厚煤層分岔區(qū)變厚度夾矸下回采巷道支護(hù)技術(shù)

吳紹民，秦廣鵬，張明光，代 進(jìn)(．山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司秦華煤礦，新疆 庫爾勒 84000；．山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東 泰安 709；.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 66590)

厚煤層分岔區(qū)變厚度夾矸下回采巷道支護(hù)技術(shù)

吳紹民1，秦廣鵬2，張明光3，代 進(jìn)2
(1．山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司秦華煤礦，新疆 庫爾勒 841000；2．山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東 泰安 271019；3.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

厚煤層發(fā)生分岔現(xiàn)象較為普遍，上下分層間夾矸層厚度通常變化較大。當(dāng)夾矸層厚度較小時(shí)，受上部煤層采動(dòng)影響，夾矸層與下部煤層將會(huì)發(fā)生不同程度破壞，給下部回采巷道支護(hù)帶來較大困難。以某礦9采區(qū)為工程背景，通過現(xiàn)場實(shí)測與采用理論分析，建立了巷道薄夾矸頂板剛化理論，分析了夾矸頂板剛化可行性和剛化后巖層的穩(wěn)定性，形成了采空區(qū)薄夾矸下回采巷道的頂板夾矸穩(wěn)定性分類分案。將巷道頂板分為夾矸層厚大于5 m、3～5 m和小于3 m三類，提出了三類薄夾矸回采巷道的支護(hù)方案。

煤層分岔；采空區(qū)；薄夾矸；頂板剛化

分岔是厚煤層賦存中一種較為常見的現(xiàn)象，分岔區(qū)內(nèi)上下煤層間夾矸厚度通常變化較大，當(dāng)夾矸厚度較小，下部煤層內(nèi)布置的回采巷道受上部煤層開采影響，其夾矸頂板巖層通常較為破碎，給巷道的掘進(jìn)與維護(hù)帶來了較大困難。部分學(xué)者針對(duì)近距離采空區(qū)下回采巷道變形機(jī)理[1]、礦壓顯現(xiàn)特征[2-4]、巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)受載特征[5-6]、下層煤采場頂板結(jié)構(gòu)及其控制[7-9]等進(jìn)行了較為深入的研究，這些研究成果，極大地豐富了近距離煤層群與厚煤層分岔區(qū)下部煤層開采的理論與實(shí)踐，但是對(duì)層間距或夾矸層厚度小于7 m條件下，下層煤回采巷道頂板巖層的細(xì)化分類與對(duì)應(yīng)的支護(hù)技術(shù)，尚未開展針對(duì)性的研究與分析。

1 工程背景

兗州礦區(qū)主采3煤層在南屯煤礦、鮑店煤礦等多個(gè)礦井出現(xiàn)分岔區(qū)域，煤層被分為3上及3下煤層，層間夾矸厚度在1～13 m，主要為泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖，裂隙發(fā)育。3下煤層回采巷道頂板為分岔區(qū)夾矸，由于夾矸層已經(jīng)承受了3上煤層采動(dòng)的影響，夾矸整體穩(wěn)定性差，巷道的掘進(jìn)及支護(hù)均存在較大困難。以南屯煤礦9采區(qū)為工程地質(zhì)背景，對(duì)3煤層分岔區(qū)夾矸下回采巷道頂板分類及支護(hù)技術(shù)開展相關(guān)研究。

南屯煤礦9采區(qū)位于礦井-350 m開采水平，3下煤層平均厚度3.51 m；煤層傾角3～10°，平均6°；煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單；煤層普氏硬度為f=2～3；CH4相對(duì)涌出量0.01 m3/t，CH4絕對(duì)涌出量0.05 m3/min，CO2相對(duì)涌出量0.22 m3/t，CO2絕對(duì)涌出量0.06 m3/min；煤層自然發(fā)火期3～6個(gè)月；煤塵爆炸指數(shù)44.62%。

2 夾矸組分、微觀結(jié)構(gòu)及采動(dòng)破壞特征

2.1 夾矸層組分與微觀結(jié)構(gòu)特征

3下煤層頂板(即3煤層分岔區(qū)夾矸)的礦物成分組成及其相對(duì)含量為決定巖層物理力學(xué)特性的重要因素。在93下12工作面運(yùn)輸平巷內(nèi)對(duì)3下煤層頂板采樣，利用D/Max-3B型X射線衍射儀對(duì)巖樣成分進(jìn)行物相分析，獲取巖樣的基本物理成分及其組成，見表1。3下煤層頂板薄夾矸內(nèi)含有大量的高嶺石和伊利石顆粒，易使礦物在宏觀上產(chǎn)生膨脹，因而對(duì)巷道開挖后的支護(hù)體系提出了較高的要求。

表1 夾矸層衍射礦物定性分析結(jié)果

巖樣微觀結(jié)構(gòu)電子顯微鏡掃描結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，3下煤層薄夾矸頂板巖層裂隙發(fā)育，縱橫貫通，圍巖顆粒呈塊裂狀等不連續(xù)狀態(tài)。圍巖顆粒中含有大量微孔隙和微裂隙(試驗(yàn)樣品中最大孔隙尺寸為10 μm×20 μm)，當(dāng)圍巖遇水時(shí)，水分在毛細(xì)作用下經(jīng)過這些微小空隙通道被吸入巖體，給巖體的毛細(xì)膨脹提供了條件。與此同時(shí)，微孔隙和微裂隙也為巖體的裂隙膨脹創(chuàng)造了條件。

圖1 夾矸巖樣掃描電鏡分析

2.2 3上煤層開采對(duì)夾矸的破壞及采空區(qū)矸石再生頂板狀況

為了解3上煤層開采后對(duì)底板夾矸巖層的破壞情況及采空區(qū)內(nèi)頂板巖層的膠結(jié)情況，采用鉆孔成像儀觀測鉆孔內(nèi)孔壁的裂隙發(fā)育程度以及采空區(qū)頂板的膠結(jié)情況，頂板鉆孔攝像地點(diǎn)選擇在93下12工作面回采巷道夾矸厚度約6 m、4 m和3 m處，鉆孔攝像結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同夾矸厚度鉆孔攝像圖

圖2(a)中，鉆孔深度小于1 m時(shí)巖層損傷破碎較為嚴(yán)重，該范圍臨近3下煤層巷道表面，受3下巷道掘巷作用及3上煤層開采支承壓力影響發(fā)生破壞；鉆孔深度為1～4.5 m時(shí)鉆孔孔形完好，沒有節(jié)理和裂隙出現(xiàn)，說明巖層未遭受嚴(yán)重破壞；鉆孔深度大于4.5 m時(shí)，鉆孔孔壁出現(xiàn)傾斜節(jié)理。根據(jù)該處6 m的夾矸厚度，可以推測3上煤開采造成的底板影響深度約為1.5 m。

圖2(b)中，受3下煤層掘巷及3上支承壓力影響，巷道頂板上方1.1 m厚度的頂煤及孔深1.2～1.8 m的煤層頂板段損傷破碎較為嚴(yán)重，裂隙較發(fā)育?？咨?.0～3.4 m區(qū)域沒有節(jié)理和裂隙出現(xiàn)，孔形完好，巖層未遭受嚴(yán)重破壞；孔深3.6～4.2 m時(shí)鉆孔孔壁出現(xiàn)傾斜節(jié)理；孔深大于4.4 m時(shí)進(jìn)入上覆采空區(qū)浮煤，破碎且鉆孔內(nèi)殘留水較多，說明采空區(qū)內(nèi)未膠結(jié)形成新的頂板。推測夾矸厚度4 m區(qū)域3上煤開采底板破壞深度約為1.4 m，顯著影響深度在0.8 m。

圖2(c)中，巷道頂板上方賦存1.0 m左右厚度的頂煤，孔深小于2.0 m區(qū)域裂隙比較發(fā)育，孔深小于2.8 m區(qū)域孔形完好，無節(jié)理和裂隙出現(xiàn)，巖層未受嚴(yán)重破壞；孔深大于2.8 m時(shí)，鉆孔裂隙發(fā)育、破壞嚴(yán)重；孔深大于3.4 m時(shí)，鉆孔內(nèi)壁破碎且鉆孔內(nèi)殘留水較多，進(jìn)入上覆采空區(qū)。推測夾矸厚度2 m區(qū)域，3上煤層開采造成的底板破壞深度約為0.8 m。

綜上所述，巷道頂板如有1 m左右頂煤，頂煤中裂隙很發(fā)育，是巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)必須支護(hù)的載荷體。受掘巷時(shí)圍巖支承壓力作用影響，頂煤上方1 m左右的巖層裂隙較為發(fā)育，損傷嚴(yán)重，不能作為巷道頂板的承載結(jié)構(gòu)。

3 不同夾矸厚度巷道頂板穩(wěn)定性分析

3.1 不同夾矸厚度巷道頂板載荷與受力分析

3.1.1 3下煤層回采巷道夾矸頂板承受載荷分析

3上煤層開采之后，采空區(qū)內(nèi)充填了大量垮冒矸石，松散堆積不膠結(jié)，除相互擠壓外，沒有其它力學(xué)聯(lián)系。3下煤層內(nèi)掘進(jìn)回采巷道后，層間夾矸發(fā)生沉降變形時(shí)，矸石堆積層同步下沉，本身不會(huì)形成自穩(wěn)力學(xué)結(jié)構(gòu)，也不傳遞上覆裂隙帶巖層產(chǎn)生的載荷。矸石堆積層和夾矸本身自重可被視為3下煤層回采巷道頂板夾矸承受荷載，不同夾矸厚度頂板頂板承受載荷見表2。

3.1.2 3下煤層回采巷道夾矸頂板最大剪應(yīng)力

上述承受載荷將在3下煤層回采巷道頂板肩窩處產(chǎn)生最大剪切力(表2)，當(dāng)夾矸厚度小于3 m時(shí)，夾矸層厚度變化對(duì)最大剪應(yīng)力的影響較大；當(dāng)夾矸厚度大于3 m時(shí)，厚度的變化最大剪應(yīng)力的影響較逐漸變?。?上、3下夾矸為泥質(zhì)粉砂巖或泥巖，抗剪強(qiáng)度較低，但一般大于6.8 MPa，在夾矸完整穩(wěn)定、未受損傷的情況下，夾矸厚度為3 m時(shí)的最大剪應(yīng)力為0.367 MPa。

3.1.3 3下煤層回采巷道夾矸頂板承受最大彎矩

3上、3下層間夾矸所承受載荷在3下煤層巷道頂板產(chǎn)生彎矩和拉應(yīng)力[10](表2)。3上、3下夾矸為泥質(zhì)粉砂巖或泥巖，抗拉強(qiáng)度較低，但一般大于3 MPa，在夾矸完整穩(wěn)定、未受損傷的情況下，能承受載荷引起的彎曲拉應(yīng)力。但厚度小于1.5 m時(shí)夾矸將不能承受上部載荷彎曲拉應(yīng)力。對(duì)于受3上煤層開采產(chǎn)生損傷的夾矸來說，采動(dòng)裂隙的影響應(yīng)引足夠的重視，考慮到一定的安全系數(shù)，可將厚度大于3 m的夾矸層視為有承載能力的夾矸梁，而小于3 m的夾矸層視為需要進(jìn)行底部承托的夾矸梁。

表2 不同厚度夾矸承受載荷計(jì)算

3.2 巷道支護(hù)原則

3下煤層回采巷道沿分岔區(qū)夾矸層掘進(jìn)，夾矸便成為3下煤層巷道的梁(板)結(jié)構(gòu)，承托采空區(qū)矸石所施加載荷。自然狀態(tài)下巖梁承載能力受多種因素影響，在受到不同程度損傷后剛性降低，柔性增大，降低了抗彎曲能力，若夾矸層中再存在層理等弱面將夾矸分層，則會(huì)進(jìn)一步降低巖梁剛度，影響巖梁承載能力。在3上工作面采動(dòng)支承壓力的影響下，3下煤層巷道頂板便成為柔化的巖梁，受3上采空區(qū)矸石和巖梁自重影響，若巖梁撓度過大，將使巖梁下部拉應(yīng)力超限，致使巖梁分層、開裂，最終垮落。為了防止這種破壞形式的發(fā)生，降低巖梁底部巖層的拉應(yīng)力，需使用錨桿、錨索等使巖梁剛化。

由上述分析及表2計(jì)算結(jié)果，對(duì)于3下回采巷道夾矸頂板來說，厚度小于3 m時(shí)，巷道頂板的載荷、最大剪應(yīng)力和最大彎矩隨厚度的變大迅速減??；當(dāng)厚度大于3 m時(shí)，這種變化趨勢變得比較平緩。當(dāng)夾矸厚度大于3 m時(shí)，夾矸剛化加固的可能性比較大，成本也較低，剛化加固后可以作為3上采空區(qū)矸石的承載結(jié)構(gòu)，并具有一定的穩(wěn)定性和可靠性，如果能夠配合桁架錨索支護(hù)，可靠程度更高。相反，當(dāng)夾矸厚度小于3 m時(shí)，夾矸剛化加固的可能性比較小，且剛化成本較高。為此，將夾矸厚度3 m和5 m作為3下煤層回采巷道頂板夾矸剛化承載分類依據(jù)，當(dāng)夾矸厚度大于5 m時(shí)，夾矸穩(wěn)定，可以使用錨索進(jìn)一步加固，當(dāng)夾矸厚度為3～5 m時(shí)，夾矸弱穩(wěn)定，可以留一定厚度的頂煤或者使用桁架錨索對(duì)夾矸頂板加以保護(hù)，當(dāng)夾矸厚度小于3 m時(shí)，夾矸不穩(wěn)定，需要巷道布設(shè)支架進(jìn)行托頂支護(hù)。

4 變厚度夾矸下回采巷道支護(hù)方案

4.1 支護(hù)方案

針對(duì)現(xiàn)場工程實(shí)際，在進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)前述頂板穩(wěn)定性分類方案，對(duì)夾矸厚度1～3 m、4～5 m、大于5 m時(shí)，分別應(yīng)用不同的支護(hù)方案。

1)夾矸厚度小于3 m時(shí)為不穩(wěn)定頂板，采用錨棚或無腿棚支護(hù)。當(dāng)回采巷道位于夾矸厚度小于3 m地段時(shí)，夾矸厚度小，受3上煤層采動(dòng)影響強(qiáng)烈，頂板夾矸比較破碎。錨桿錨固段已深入到夾矸上部的破碎帶甚至3上煤層采空區(qū)矸石松散層，無法維持錨桿的正常錨固作用，更無法打設(shè)錨索，在這種情況下只能采用架棚支護(hù)來維護(hù)巷道頂板夾矸穩(wěn)定性，支護(hù)形式及參數(shù)如圖3所示。

2)夾矸厚度3～5 m為弱穩(wěn)定頂板，可錨網(wǎng)剛化或錨索桁架支護(hù)。當(dāng)夾矸為厚度3～5 m時(shí)，3下煤層回采巷道應(yīng)布置于三上煤層采空區(qū)，巷道上部為采空區(qū)冒落矸石，3上煤層工作面回采對(duì)夾矸的破壞厚度在1.5 m左右，其下2.5 m粉砂巖的整體性雖然受到了一定削弱，但裂隙發(fā)育不明顯，整體性較好。選擇合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，工程質(zhì)量能夠得以保證，形成承壓良好、性能可靠的組合梁或者擠壓拱結(jié)構(gòu)，支護(hù)方案及參數(shù)如圖4所示。

3)夾矸厚度5 m以上為穩(wěn)定頂板，錨桿-錨索耦合支護(hù)。夾矸厚度大于5 m，超過錨桿的錨固范圍，粉砂巖夾矸層整體性較強(qiáng)，與煤層相比強(qiáng)度高，穩(wěn)定性較好，可利用錨桿-錨索支護(hù)(夾矸厚度小的地方可以施工4.5 m短錨索)的預(yù)緊力形成范圍大、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的組合梁和擠壓拱，支護(hù)方案及參數(shù)如圖5所示。

在上述各支護(hù)方案中，錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，頂錨桿錨固力不低于50 kN，幫錨桿錨固力不低于100 kN；頂部和幫部均選用7芯鋼絞線錨索，錨固力不小于300 kN。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

上述支護(hù)方案在南屯煤礦93下12運(yùn)輸巷(實(shí)體煤巷道)和93下12軌道巷(沿空巷道)進(jìn)行了應(yīng)用，巷道掘進(jìn)及回采期間巷道最大變形量如表3所示。

圖3 夾矸厚度小于3 m區(qū)域回采巷道支護(hù)方案及參數(shù)(單位：mm)

表3 不同夾矸厚度及支護(hù)方案巷道最大變形量(單位：mm)

圖4 夾矸厚度為3～5 m區(qū)域回采巷道支護(hù)方案及參數(shù)(單位：mm)

圖5 夾矸厚度大于5 m區(qū)域回采巷道支護(hù)方案及參數(shù)(單位：mm)

由表3可知，巷道圍巖變形量隨著頂板夾矸層厚度減小而增大，但是上述巷道并未發(fā)生不可控的大變形與破壞，確保了工作面的正常生產(chǎn)，上述支護(hù)方案科學(xué)有效。

5 結(jié) 論

1)通過室內(nèi)與現(xiàn)場測試、理論分析等，形成了兗州礦區(qū)3上煤層和3下煤層間夾矸穩(wěn)定性分類與支護(hù)技術(shù)分案。

2)兗州礦區(qū)地質(zhì)條件下，依據(jù)夾矸頂板抗屈曲能力、剛化可行性和錨索的使用條件，按照夾矸厚度，可將分岔區(qū)下部回采巷道劃分為夾矸層厚大于5 m的穩(wěn)定頂板、夾矸層厚3～5 m的較穩(wěn)定頂板和夾矸層厚小于3 m的不穩(wěn)定頂板三類。

3)厚度3 m以下薄夾矸下回采巷道宜采用采用錨棚或無腿棚支護(hù)，厚度3～5 m夾矸下回采巷道宜采用錨網(wǎng)剛化或錨索桁架支護(hù)，厚度大于5 m夾矸下回采巷道宜采用錨桿-錨索耦合支護(hù)。

[1] 于洋，神文龍，高杰．極近距離煤層下位巷道變形機(jī)理及控制[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33(1)：49-55．

[2] 王孝義，宋選民，陳春慧．極近距煤層礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的間距影響規(guī)律研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33(1)：116-121．

[3] 楊科，孔祥勇，陸偉，等．近距離采空區(qū)下大傾角厚煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34(S2)：4278-4285．

[4] 解興智．淺埋煤層房柱式采空區(qū)下長壁開采礦壓顯現(xiàn)特征[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(6)：898-902．

[5] 姚寶珠．采空區(qū)下回采巷道圍巖破壞機(jī)理與控制技術(shù)[D]．北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2014．

[6] 方勇，姚志剛，符亞鵬，等．上覆水平煤層采空區(qū)襯砌受荷模型試驗(yàn)研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38(8)：1513-1521．

[7] 朱濤，張百勝，馮國瑞，等．極近距離煤層下層煤采場頂板結(jié)構(gòu)與控制[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(2)：190-193．

[8] 劉長友，楊敬軒，于斌，等．多采空區(qū)下堅(jiān)硬厚層破斷頂板群結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)規(guī)律[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(3)：395-403．

[9] 鄭仰發(fā)，張劍，林健，等．極近距離煤層變厚度頂板下部回采巷道綜合控制技術(shù)[J]．中國礦業(yè)，2016，25(11)：107-111．

[10] 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，2003．

Support technology of mining-roadway under variable thickness band in thick coal seam bifurcation area

WU Shaomin1，QIN Guangpeng2，ZHANG Mingguang3，DAI Jin2

(1．Qinhua Colliery，Shandong Energy Xinwen Mining Group Co.，Ltd.，Kuerle 841000，China；2．Department of Resource and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Taian 271019，China；3.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Sciences and Technology，Qingdao 266590，China)

Bifurcation often occurs in thick coal seams，the thickness of the band between the upper and lower layers usually varies greatly.When the band thickness is small，the band and the lower coal seam are affected by the mining of the upper coal seam and will be damaged，which brings great difficulties to the support of the lower mining roadway.Taking the No.9 mining area of one coal mine as engineering background，with site measurement and theory analysis，rigidification theory of roof slab with thin band was established.The feasibility of rigidification and the stability of strata after rigidity were analyzed，and the classification of the stability of the top-bed refuse in the mining roadway with thin section of goaf under goaf was formed.Three types of roadway roof were divided into three categories：band layer thickness greater than 5 m，3～5 m and less than 3 m，and three types of support schemes were proposed.

coal seam bifurcation；goaf；thin band；roof stiffening

2017-01-17 責(zé)任編輯：趙奎濤

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51504145；51574155)；山東科技大學(xué)人才引進(jìn)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：2014RCJJ035)

吳紹民(1968-)，男，山東泰安人，工程師，從事礦山壓力與頂板管理、采煤方法與采煤工藝等方面的技術(shù)與管理工作。

秦廣鵬(1980-)，男，博士，講師，黑龍江嫩江人，從事礦山壓力與巖層控制、礦山工程力學(xué)方面的研究，E-mail：friendqgp@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)06-0102-05