復(fù)雜條件下薄煤層開采巷道圍巖控制問題及對策

陳旭明

摘 要：針對南方復(fù)雜地質(zhì)條件薄煤層開采巷道難控制的問題，文章以含春煤礦薄煤層開采為例，分析了薄煤層開采巷道圍巖控制中存在的問題及巷道變形破壞特征，并針對性地提出復(fù)雜條件下薄煤層開采巷道的控制對策及支護(hù)技術(shù)。工程實(shí)踐表明，應(yīng)用新支護(hù)技術(shù)后巷道圍巖變形得到有效控制，支護(hù)體受力情況良好，能夠保證圍巖結(jié)構(gòu)的長時(shí)間穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)條件；薄煤層；軟弱圍巖；巷道支護(hù)

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）17-0171-02

相較于北方大型煤炭生產(chǎn)基地，南方煤炭資源十分有限，而考慮地區(qū)民用需求則必須保證一定數(shù)量的煤礦開采。就南方煤炭資源分布情況而言，煤層厚度在2 m以下薄煤層占有相當(dāng)大的比例，且多處煤層賦存條件較為復(fù)雜。

復(fù)雜條件薄煤層開采面臨的主要問題包括瓦斯和軟巖，由于近年來對瓦斯問題的高度重度，瓦斯事故已而到有效控制；而南方軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制一直得不到保障，甚至在很大程度上成為限制煤礦生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。

研究復(fù)雜條件下軟巖巷道新的支護(hù)方法，對南方薄煤層資源開發(fā)具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 復(fù)雜條件薄煤層開采巷道支護(hù)問題變形特征

1.1 巷道支護(hù)問題

相較于北方大型煤礦，南方煤礦由于地質(zhì)條件復(fù)雜、井型小、煤質(zhì)差以及其他人為因素，使得巷道支護(hù)存在很大問題。首先，巷道支護(hù)方案與參數(shù)存在盲目性，礦井巷道支護(hù)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得巷道支護(hù)剛度不夠，支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。

其次，支護(hù)時(shí)機(jī)選擇不合理，尤其對于巷道掘進(jìn)后的一次與二次支護(hù)，不能確定有效的支護(hù)時(shí)機(jī)。同時(shí)，人為因素造成的巷道施工質(zhì)量的不合格，亦是造成薄煤層開采巷道圍巖難控制的重要因素。

1.2 巷道變形破壞特征

對礦井巷道地質(zhì)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道變形破壞特征主要為以下幾個(gè)方面：

①巷道的破壞主要集中在幫角與底角位置，此方向?yàn)閼?yīng)力集中最大區(qū)域；巷道破壞形式以剪切破壞為主，在巷道圍巖淺層表面會出現(xiàn)小范圍的剪切破壞帶，但隨著應(yīng)力加載時(shí)間的延長，剪切破壞帶規(guī)模會逐漸擴(kuò)大并相互貫通，形成大范圍塑形破壞。

②兩道兩幫移近量大，且兩幫中下部鼓出嚴(yán)重。幫部圍巖在變形過程中，支護(hù)體會隨著圍巖發(fā)生整體外移現(xiàn)象。巷道兩幫變形不協(xié)調(diào)，中下部變形嚴(yán)重，上部變形程度則相對較弱。兩幫在高側(cè)壓力作用下發(fā)生嚴(yán)重變形，中下部鼓起、垮落，巷道斷面被擠成尖桃形，如圖1所示。

復(fù)合頂板下沉嚴(yán)重。頂板中央下沉位移量較大，造成棚式支護(hù)變形扭曲，錨網(wǎng)支護(hù)體下沉變形，如圖2所示。

2 復(fù)雜條件下薄煤層開采巷道圍巖控制

①調(diào)動深部圍巖承載能力。對巷道斷面關(guān)鍵部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在兩肩與兩窩位置施以錨索加強(qiáng)支護(hù)，改善集中壓縮區(qū)圍巖受力情況，并調(diào)動深部巖體的承載能力。

②強(qiáng)化兩幫護(hù)表作用。巷道兩幫以破碎煤體為主，并交替有煤巖體，結(jié)構(gòu)整體性較差。通過在巷道表面采取措施，增加巷道兩幫護(hù)表作用力，增加支護(hù)受力面積，并降低幫部應(yīng)力集中程度，達(dá)到提高兩幫承載能力的目的。

③讓抗結(jié)合，協(xié)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖變形。半煤巖巷變形具有不均勻性，支護(hù)初期做到適當(dāng)讓壓，并及時(shí)實(shí)施高阻抗壓，避免圍巖過度變形。

④提升圍巖結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。對巷道圍巖不同部位采取不同支護(hù)策略，兩幫應(yīng)提高支護(hù)阻力，限制幫部的大變形；頂板控制中應(yīng)注意支護(hù)結(jié)構(gòu)的初始阻力；底板應(yīng)參考“0”位移點(diǎn)，避免幫腳出現(xiàn)圍巖的擠壓變形。

⑤分層次、有控支護(hù)。巷道支護(hù)的兩個(gè)重要原則是充分發(fā)揮圍巖的自承能力和有效釋放膨脹變形能，二者在實(shí)施過程中存在矛盾性，如何將二者有效結(jié)合將是巷道支護(hù)的關(guān)鍵，而在支護(hù)中表現(xiàn)為確定合理的分層支護(hù)形式與時(shí)間。

⑥注漿加固破碎區(qū)。注漿對于復(fù)雜條件下半煤巖巷破碎圍巖的加固具有重要作用，能夠維護(hù)圍巖整體穩(wěn)定，將圍巖松動圈轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d圈。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

含春煤礦位于福建省永春縣，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為24萬t/a。礦井可采煤層較多，且煤層厚度均不超過2 m。礦井劃分三個(gè)采區(qū)對煤層資源進(jìn)行回收，含一采區(qū)與含二采區(qū)開采已經(jīng)接近尾聲；現(xiàn)階段進(jìn)行含三采區(qū)+540 m、+510 m兩個(gè)生產(chǎn)區(qū)段，+485 m和+460 m區(qū)段處于開拓階段。含三采區(qū)所在層位主要為粉砂巖，受斷裂褶皺地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高。煤層頂?shù)装鍘r石屬軟硬相間的工程地質(zhì)巖組，穩(wěn)固性中等。集中運(yùn)輸大巷斷面形狀為半圓拱，凈斷面尺寸為2.3 m×2.33 m（寬×高）。主要沿煤巷道支護(hù)采用普通錨桿、棚式支護(hù)，支護(hù)初期兩幫就鼓起與冒落，在高應(yīng)力與采動影響雙重作用下巷道變形嚴(yán)重，已影響到正常生產(chǎn)工作的接替。

3.2 疊加拱“長、短”密集錨索支護(hù)

結(jié)合圍巖破壞情況與巷道控制策略，設(shè)計(jì)對巷道圍巖實(shí)施疊加拱“長、短”密集錨索支護(hù)，支護(hù)方案，如圖3所示。巷道圍巖較為破碎，巷道掘進(jìn)后對其進(jìn)行密集型錨索支護(hù)，形成承載結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓縮拱；在此基礎(chǔ)上，對巷道關(guān)鍵部位施以長錨索加強(qiáng)支護(hù)，強(qiáng)化原有壓縮拱承載能力，并且新密集型長錨索又能形成較大范圍的壓縮拱，協(xié)調(diào)深部圍巖保證淺部壓縮拱的支護(hù)有效性。

3.3 支護(hù)參數(shù)

全斷面短錨索打設(shè)數(shù)量為根，規(guī)格為17.8 mm×4 000 mm，間排距為800 mm×1 600 mm，上下幫角位置錨索各偏移30

～50 °。金屬網(wǎng)需具備一定的柔性，型號選用，網(wǎng)格為；鋼帶選用12～2 000 mm×1 000 mm，厚度為6 mm，排距控制在1 500 mm；梯子梁采用螺紋鋼，直徑可選用14 mm或16 mm，排距控制在1 500 mm，須保證梯子梁的搭接長度超過100 mm。長錨索數(shù)量為5根，型號為17.8 mm×7 000 mm。

3.4 工程支護(hù)效果

對支護(hù)方案實(shí)施后圍巖表面收斂位移進(jìn)行觀測，為期90天，結(jié)果如圖4所示。

分析上圖可知，巷道頂?shù)装迮c兩幫變形均較小，兩幫變形量110～125 mm，頂?shù)装逡平?0～50 mm，巷道圍巖變形均在安全允許范圍內(nèi)。而由圍巖變形曲線波動情況得到，圍巖變形經(jīng)歷了三個(gè)階段，即急速增長、緩慢增長和趨于穩(wěn)定。急速增長階段（2 ～20 d），此階段的圍巖變形量占到了整個(gè)圍巖變形量的多大部分，約為%。緩慢增長階段（20 ～60 d），這一階段的兩幫和頂?shù)装遄冃瘟繛?0 mm和13 mm，表明：隨著圍巖變形，錨索支護(hù)阻力逐漸增加，提高了支護(hù)體的承載能力；變形穩(wěn)定階段的圍巖變形速率及變形量均非常小，逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

巷道的破壞主要集中在幫角與底角位置，破壞形式以剪切破壞為主。圍巖淺層首先出現(xiàn)小范圍的剪切破壞帶，并隨著時(shí)間的增加，剪切破壞帶規(guī)模會逐漸擴(kuò)大并相互貫通，形成大范圍塑形破壞。同時(shí)，巷道兩幫變形不協(xié)調(diào)，頂板后期亦會出現(xiàn)明顯下沉變形。

疊加拱“長、短”密集錨桿支護(hù)能夠形成一個(gè)連續(xù)的承載結(jié)構(gòu)，短密錨桿支護(hù)形成內(nèi)承載結(jié)構(gòu)；外部密集型錨索形成外承載結(jié)構(gòu)，調(diào)動深部圍巖承載能力，共同確保內(nèi)承載結(jié)構(gòu)的支護(hù)穩(wěn)定性。

含春煤礦主要集運(yùn)巷、沿煤巷支護(hù)實(shí)踐表明，新支護(hù)方案實(shí)施后，巷道圍巖變形得到有效控制（兩幫收斂110～125 mm，頂?shù)滓平?0～50 mm），支護(hù)體受力情況良好，巷道未出現(xiàn)明顯圍巖變形及底鼓現(xiàn)象。疊加拱“長、短”密集錨索支護(hù)在復(fù)雜條件薄煤層開采巷道支護(hù)中的應(yīng)用具有推廣價(jià)值，能夠控制半煤巖巷道變形與穩(wěn)定。

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