三軟煤層回采巷道合理支護(hù)技術(shù)研究

姜祥振　李寧　何俊　

（1.河南神火煤業(yè)公司新莊煤礦，河南 永城 476600； 2.河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院能源與材料工程系，河南 焦作 454000；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037）

·礦業(yè)與水利工程·

三軟煤層回采巷道合理支護(hù)技術(shù)研究

姜祥振1李寧2何俊3，4

（1.河南神火煤業(yè)公司新莊煤礦，河南 永城 476600； 2.河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院能源與材料工程系，河南 焦作 454000；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037）

本文通過理論分析，提出了回采巷道采用U型鋼+錨桿（索）+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，運(yùn)用數(shù)值模擬分析了該支護(hù)體系下圍巖位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況，并進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：該支護(hù)體系下巷道變形得到有效控制，保證了回采巷道的穩(wěn)定性。

三軟煤層；回采巷道；支護(hù)技術(shù)

三軟煤層由于煤層及圍巖巖性軟弱，頂?shù)装宸€(wěn)定性較差，頂板下沉量大，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道維護(hù)困難［1-3］。尤其是三軟厚煤層全煤巷道，除頂?shù)装遄冃螄?yán)重外，巷幫受到垂直應(yīng)力影響，巷道兩幫破碎且易剝落，常規(guī)的支護(hù)方式難以滿足巷道穩(wěn)定性要求，該種條件下回采巷道支護(hù)問題一直是困擾煤礦開采的瓶頸［4-5］。因此，本文以12011工作面為工程對象，研究三軟厚煤層回采巷道的合理支護(hù)方式。

1　工程背景概況

12011工作面開采煤層為二1煤，頂?shù)装鍘r性較差，頂板較為破碎，巷道施工過程中地應(yīng)力顯現(xiàn)較為嚴(yán)重。經(jīng)取樣及巖石力學(xué)試驗(yàn)分析，12011工作面煤層較軟，巷道頂?shù)装鍘r性較差，且含有膨脹性較大的泥巖。巷道圍巖應(yīng)力較大，圍巖穩(wěn)定程度為Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖，屬典型的三軟煤層。現(xiàn)在采用29U4250拱縮棚架棚支護(hù)，巷道變形量大，頂梁壓彎、受擠壓、卡纜壓崩、棚腿傾斜及底鼓現(xiàn)象尤為突出，巷道穩(wěn)定性較差，不僅影響巷道的施工速度及施工安全，同時(shí)極大地影響回采時(shí)巷道的安全使用。因此研究該種條件下回采巷道的支護(hù)方式，控制巷道變形量，加快巷道施工速度，降低巷道支護(hù)綜合成本對于該礦來說意義重大。

2　三軟回采巷道支護(hù)方式研究

2.1理論分析

巷道圍巖為典型的三軟煤巖層，在原有支護(hù)條件下，根據(jù)現(xiàn)場檢測分析，由于頂板巖層松軟破碎，其松散應(yīng)力經(jīng)巷道頂板傳到巷幫，再經(jīng)巷幫傳給底板。若底板不采取措施，則在巷道頂板下沉的同時(shí)，出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。因此該類圍巖條件下巷道支護(hù)的關(guān)鍵是圍巖的綜合控制，使巷道頂、幫、底板的支護(hù)形成一個(gè)整體。為此提出了采用錨桿（索）網(wǎng)+U型鋼聯(lián)合支護(hù)方式，來控制巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃?，必要時(shí)在U型鋼下加點(diǎn)柱提高支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)采用“松幫卸壓”措施控制巷道兩幫變形。

2.2數(shù)值模擬分析

依據(jù)12011工作面地質(zhì)條件及巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，模擬12011工作面運(yùn)輸平巷在無支護(hù)與采用上述聯(lián)合支護(hù)條件下巷道圍巖的位移、應(yīng)力分布及圍巖塑性區(qū)大小等情況。其中二1煤層埋深約670m，上邊界施加的自重應(yīng)力約16.6Mpa，底邊界及左右邊界為固定約束，上邊界施加自重應(yīng)力。數(shù)值模擬有無支護(hù)條件下，回采巷道位移分布、應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布分別如圖1-圖4所示。

從圖1可以看到，無支護(hù)時(shí)巷道底臌量最大值為309mm，頂板下沉量最大值為168mm；在采用聯(lián)合支護(hù)后，巷道附近及深部圍巖位移量大大減小，底板位移最大值為90mm左右，頂板則只有50mm左右。說明支護(hù)結(jié)構(gòu)改變了巷道圍巖的受力狀態(tài)，提高了圍巖的強(qiáng)度。

圖1　綜合位移分布

圖2　水平應(yīng)力分布

圖3　垂直應(yīng)力分布

從圖2和圖3可以看出：無支護(hù)時(shí)，水平應(yīng)力在距巷道頂板5m處以及距底板6m處出現(xiàn)應(yīng)力集中，水平應(yīng)力最大值頂?shù)装逑嗖畈淮?，約為32Mpa，集中系數(shù)為1.93；在支護(hù)后，不同位置巷道附近及深部圍巖水平應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中的范圍有明顯縮小，頂板減小到1.5m左右，底板減小到4m左右，水平應(yīng)力最大值為18Mpa，集中系數(shù)為1.08。說明支護(hù)使巷道圍巖受力比較均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)作用比較明顯，提高了圍巖進(jìn)入塑性變形以后的剩余強(qiáng)度，大大降低了圍巖深部水平集中應(yīng)力。無支護(hù)時(shí)，垂直應(yīng)力在距巷道兩幫8m處出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力最大值為23Mpa，集中系數(shù)為1.39；在采用聯(lián)合支護(hù)后，不同位置巷道附近及深部圍巖垂直應(yīng)力等值線分布均勻，垂直應(yīng)力最大值為19Mpa，集中系數(shù)為1.15。說明支護(hù)結(jié)構(gòu)降低了圍巖深部集中應(yīng)力。

圖4　塑性區(qū)分布

巷道圍巖塑性區(qū)大小是影響其穩(wěn)定性的重要因素，塑性區(qū)是巷道在開挖以后，圍巖運(yùn)移及應(yīng)力重新分布的最終也是最直接的反映。從圖4可以看出，無支護(hù)時(shí)，塑性區(qū)范圍頂?shù)装宕笥趦蓭?，頂板的受拉單元范圍依次增大，距巷道頂板的距離為1.5m。當(dāng)有支護(hù)結(jié)構(gòu)存在時(shí)，巷道塑性區(qū)范圍大大減小，巷道頂板幾乎沒有受拉單元，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)使圍巖的強(qiáng)度得到了提高，減少了巷道表面和深部圍巖向開挖空間的運(yùn)移。

3　現(xiàn)場應(yīng)用及觀測

根據(jù)上述分析，在12011工作面運(yùn)輸平巷應(yīng)用聯(lián)合支護(hù)方案，在運(yùn)輸平巷內(nèi)共布置5個(gè)測站，測站間距為10m，采用十字交叉法進(jìn)行了巷道兩幫移近量及頂板移近量的觀測，觀測結(jié)果如圖5、圖6所示。

從5圖中可以看出五個(gè)測站在前三天巷道間距變化量不大，穩(wěn)定變形，第4-6天巷道變形量變大，第6天后變形減緩。第2測站在第4天變形量突增，考慮與施工有關(guān)?？傮w上講，從第6天以后巷道變形穩(wěn)定，變形量均小于10mm/d。從圖6看出，在支護(hù)后6天巷道頂板下沉速率比較大，從第7天以后巷道頂板下沉速率減小，巷道穩(wěn)定變形且變形量很小。圖3和圖4反映出采用U型鋼、錨桿（索）網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)后巷道總體變形得到很大的控制，支護(hù)效果明顯，說明這種支護(hù)方式是合理的。

圖5　12011運(yùn)輸平巷兩幫變形量觀測

圖6　12011運(yùn)輸平巷頂板變形量觀測

4　結(jié)語

三軟煤層回采巷道采用傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)時(shí)，由于圍巖松軟破碎、強(qiáng)度較低、易變形破壞，錨固劑與鉆孔壁的黏結(jié)力很低，錨桿支護(hù)效果不理想，因此應(yīng)采用主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)方式來改變圍巖的應(yīng)力分布。通過上述分析，針對三軟煤層采用U型鋼+錨桿（索）+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的方式，可有效控制回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，保障回采巷道的安全，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。

［1］杜強(qiáng).柿花田煤礦“三軟”不穩(wěn)定煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2013.

［2］曹樹剛，鄒德均，白燕杰，等.近距離“三軟”薄煤層群回采巷道圍巖控制［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，4：524-529.

［3］劉玉衛(wèi)，秦國留，黃克軍，等.三軟煤層回采巷道礦壓規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究［J］.榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，6：1-4.

［4］劉光程.深井軟巖巷道底臌機(jī)理分析及治理加固技術(shù)研究［D］.安徽：安徽理工大學(xué)，2009.

［5］王貴虎，楊德傳，何廷峻.三軟煤層巷道支護(hù)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，3：4-6+89.

Research on Reasonable Supporting Technology in Three Soft Coal Seam Mining Roadway

Jiang Xiangzhen1Li Ning2He Jun3，4
（1.Henan Shenhuo Coal Industry Company Xinzhuang Coal Mine，Yongcheng Henan 476600；2.Department of Energy and Materials Engineering，WanfangTechnology College，Henan Science and Engineering University，Jiaozuo Henan 454000；3.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037；4.Chongqing Research Institute of China Coal Science and Industry Group，Chongqing 400037）

This paper，through theoretical analysis，proposed the mining roadway adopting with U type steel+bolt（cable）+metal mesh combined support，making a numerical simulation analysis onthe surrounding rock displace?ment，stress and plasticzone distribution of the supporting system，and made an on-site verification.The research results show that：the roadway deformation under the supporting system has been effectively controlled，ensuring the stability of the mining roadway.

three soft coal seam；mining roadway；supporting technology

TD353

A

1003-5168（2015）05-0057-3

2015-4-20

姜祥振（1987.7-），男，本科，助理工程師，研究方向：采煤技術(shù)。