting

圖3　巷道垂直應(yīng)力分布模擬Fig.3 Vertical stress distribution simulation of roadway

由圖3a可以看出，矩形巷道支護(hù)條件下，巷道兩幫和底板出現(xiàn)應(yīng)力集中，其中巷道兩幫打設(shè)錨桿處和巷道底板處應(yīng)力集中最大，最大應(yīng)力達(dá)到37.3 MPa。巷道頂板出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，頂板最小應(yīng)力值為0.59 MPa，頂板呈拱高1.1 m的拋物線形狀。

由圖3b可以看出，馬蹄形巷道支護(hù)條件下，頂?shù)装遄畲髴?yīng)力值達(dá)到38.1 MPa，與矩形巷道支護(hù)條件下最大應(yīng)力值一致，但馬蹄形U形鋼支護(hù)有效地將應(yīng)力集中區(qū)由巷道兩幫和底板轉(zhuǎn)移到巷道頂板上，兩幫應(yīng)力為降低區(qū)，分布相對(duì)均勻和對(duì)稱，有利于兩幫控制。同時(shí)，馬蹄形U形鋼支護(hù)方式的頂?shù)谆⌒螛?gòu)造，改變了巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布狀態(tài)，使巷道的軸線方向與構(gòu)造應(yīng)力方向平行，避免與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直，有利于提高自身承載力。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1觀測(cè)方法

3.1.1測(cè)站布置

在待測(cè)段具有代表性的100 m范圍內(nèi)，布置兩個(gè)測(cè)站，且兩個(gè)測(cè)站的間距為20～25 m，測(cè)站距離回采工作面1 050 m，不考慮回采工作面對(duì)測(cè)站的影響。每個(gè)測(cè)站布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為1 m。測(cè)點(diǎn)設(shè)在頂板穩(wěn)定、支架完好、兩幫整齊、底板平坦和牢固便于長(zhǎng)期觀測(cè)的位置。每個(gè)測(cè)站安裝一個(gè)頂板離層觀測(cè)儀。

3.1.2觀測(cè)方法與數(shù)據(jù)處理

在選定好的兩幫上做標(biāo)記，采用激光斷面檢測(cè)儀（北京光電技術(shù)研究所，型號(hào)YHD30J（A）型）檢測(cè)巷道斷面面積。測(cè)距精度為±3 mm，測(cè)角精度為±6′，方位角范圍為0°～360°，定位測(cè)量方式為垂直向下激光定心標(biāo)志點(diǎn)，每個(gè)斷面51個(gè)點(diǎn)。激光斷面儀放置在巷道中心線，檢測(cè)頭與巷道腰線齊平，使用專門設(shè)計(jì)的圖象處理軟件，對(duì)比參照斷面，快速計(jì)算兩幫和頂?shù)装宓拈g距變化量。頂板下沉量由頂板離層觀測(cè)儀讀取，頻率為每天一次；底板臌起量為前一次頂?shù)装彘g距減去本次測(cè)量的頂?shù)装彘g距和頂板下沉量。兩幫移近量、底板臌起量和頂板下沉量均為相對(duì)值。為了減少誤差，對(duì)同一斷面支護(hù)形式內(nèi)的測(cè)站數(shù)據(jù)取平均數(shù)，以月變形量為計(jì)量單位。

3.2結(jié)果分析

在二1煤層回風(fēng)巷道內(nèi)，設(shè)計(jì)了兩種斷面支護(hù)形式，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行為期六個(gè)月的礦壓觀測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4　巷道變形量Fig.4 Roadway deformation

由圖4可見，兩種支護(hù)形式下，頂板移近量很小，均小于100 mm，沒有明顯改變；矩形支護(hù)巷道兩幫移近量大，變化值為100～600 mm，而馬蹄形支護(hù)巷道兩幫移近量明顯減小，變化值為20～100 mm，在第六個(gè)月時(shí)，移近量減少了83.3%；矩形支護(hù)巷道底板臌起嚴(yán)重，臌起量為60～400 mm，馬蹄形支護(hù)巷道底板臌起量明顯減小，變化值為20～100mm，在第六個(gè)月時(shí)，臌起量減少了75.0%?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)馬蹄形支護(hù)巷道部分地段由于施工沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求架設(shè)U形鋼，導(dǎo)致鋼棚迎山角和扭矩不符合要求，致使鋼棚受力不均，出現(xiàn)明顯底臌現(xiàn)象。

4　結(jié)　論

（1）支護(hù)巷道應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果顯示，馬蹄形U形鋼支護(hù)方式有效地將應(yīng)力集中區(qū)由巷道兩幫和底板轉(zhuǎn)移到巷道頂?shù)装迳?，降低了兩幫?yīng)力，有利于兩幫控制，同時(shí)其頂?shù)谆⌒螛?gòu)造改變了巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布狀態(tài)，有利于提高承載力。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)顯示，采用馬蹄形U形鋼支護(hù)方式第六個(gè)月，相對(duì)矩形錨網(wǎng)支護(hù)方式，巷道兩幫移近量減少了83.3%，底板臌起量減少了75%，巷道的兩幫移近量和底板臌起量均得到了有效控制。

（3）馬蹄形U形鋼支護(hù)方式在“兩軟一硬”煤層巷道支護(hù)中有利于圍巖和煤承載圈的形成，增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性，為礦井掘進(jìn)相似巷道提供了支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

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（編輯荀海鑫）

Research of roadway support in two-soft and one-hard coalbed

SHEN Bin1，WANG Haitao2，RONG Xiangdong3
（1．School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.Resource Engineering Department，Heilongjiang University of Technology，Jixi 158100，China；3.Henan Yongjin Energy Co.Ltd.，Yuzhou 461670，China）

This paper is concerned with a solution to notorious difficulties，such as a closer convergence between the two sidewalls，a greater floor deformation and a more challenging roadway support，as occurs in NO 21203 fully mechanized working face return roadway in YUN Gaishan Number one coal mine.The research builds on the data derived from field measurement and is combined with the law underlying the movement of overlying strata，caving characteristics，and the law governing the distribution of initial support pressure，as is typical of the coal seams，known as“two-soft and one-hard”，in the mine.The study features a horseshoe U shaped steel bracket supporting form developed from the currently-used roadway supporting form—a supporting form of rectangular cross section comprised of anchor rod，anchor cable，and anchor net，and highlights FLAC3Dnumerical simulation based on experiment parameters behind uniaxial compression of surrounding rocks.The results demonstrate that the improved support form may enable an effective change in the roadway stress behavior.The field application shows that the horseshoe U-shaped steel supporting form may provide a more effective control of the extent to which there occur the convergence between the two sidewalls and floor heave；and a better solution to a greater deformation occurring in return airways

two-soft and one-hard coalbed；roadway support；horseshoe U-type steel；numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.003

TD353

2095-7262（2015）06-0588-05

A

2015－11－10

黑龍江省普通高校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2014－KF05）

沈斌（1983－），男，浙江省長(zhǎng)興人，講師，博士研究生，研究方向：礦山安全技術(shù)，E-mail：shenbin1121@163.com。