三軟強(qiáng)變形煤巷復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究

張 沛，黃慶享

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

巷道支護(hù)理論與技術(shù)

三軟強(qiáng)變形煤巷復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究

張 沛1，2，黃慶享1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

告成煤礦屬于典型的三軟強(qiáng)變形煤層，通過分析原有支護(hù)的變形特征和失效原因，進(jìn)行了巷道斷面優(yōu)化，確定了全斷面錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿復(fù)合支護(hù)方案，取消了U型棚，經(jīng)過工業(yè)性試驗(yàn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。

三軟煤層；復(fù)合支護(hù)；斷面優(yōu)化；U型棚

鄭州煤電股份有限公司告成煤礦礦井地質(zhì)條件特殊，存在滑動構(gòu)造。礦井主采二1煤層，其頂板受滑動構(gòu)造影響范圍21.5km2，占含煤面積的79.6%，屬于豫西典型的三軟強(qiáng)變形煤層。

告成煤礦工作面上下副巷受到采動等因素的影響，巷道變形劇烈，不能滿足安全生產(chǎn)的需求，擴(kuò)修率達(dá)到60%以上，巷道翻修不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加生產(chǎn)成本，而且也影響了礦井的正常采掘接替。因此，以告成煤礦21061下副巷為研究對象，確定三軟強(qiáng)變形煤巷的合理支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，不僅對該礦區(qū)具有直接的實(shí)踐價(jià)值，對發(fā)展復(fù)雜構(gòu)造條件下的三軟煤層支護(hù)技術(shù)具有重要的理論意義。

1 巷道圍巖力學(xué)條件

分別在21061下副巷對二1煤層、頂板、底板進(jìn)行現(xiàn)場取樣，開展力學(xué)參數(shù)測試。煤層及頂?shù)装逅绍浧扑?，屬于典型的三軟?qiáng)變形煤層，圍巖力學(xué)性質(zhì)如下：

(1)二1煤層平均厚4.86m，一般煤層傾角為11～13°，煤層受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈粉末狀，疏松易碎。密度1350kg/m3，抗壓強(qiáng)度平均0.9MPa，水軟化系數(shù)0.32，抗拉強(qiáng)度平均0.094MPa，黏聚力0.7MPa，內(nèi)摩擦角20°，彈性模量32.98MPa，泊松比0.28。

(2)頂板為平均厚度8.56m的破碎帶角礫巖，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，容易泥化。密度2650kg/m3，抗壓強(qiáng)度平均24.62MPa，抗拉強(qiáng)度平均2.88MPa，黏聚力5.2MPa，內(nèi)摩擦角35°，彈性模量351.2MPa，泊松比0.20。

(3)底板為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，密度2440kg/m3，抗壓強(qiáng)度平均14.47MPa；抗拉強(qiáng)度平均3.241MPa；黏聚力僅0.8MPa，內(nèi)摩擦角25°，彈性模量413.8MPa，泊松比0.20。

2 巷道原支護(hù)條件及支護(hù)失效分析

2.1 巷道原支護(hù)條件及變形特征

告成煤礦21061下副巷原斷面設(shè)計(jì)巷道凈斷面15m2，掘進(jìn)斷面17m2。巷道采用36號U型鋼支護(hù)，棚與棚之間采用7道工字鋼聯(lián)鎖配合直徑17.8mm錨索(8m長)加固，棚距為500mm。

根據(jù)告成煤礦21061下副巷支護(hù)實(shí)踐，巷道最大變形破壞特征為：支架搭接部位出現(xiàn)低阻滑移，頂梁和柱腿相對滑移達(dá)1m；巷道頂板下沉、底鼓0.6～0.7m，巷道凈高不足2m，局部甚至不足1.5m；巷道兩側(cè)幫腳內(nèi)移明顯，巷道下寬由6.2m縮至3.8m；U型鋼支架背板滑脫、折斷，軟弱煤體從支架間擠出。如圖1所示。

圖1 21061下副巷典型變形特征

2.2 巷道支護(hù)失效原因分析

采用U型鋼棚支護(hù)巷道發(fā)生了嚴(yán)重變形，說明采用單一U型鋼支護(hù)難以控制巷道變形，采用U型鋼配合工字鋼及錨索等支護(hù)，施工困難，工藝復(fù)雜，成本高，巷道變形仍然劇烈，擴(kuò)修率達(dá)到60%以上，影響了礦井的正常采掘接替。巷道支護(hù)失效的原因如下：

(1)U型鋼棚支護(hù)屬于被動支護(hù)，支架與圍巖之間存在架后空隙，支架對圍巖沒有主動支護(hù)作用，對底板沒有支護(hù)作用，故無法有效控制巷道底鼓。

(2)采用的錨桿、錨索支護(hù)屬于先期用U型鋼支護(hù)，然后待巷道掘進(jìn)一段距離后，在U型鋼鋼棚間的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，沒有發(fā)揮錨桿支護(hù)的及時(shí)主動支護(hù)作用。

(3)沒有及時(shí)對巷道圍巖進(jìn)行噴漿封閉，沒有考慮對底板的控制。

因此，需要對告成煤礦21061下副巷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用底板反拱增強(qiáng)底板穩(wěn)定性，取消U型棚被動支護(hù)，采取錨網(wǎng)加強(qiáng)兩幫和頂板主動支護(hù)，封閉圍巖。

3 巷道斷面優(yōu)化及支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程類比和極限平衡圈理論分析，可得：采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)是正確的方向；噴漿封閉對解決松軟破碎圍巖支護(hù)具有顯著效果；加強(qiáng)巷道底板和兩幫的控制，可提高巷道整體穩(wěn)定性。

因此，確定告成煤礦21061下副巷采用錨網(wǎng)索噴配鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)方式，采用底板反拱優(yōu)化斷面，加強(qiáng)底板穩(wěn)定性，采用巷幫長錨桿加強(qiáng)兩幫控制，采用頂板錨索加強(qiáng)頂板高平衡拱的控制，提高巷道整體穩(wěn)定性。

3.1 巷道斷面優(yōu)化

為了充分發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)的主動能力，根據(jù)錨網(wǎng)支護(hù)的“直墻壁”原則，巷道斷面選擇為直墻圓弧拱形。巷道面積與原設(shè)計(jì)一樣，確定巷道寬度為6200mm，凈高3600mm，墻高2000mm。根據(jù)巷道極限平衡圈支護(hù)理論，控制底板可加強(qiáng)頂板的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)測，底板破壞深度為1200mm，可取其一半設(shè)計(jì)反拱深度600mm，加強(qiáng)底板穩(wěn)定性，如圖2所示。頂弧長7248mm，底弧長6353mm。

圖2 21061下副巷優(yōu)化斷面

3.2 巷道支護(hù)方案

根據(jù)極限平衡圈理論[2]，結(jié)合礦區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定支護(hù)方案如圖3所示。巷道采用直墻圓弧拱帶反拱優(yōu)化斷面，巷道寬度6.2m，直墻高度2.0m，頂拱高1.6m，底板反拱0.6m。全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護(hù)，錨桿長度2.4m，間排距0.8m；采用錨索加強(qiáng)頂板和兩幫支護(hù)，頂板錨索長度6m，兩幫腰線錨索長度6m，間排距1.2m×1.6m；全斷面采用金屬網(wǎng)封閉。

圖3 21061下副巷優(yōu)化斷面支護(hù)方案

4 巷道支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)評價(jià)

4.1 巷道支護(hù)效果

在告成煤礦21061下副巷995～1275m段進(jìn)行全錨網(wǎng)支護(hù)工業(yè)性試驗(yàn)，建立4個測站進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)試驗(yàn)段表面位移觀測。通過觀測，巷道頂?shù)滓平孔畲鬄?85mm，巷道頂?shù)资湛s率范圍在1.7%～8.3%之間；巷道兩幫移近量最大為157mm，巷道兩幫收縮率范圍為0.46%～4.1%；巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平繛?28～880mm，采用全斷面錨網(wǎng)索梯子梁支護(hù)，對比U形鋼支架+錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)巷道變形量下降了68%，巷道使用情況良好，采用全斷面錨網(wǎng)索梯子梁支護(hù)，技術(shù)效果明顯。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過計(jì)算，錨網(wǎng)梁支護(hù)每米巷道材料消耗費(fèi)用為1443.361元，U型棚錨網(wǎng)支護(hù)每米巷道材料消耗費(fèi)用為5678.241元，每米巷道材料消耗費(fèi)用降低了74.6%。

使用錨網(wǎng)梁支護(hù)巷道返修工程量較少，現(xiàn)在告成煤礦工業(yè)性試驗(yàn)段，錨網(wǎng)梁支護(hù)沒有出現(xiàn)巷道返修(U型棚錨網(wǎng)支護(hù)巷道返修率為60%以上，每米巷道維護(hù)費(fèi)為320元)。因此，在告成煤礦工業(yè)性試驗(yàn)段280m巷道，節(jié)省巷道維護(hù)費(fèi)用5.376萬元。使用錨網(wǎng)梁支護(hù)，單進(jìn)提高了10%，掘進(jìn)工效提高了38%，提前準(zhǔn)備出工作面?zhèn)洳伞?/p>

5 結(jié) 論

以告成煤礦三軟強(qiáng)變形煤巷為對象，通過現(xiàn)場取樣、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出圍巖力學(xué)參數(shù)，分析原巷道支護(hù)的變形特征及失效原因，在巷道斷面優(yōu)化基礎(chǔ)上，確定了全斷面錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護(hù)的方案，經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn)檢驗(yàn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。

[1]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]黃慶享，劉玉衛(wèi).巷道圍巖支護(hù)的極限自穩(wěn)平衡拱理論[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31(3)：355-358.

[3]黃慶享，石中情.三軟煤層巷道圍巖自穩(wěn)平衡圈分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(3)：331-335.

[4]董方庭，宋宏偉，郭志宏，等．巷道圍巖松動圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994，19(1)：22-32.

[5]柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采動巷道底鼓機(jī)理與控制技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28(3)：1-5.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Study of Compound Supporting Technology of Coal Roadway with Three Soft and Large Deformation

ZHANG Pei1,2，HUANG Qing-xiang1，2

(1.Energy School，Xi’an University of Sciences and Technology，Xi’an 710054，China；2.Education Ministry Key Laboratory of Mining & Disaster Prevention，Xi’an 710054，China)

Gaocheng coal mine is typical three soft and large deformation coal seam，the deformation character of old supporting and failure reasons were analyzed，the section of roadway was optimized，the compound supporting as all section cable and anchor and steel beam and metal net shotcrete was determined，and U type shed was abolished，after industry test,significant technical and economic effects was obtained.

three coal seam，compound supporting，optimized section；U type shed

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.012

西安科技大學(xué)博士啟動基金(6310113032)；西安科技大學(xué)能源學(xué)院青年創(chuàng)新基金(2210115019)

張 沛(1979-)，男，河南泌陽人，博士，講師，從事采礦與巖層控制教學(xué)和研究工作。

張 沛，黃慶享.三軟強(qiáng)變形煤巷復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：44-46.

TD353

A

1006-6225(2017)02-0044-03