侏羅系含煤地層“三軟”巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐玉學(xué)

(中國(guó)大唐集團(tuán)煤業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100052)

侏羅系含煤地層“三軟”巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐玉學(xué)

(中國(guó)大唐集團(tuán)煤業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100052)

隨著煤炭資源開(kāi)采深度的增加以及賦存條件的復(fù)雜化，煤礦開(kāi)采難度越來(lái)越大，其中尤以侏羅系“三軟”煤層的開(kāi)采難度愈加顯著，直接影響到煤礦的正常安全生產(chǎn)。沙井子煤田劉園子煤礦通過(guò)嘗試對(duì)侏羅系三軟含煤地層不同的支護(hù)方式并加以分析和優(yōu)化，總結(jié)出了“錨網(wǎng)索+36U型鋼棚+澆筑混凝土+壁后注漿”為主的聯(lián)合支護(hù)方式，取得了良好的效果，為隴東地區(qū)同類(lèi)型地質(zhì)條件的礦井巷道支護(hù)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

侏羅系；軟巖；巷道；支護(hù)方案

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

劉園子煤礦位于甘肅省慶陽(yáng)市環(huán)縣沙井子礦區(qū)，設(shè)計(jì)能力0.9Mt/a,核定產(chǎn)量0.756Mt/a，該礦采用立井開(kāi)拓方式，礦井投產(chǎn)時(shí)在工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)共布置3條井筒，即主立井、副立井和回風(fēng)立井。井筒開(kāi)鑿至+1100m水平后，在該水平布置井底車(chē)場(chǎng)，通過(guò)3條石門(mén)與各煤層相連。該礦井含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，煤層巷道頂幫和底板巖石堅(jiān)固性系數(shù)都在1.0左右，泥巖頂?shù)装鍘r石成分中含有大量的蒙脫石、高嶺石，遇水膨脹性泥化性很強(qiáng)。井下巷道處于“三軟”煤層和軟弱巖層中，為典型的軟巖礦井，煤體強(qiáng)度小，平均強(qiáng)度11.4MPa。5-1煤層為該礦主采煤層，煤層平均厚度6.98m，煤層上部15m范圍內(nèi)為砂質(zhì)泥巖，平均強(qiáng)度29.73MPa，5m以上深度范圍內(nèi)為砂巖，巖層強(qiáng)度較高，平均達(dá)到了40.68MPa。底板以泥巖為主，平均強(qiáng)度10.31MPa左右，而且具有強(qiáng)烈的遇水膨脹弱化特性，巷道整體圍巖穩(wěn)定性程度很低。該礦頂?shù)装寰鶠楹畬?，出水點(diǎn)較多，且不易疏排，為軟巖支護(hù)帶來(lái)了很大的困擾。

1.2 巷道變形特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)設(shè)點(diǎn)日常觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出了該礦區(qū)特定地質(zhì)下，軟巖巷道彈性變形量、碎脹變形量、遇水膨脹變形量及蠕變變形量，具有該礦區(qū)軟巖巷道變形較強(qiáng)代表性。將各因素引起的變形量及總變形量匯總?cè)绫?所示。

表1 軟巖巷道圍巖變形量匯總

由表1可知，劉園子煤礦井下巷道圍巖變形主要有以下特點(diǎn)：

(1)以蠕變變形為主 巷道支護(hù)完成后，四周?chē)鷰r會(huì)產(chǎn)生緩慢的蠕變變形，變形量較大，壓力高。

(2)遇水膨脹 劉園子煤礦“三軟”煤層的另一大特點(diǎn)是圍巖遇水后膨脹率高，從表1可知，煤及泥巖的遇水膨脹率分別占總變形率的25.3%和30.9%。

(3)泥巖變形量大于煤層變形量 劉園子煤礦井下泥巖變形量是煤層變形量的1.36倍，在相同情況下煤層較泥巖更容易支護(hù)。

(4)來(lái)壓迅速 劉園子煤礦井下巷道在遇到出水、破碎裂隙帶時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，且來(lái)壓迅速，變形量大。

(5)頂?shù)讐捍笥趥?cè)壓 通過(guò)對(duì)于巷道支護(hù)方式的研究和變形量檢測(cè)，劉園子煤礦“三軟”巷道頂?shù)装鍓毫σ笥谙锏纼蓚?cè)壓力，主要表現(xiàn)在頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭妥冃瘟俊?/p>

2 劉園子煤礦原主要巷道支護(hù)形式

劉園子煤礦井底車(chē)場(chǎng)主要位于侏羅紀(jì)砂巖、細(xì)砂巖中，井底車(chē)場(chǎng)開(kāi)拓巷道主要采用錨網(wǎng)索+噴漿支護(hù)方式，錨桿一般采用φ20×2200mm全螺紋等強(qiáng)錨桿，噴漿厚度100～200mm，強(qiáng)度C20，支護(hù)后變形量較小，能夠滿足巷道使用要求，巷道支護(hù)形式見(jiàn)圖1。

圖1 錨網(wǎng)索+噴漿支護(hù)方式

當(dāng)巷道經(jīng)過(guò)LF4斷層后原主要開(kāi)拓、準(zhǔn)備巷道所處地質(zhì)年代由三疊紀(jì)進(jìn)入侏羅紀(jì)，巷道所處圍巖性質(zhì)由沙巖變?yōu)槟嗌硯r、泥巖，原支護(hù)方式巷道在掘進(jìn)后均在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的底鼓和兩幫變形，并隨時(shí)間推移不斷發(fā)生后續(xù)蠕變變形，最終導(dǎo)致巷道無(wú)法使用。

后經(jīng)研究將主要開(kāi)拓和準(zhǔn)備巷道支護(hù)方式變更為36U型半圓拱鋼支架+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，棚間距根據(jù)巷道用途控制在600～900mm之間，錨桿一般采用φ20×2200mm或φ22×2800mm的全螺紋等強(qiáng)錨桿，巷道混凝土噴層厚100～200mm，局部地段施工36U型鋼或11號(hào)工字鋼反底拱，拱高800mm左右，并澆筑C30混凝土，巷道支護(hù)形式見(jiàn)圖2。軟巖巷道在采用該種支護(hù)方式后，巷道支護(hù)強(qiáng)度得到一定程度的提升，能夠在初始階段給予巷道一定的穩(wěn)定支護(hù)期，但隨著巷道蠕變變化，巷道兩幫棚腿受底板及兩幫壓力共同作用向內(nèi)彎曲，最終在巷道底板處合攏，趨向于形成圓形巷道輪廓。

圖2 錨網(wǎng)索+噴漿支護(hù)方式

根據(jù)分析劉園子煤礦原巷道支護(hù)存在的主要問(wèn)題有：

(1)“錨網(wǎng)索+噴漿”支護(hù) 在井下強(qiáng)膨脹以及遇水弱化嚴(yán)重的區(qū)域錨噴支護(hù)不能全部解決巷道變形問(wèn)題，另外由于錨網(wǎng)支護(hù)可縮性較低，不能適用于軟巖巷道的大變形量要求，導(dǎo)致巷道變形迅速，不能滿足井下巷道使用。

(2)“36U型半圓拱鋼支架+錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù) 半圓拱鋼支架在兩幫及底腳處支護(hù)強(qiáng)度較低，不能有效控制底部巷道變形，一旦巷道產(chǎn)生變形，鋼支架及其附件均破壞嚴(yán)重不可復(fù)用，造成一次性投入較高；可縮性鋼支架搭接處U型卡預(yù)緊力與整個(gè)金屬棚支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系不好掌握，預(yù)緊力過(guò)高導(dǎo)致金屬棚在未變形讓壓的情況下?lián)p壞，預(yù)緊力過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致金屬棚過(guò)早變形，未起到支護(hù)作用；一旦巷道發(fā)生嚴(yán)重變形，對(duì)后期的巷道修復(fù)帶來(lái)很大的困難。

根據(jù)劉園子煤礦井下觀測(cè)結(jié)果，井下巷道采用該支護(hù)方式后每月累計(jì)底鼓量300～600mm；此外，巷道兩幫棚腿內(nèi)擠嚴(yán)重，內(nèi)擠量達(dá)850mm。

3 優(yōu)化后支護(hù)方式

根據(jù)“三軟”地層地質(zhì)特點(diǎn)，考慮到原承載結(jié)構(gòu)存在整體支護(hù)強(qiáng)度不足、支護(hù)體系整體性較差、巷道出水點(diǎn)較多且治理困難等情況，提出了圍巖內(nèi)-外復(fù)合承載結(jié)構(gòu)支護(hù)技術(shù)，即采用“錨網(wǎng)+36U型鋼棚+澆筑混凝土+壁后注漿”的聯(lián)合支護(hù)方式，參見(jiàn)圖3，該支護(hù)方式支護(hù)參數(shù)如下：

(1)錨桿采用φ20×2200mm左旋細(xì)絲扣等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度2200mm,外露3050mm；樹(shù)脂錨固劑藥卷采用Z2335型3節(jié)，錨固力不得低于60kN；托盤(pán)采用Q235鋼，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，金屬網(wǎng)采用φ6mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)格規(guī)格80mm×80mm,網(wǎng)片規(guī)格為長(zhǎng)3000mm×寬1000mm，錨桿間排距900mm×900mm，全斷面布置13根錨桿。

(2)架設(shè)36U型鋼棚。36U型鋼加工成內(nèi)徑直徑為3800mm圓形鋼棚，每節(jié)鋼棚搭接500mm，每處搭接4道U型卡纜，相鄰棚之間使用拉桿進(jìn)行固定連接，每節(jié)鋼棚布置2道拉桿。

(3)棚后掛網(wǎng)噴注混凝土。棚后掛一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)后鋪設(shè)隔水舊風(fēng)筒布，鋼筋網(wǎng)與錨網(wǎng)鋼筋網(wǎng)之間噴射混凝土進(jìn)行澆筑。兩層鋼筋網(wǎng)之間最小間距不小于300mm，混凝土振搗密實(shí)，噴射混凝土強(qiáng)度C20。

(4)壁后注漿。巷道掘進(jìn)支護(hù)穩(wěn)定后，巷道頂幫打注漿錨桿，注漿錨桿間排距為1100mm×1200mm，注漿錨桿采用φ32×2200mm，注漿用單液水泥漿為主，采用P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水灰比1∶0.6，注漿壓力水5MPa。

該種支護(hù)方式作用機(jī)理分析如下：采用錨網(wǎng)支護(hù)控制掘進(jìn)后圍巖的快速變形并大幅強(qiáng)化其圍巖力學(xué)性質(zhì)；采用澆筑混凝土作為壁后充填材料及時(shí)封閉圍巖，防止遇水弱化，提高U型鋼與圍巖的接觸密實(shí)度，使得U型鋼受力均勻；采用36U型鋼作為二次支護(hù)，控制圍巖的長(zhǎng)期流變；通過(guò)壁后注漿充填圍巖裂隙，使其恢復(fù)完整性，并強(qiáng)化錨桿支護(hù)作用。通過(guò)劉園子煤礦3年來(lái)的觀測(cè)，采用“圓棚+錨注”聯(lián)合支護(hù)后的巷道移近量減小74.5%左右，底鼓量減小70%左右，頂板幾乎未發(fā)生離層，有效控制了軟巖巷道變形。優(yōu)化后的支護(hù)方案見(jiàn)圖3。

圖3 巷道優(yōu)化后支護(hù)方案

4 支護(hù)效果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，優(yōu)化后，巷道變形量大幅度減少，滿足凈斷面的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于不受特殊情況影響的巷道，圍巖變形量最大的部位是底板，底鼓量最大為84mm左右，大大小于原支護(hù)變形量，且底板在新支護(hù)方案實(shí)施后30d內(nèi)趨于穩(wěn)定，底鼓量基本不再增加，頂部和兩幫變形量相對(duì)較小，控制在60mm以?xún)?nèi)，穩(wěn)定時(shí)間也快于底板，頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻闆r見(jiàn)圖4。說(shuō)明該種支護(hù)結(jié)構(gòu)在正常軟巖情況下能夠顯著控制巷道變形，提高圍巖穩(wěn)定性。

圖4 測(cè)站一圍巖表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 “三軟”煤層支護(hù)理念總結(jié)

(1)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告科學(xué)布置巷道。在規(guī)劃初期認(rèn)真勘察，熟悉巖層特性，優(yōu)選巷道方位，盡可能避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)。

(2)合理設(shè)計(jì)巷道斷面。根據(jù)巷道圍壓大小合理選擇巷道斷面類(lèi)型，并在滿足巷道使用情況下合理設(shè)計(jì)巷道斷面大小。

(3)適度提升巷道圍巖強(qiáng)度。錨桿和注漿兩種方法都能有效生成巖層加固的承載范圍，最大程度上依靠巖層的自承力，阻止巖層的流動(dòng)性。

(4)對(duì)于出水和易風(fēng)化巷道要及時(shí)進(jìn)行密閉處理。巖層外表完好度好壞直接影響支護(hù)效果，必須保證有效提升巖層外表完整度?？茖W(xué)施工完善巖層表面強(qiáng)度(如噴漿法、設(shè)網(wǎng)法等)，優(yōu)化巖層受力狀況，加大巷道巖層強(qiáng)度，保證巷道安全穩(wěn)定。

(5)確定最佳支護(hù)時(shí)間。軟巖巷道支護(hù)要尋找最佳支護(hù)時(shí)間，處于該時(shí)間點(diǎn)時(shí)以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力和圍巖自承力之和達(dá)到最大值，相應(yīng)的工程支護(hù)力最小。

(6)使用剛?cè)嵯噍o的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)。最大程度加大巷道巖層的自承受力。對(duì)于高應(yīng)力區(qū)圍巖，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男秹?。?duì)變形大的圍巖區(qū)域，預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔?。?duì)于軟弱區(qū)域，需對(duì)圍巖整體加固。

6 結(jié)束語(yǔ)

軟巖巷道的支護(hù)難度大，不穩(wěn)定因素多，目前并沒(méi)有通用的支護(hù)方式，因此在選擇支護(hù)方式時(shí)要結(jié)合工程實(shí)際不斷優(yōu)化研究和實(shí)踐。采用圍巖內(nèi)-外復(fù)合承載結(jié)構(gòu)支護(hù)技術(shù)，前期適當(dāng)讓壓后采用“錨網(wǎng)索+36U型鋼棚+澆筑混凝土+壁后注漿”的聯(lián)合支護(hù)方式，對(duì)于膨脹性軟弱圍巖和綜合性軟弱圍巖能夠起到明顯的支護(hù)效果，但是其消耗的資源大，巷道掘進(jìn)前期投資高，員工工作強(qiáng)度大，不適用于回采巷道的使用。而“錨網(wǎng)索+注漿”聯(lián)合支護(hù)是未來(lái)軟巖巷道支護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)槠渚邆涓邚?qiáng)度、伸縮性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于支護(hù)情況惡劣的軟巖巷道采取高強(qiáng)度以及高預(yù)緊力的錨桿支護(hù)，而錨噴支護(hù)將錨桿支護(hù)和混凝土灌澆相結(jié)合，取兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，能夠很好地適用于高應(yīng)力軟弱圍巖和破碎性軟弱圍巖，并且可以在回采巷道中進(jìn)行推廣。同時(shí)要注意以下3個(gè)問(wèn)題：一是對(duì)于回采巷道盡量做到“快掘快采”，盡可能地降低巷道服務(wù)年限，從而選擇適合的支護(hù)強(qiáng)度，降低造價(jià)；二是加強(qiáng)施工質(zhì)量意識(shí)，軟巖巷道支護(hù)復(fù)雜程度要遠(yuǎn)大于普通巷道，確保施工質(zhì)量；三是控制好軟巖巷道出水點(diǎn)，盡可能避免由于出水造成巷道底板泥化而膨脹。

[1]孟慶彬，孔令輝，魏烈昌，等.煤礦軟巖巷道工程支護(hù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].煤，2011(1)：1-6.

[2]左 超.淺析深部軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2015(21)：126-127.

[3]陳 鵠，李鴻飛.軟巖巷道支護(hù)原理及應(yīng)用[J].有色金屬文摘，2015(3)：109-110.

[4]李利峰.特軟煤巷錨固支護(hù)技術(shù)研究[D].鄭州：河南理工大學(xué)，2010.

[5]李 凝，楊玉華.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)調(diào)研[J].煤炭工程，2003(8)：43-46.

[6]易恭猷，王連國(guó)，李明遠(yuǎn).軟巖支護(hù)現(xiàn)狀分析及對(duì)策[J].中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子雜志出版社，2001(1)：5-9.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Roadway Supporting Design Optimization with‘Three Soft’in Coal Bearing Stratum of Jurassic

XU Yu-xue

(China Datang Group Coal Industry Co.，Ltd.，Beijing 100052，China)

Coal mining difficulty was larger and larger with coal resource mining depth increasing and complicated storage condition，and the mining difficulty of ‘three soft’ coal seams of Jurassic was remarkable，and safety production of coal mine was influenced.Different supporting method of ‘three soft’ coal bearing stratum of Jurassic were tried and then optimized of Liuyuanzi coal mine in Shajinzi coal field，and combined supporting way was put forward as‘a(chǎn)nchor net and 36U shaped steel shed and concreting and backwall grouting’，favorable results were obtained，it references for roadway supporting with similar geological situation in Longdong region.

Jurassic；soft rock；roadway；supporting scheme

2017-04-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.012

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2014CB046302)

徐玉學(xué)(1968-)，男，山東曲阜人，高級(jí)工程師，工程管理碩士，從事煤礦開(kāi)采技術(shù)研究與管理工作。

徐玉學(xué).侏羅系含煤地層“三軟”巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(4)：44-46，60.

TD353

A

1006-6225(2017)04-0044-03