硬煤軟底特厚煤層巷道全錨索支護技術(shù)研究

黃 勇，崔娜娜

(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100)

潞新二礦于1989年開工建設(shè)，開拓方式一對反斜井開拓，設(shè)計生產(chǎn)能力為60萬t/a，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為148萬t/a，采煤方法為走向長壁采煤法，回采工藝為綜采放頂煤，以上下山分東西兩翼開采，初期開采+818水平以上，后期開采+700水平以上。以上山為界，東翼開采1200m，西翼1500m，傾斜長120～150m，目前開采最大深度為220m?，F(xiàn)主采4#煤層，煤層平均厚度為7.2m。該礦原有大巷和準(zhǔn)備巷道均采用料石碹支護，回采巷道采用木棚支護或錨桿支護。由于砌碹支護勞動強度大、施工速度慢，影響礦井的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重制約礦井的產(chǎn)量[1-6]。目前，該礦在回采巷道采用錨桿(索)支護，但由于缺乏設(shè)計依據(jù)及施工經(jīng)驗，致使試驗巷道錨桿(索)支護參數(shù)的選取缺乏科學(xué)性、合理性，錨桿(索)支護巷道的施工質(zhì)量也存在問題[7-11]。因此，很有必要針對潞新二礦的困難巷道條件，開展全面、系統(tǒng)的支護理論、設(shè)計方法、支護材料、施工工藝等成套技術(shù)研究與試驗，實現(xiàn)錨桿(索)支護技術(shù)新的突破，從根本上改變巷道支護狀況，實現(xiàn)高效、安全支護[12-15]。

1 礦井概況

1.1 巷道概況

潞新二礦W4203工作面運輸巷沿4#煤層頂板掘進，巷道總長1339.4m，主要用于W4203工作面運輸。巷道斷面呈矩形，掘進寬4.1m，高3.1m。掘進斷面積為12.71m2。北面與W4203工作面軌道巷相鄰，東面與運輸下山相接，西部與F2逆斷層相鄰，埋深約為336m。工作面布置如圖1所示。

圖1 巷道平面布置

1.2 煤層頂?shù)装寮八牡刭|(zhì)情況

潞新二礦W4203工作面主采4#煤層，平均厚度為7.2m，傾角5°～9°，整個工作面煤層在走向及傾向上總體起伏不大，賦存較穩(wěn)定，煤層存在煤質(zhì)特硬、煤層特厚、煤層底板特軟三個特點。4#煤上部及下部以半亮型煤為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，脆性強，中部以半暗型煤為主，富含絲炭質(zhì)，韌性較強；煤層偽頂為0.14m的炭質(zhì)泥巖、頁巖，灰黑色炭質(zhì)泥巖，隨采隨落局部區(qū)域缺失；直接頂為8.52m的細(xì)砂巖，局部中夾薄粗砂巖及煤線，鈣質(zhì)膠結(jié)；老頂為2.56m砂礫巖，礫巖、鈣質(zhì)膠結(jié)，局部中加薄層細(xì)砂巖；煤層直接底為4.95m的砂巖，粉砂巖，中細(xì)砂巖，局部區(qū)域為薄層礫巖；老底為3.34m的5#煤層，暗煤夾少量鏡煤條帶，硬度大，底板以泥巖、中細(xì)砂巖為主。煤巖綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 煤巖綜合柱狀圖

W4203工作面內(nèi)煤層總體為寬緩的單斜構(gòu)造，由東向西曾逐漸下坡趨勢，工作面內(nèi)無大中型構(gòu)造。但在開切眼區(qū)域，工作面運輸巷會進入F2逆斷層下盤的影響范圍內(nèi)，屆時煤層會較破碎，應(yīng)根據(jù)井下具體情況對支護設(shè)計進行調(diào)整，必要時采取加固措施。

W4203工作面運輸巷在掘進時水文地質(zhì)情況簡單，在掘進過程中，主要受4#煤層本身賦存的少量裂隙水及上覆老頂砂礫巖弱含水層的孔隙裂隙水影響，在掘進過程中有滯后涌水的現(xiàn)象，巷道頂幫會出現(xiàn)少量潮濕滲水，涌水量微弱，對掘進生產(chǎn)沒影響。在巷道掘進過程中，必須堅持“有疑必探 ，先探后掘”的原則，在巷道積水區(qū)應(yīng)加強排水，杜絕積水。

1.3 巷道原支護方式

潞新二礦W4203工作面運輸巷原支護設(shè)計參數(shù)：巷道頂板打設(shè)6根?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間距為750mm，排距為800mm，配合鋼筋托梁支護，錨固劑各為一支K2335和Z2360；錨索直徑為15.24mm，長度7300mm，錨索間排距為2000mm×1600mm，錨固劑為一支K2335和兩支Z2360。巷幫每側(cè)打設(shè)4根?20mm×2200mm的圓鋼錨桿，間距為800mm，排距為800mm，采用鋼筋托梁護幫，錨固劑為一支Z2360。W4203工作面運輸巷臨近斷層，應(yīng)力出現(xiàn)異常，圍巖松軟破碎，礦壓顯現(xiàn)強烈，掘進過程中出現(xiàn)炸頂現(xiàn)象，在已掘的普通錨桿支護段頂板下沉量大，大部分地段進行了架設(shè)工鋼棚、打設(shè)單體柱等補強支護，但仍不能控制強烈的變形。從巷道的支護情況來看，目前采用的錨桿支護技術(shù)已經(jīng)不能滿足潞新二礦巷道支護要求，巷道支護效果受到嚴(yán)重影響，頂板安全受到嚴(yán)重威脅。

2 煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測定

煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測定是進行巷道支護設(shè)計及施工的基礎(chǔ)工作，測定內(nèi)容主要包括：應(yīng)力參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)與強度參數(shù)。潞新二礦現(xiàn)場地應(yīng)力測試共布置了4個測站，各測站位置布置如圖3所示。其中，第一測站位于E4203工作面軌道巷，距軌道巷約910m；第二測站位于W4203工作面軌道巷車場處；第三測站位于軌道下山4橫川往下100m處；第四測站位于軌道下山盡頭。

圖3 地質(zhì)力學(xué)測試測站布置

2.1 地應(yīng)力測試結(jié)果

潞新二礦第一測站應(yīng)力場形式為σHV型，即σH>σV>σh；第二測站、第三測站和第四測站應(yīng)力場形式為σVH，即σV>σH>σh。在四個測站中，σH最大為7.38MPa，最小為5.47MPa；四個測站側(cè)壓系數(shù)σH/σV分別為1.19、0.97、0.79和0.67。在測試過程中，第三測站附近存在一斷層，由于受斷層裂隙和破碎帶的影響，應(yīng)力水平得到一定釋放，其最大水平應(yīng)力比第一測站和第二測站有一定量減小。四個測站最大水平主應(yīng)力方向分別為N31.1°W、N64.6°W、N70.4°E和N21.4°E。

潞新二礦除第一測站外，其余各測站垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力，側(cè)壓比最小為0.67，最大為1.66；最大主應(yīng)力都小于20MPa，礦井地應(yīng)力場整體上屬于中低應(yīng)力場；水平應(yīng)力基本上隨著埋深增加而增大；最大水平主應(yīng)力方向第一、第二測站為北偏西方向，第三、第四測站為北偏東方向。

2.2 煤巖體強度測試分析

2.2.1 頂板強度測試結(jié)果

潞新二礦共完成了四個測站的測量，根據(jù)測試統(tǒng)計，巷道頂板10m范圍內(nèi)煤巖體的測試結(jié)果如下：巷道上部10m范圍內(nèi)煤巖體主要為煤層、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和砂礫巖。從打鉆取芯來看，泥巖大多呈灰黑色和灰色，薄層狀，質(zhì)較純，平坦?fàn)顢嗫冢咚郊y理；炭質(zhì)泥巖呈灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，含炭質(zhì)；砂質(zhì)泥巖呈灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，含粉砂質(zhì)；砂巖呈灰色和灰白色，較堅硬，成分以石英為主，并含少量長石云母，泥質(zhì)填隙。

通過對潞新二礦頂板強度的測試，得出四個測站頂煤的平均抗壓強度為12.1MPa，泥巖的平均抗壓強度為13.15MPa，砂質(zhì)泥巖的平均抗壓強度為16.7MPa，粗粒砂巖的平均抗壓強度為44.7MPa，細(xì)砂巖的平均抗壓強度在62.3MPa，粉砂巖的平均抗壓強度在39.5MPa，砂礫巖的平均抗壓強度在44.75MPa。綜上，潞新二礦不同巖層抗壓強度差別較大，巷道頂板巖層整體抗壓強度不大。

2.2.2 巷道煤幫強度測試結(jié)果

對不同測站的巷道側(cè)幫進行了煤體強度測試，測試深度為10m。煤體強度測試結(jié)果如下：第一測站煤幫完整性相對較好，裂隙和破碎帶較少，煤體強度相對較大；第二測站巷道煤幫2m范圍內(nèi)煤體較為破碎，2m范圍之外煤體完整性良好，裂隙和破碎帶相對較少，煤體強度也相對較大；第三測站7m范圍內(nèi)煤體裂隙分布較多，破碎帶普遍存在，由于受到裂隙和破碎帶的影響，第三測站巷幫煤體強度相對較低；第四測站巷幫煤體完整性較好，裂隙和破碎帶較少，煤體強度較大。從四個測站總體來看，煤體強度在煤幫處較小，隨幫孔深度增加，強度有一定量增加，這是由于煤幫深處受掘進或采動影響較小，煤體相對比較完整。

2.3 煤巖體結(jié)構(gòu)觀察分析

潞新二礦采用KDVJ-400型礦用電子窺視儀在井下巷道中進行了鉆孔結(jié)構(gòu)觀察。

1)第一測站鉆孔窺視結(jié)果：頂板煤巖體在巷道頂板0.3m、3.8m及7.3m處存在環(huán)向裂隙且相對發(fā)育，在6.7m處存在一縱向裂隙，在頂板其他結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)煤層及巖層走向和傾向節(jié)理裂隙不發(fā)育，煤巖體結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)理裂隙分布不明顯。

2)第二測站鉆孔窺視結(jié)果：巷道頂煤破碎較為嚴(yán)重，在0.5m和1m處存在明顯的破碎帶，在頂板1.4m和4.1m處存在明顯的環(huán)向裂隙，在頂板6.2m處存在一明顯裂隙，巷道圍巖穩(wěn)定性相對較差。

3)第三測站鉆孔窺視結(jié)果：巷道頂板煤體在0.5m處存在一環(huán)向裂隙，在3m和4.9m位置處煤巖體嚴(yán)重破碎，在3.4m處的巖層交界面存在破碎帶，在一定程度上弱化了頂板巖層的強度，在頂板6.4m處有縱向裂隙存在，巷道圍巖穩(wěn)定性相對較差。

4)第四測站鉆孔窺視結(jié)果：巷道頂煤破碎較為嚴(yán)重，在1.1m頂煤和泥巖的交界面上存在環(huán)向裂隙，在頂板4.8m和5.2m處存在明顯的環(huán)向裂隙，在頂板6m處存在少量的縱向裂隙，巷道圍巖穩(wěn)定性一般。

綜上，潞新二礦各測站中留頂煤巷道頂煤較為破碎，頂煤以上巖體不同程度的存在環(huán)向、縱向裂隙和破碎帶，節(jié)理較為發(fā)育，頂板穩(wěn)定性相對較差。

3 巷道全錨索支護優(yōu)化設(shè)計

3.1 支護方案

W4203工作面運輸巷采用全錨索支護系統(tǒng)，巷道支護布置如圖4所示。具體支護形式和參數(shù)為：

圖4 巷道支護方式(mm)

2)幫支護。錨索：錨索長度為3300mm，錨索以及托盤規(guī)格同頂板錨索要求。錨索布置：錨索排距1400mm，每排6根錨索，每幫3根，錨索間距1200mm。全部垂直煤層打設(shè)。網(wǎng)片規(guī)格：采用鋼筋網(wǎng)護幫，網(wǎng)孔規(guī)格80mm×80mm，幫網(wǎng)片為2900mm×1500mm。

3.2 施工工藝過程

4 經(jīng)濟效益分析

W4203工作面運輸巷采用高預(yù)應(yīng)力強力支護系統(tǒng)，顯著提高了支護系統(tǒng)的強度與剛度，在保證巷道安全前提下，減少了支護密度，不但提高了掘進速度，同時也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。

4.1 支護材料費

采用高預(yù)應(yīng)力強力錨索支護技術(shù)，雖然高預(yù)緊力強力支護系統(tǒng)錨索單價比普通錨桿、錨索高，但由于采用強力錨索支護系統(tǒng)，使原來錨桿、錨索支護密度大大降低，對于每米巷道掘進成本和錨桿、錨索安裝費用則大大降低。

根據(jù)礦方提供的材料單價，原普通錨桿支護每米支護材料費用見表1。采取全斷面強力錨索支護后，W4203工作面運輸巷每米支護材料費用見表2。從表1和表2中可以看出，原設(shè)計支護形式每米巷道支護材料費用為2266.1元/m，而采用全斷面強力錨索支護形式每米巷道支護材料費用為2601.3元/m，與原設(shè)計支護形式相比，每米支護材料費用增加335.2元/m。但由于每米支護材料用量大大減小，因此對于輔助運輸?shù)瘸杀鞠鄳?yīng)地減小。

表1 普通錨桿支護材料清單

表2 全斷面強力錨索支護材料清單

4.2 巷道維護費

通過W4203工作面運輸巷前800m的實踐，采用普通高強度錨桿原支護系統(tǒng)不能完全控制住巷道的強烈變形，在大部分地段，巷道變形非常大，不能滿足安全生產(chǎn)要求，巷道不得不進行維修。即使不考慮補打錨桿、錨索和注漿加固，僅僅考慮架設(shè)工鋼棚、打設(shè)單體液壓支柱的費用，包括不能回收的工鋼和單體柱折損以及工人的勞動工費。維修加固巷道至少占巷道全長的70%，如將巷道維修費用攤到整個巷道中，則巷道需增加維修費用497元/m。

采用全錨索強力支護技術(shù)后，使巷道支護狀況較以往采用普通高強錨桿支護系統(tǒng)時得到了明顯改善，巷道基本無需維修，大大降低了巷道維護費用，由此而帶來了可觀的經(jīng)濟效益。尤其在支護難度較大、變形量非常嚴(yán)重的巷道，經(jīng)濟效益尤為突出。

通過以上費用統(tǒng)計，考慮新掘巷道支護材料費和巷道維修材料費用，全錨索強力支護技術(shù)與采用普通高強錨桿支護系統(tǒng)相比，每米巷道節(jié)省材料費161.8元。

5 結(jié) 論

1)針對我國目前礦山錨索直徑小、承載能力差、延伸率低的現(xiàn)狀，結(jié)合潞新二礦復(fù)雜困難巷道支護的要求，提出使用新開發(fā)的大噸位、大延伸率強力錨索，1×19股?22mm高延伸率錨索，破斷強度超過了600kN，延伸率達到了7%；選取與大噸位、高延伸率錨索相配套的強力錨索鎖具、高強度錨索托盤，選取了高性能錨索張拉設(shè)備，使錨索的預(yù)緊力可達到300kN。通過采用高強度大延伸率全錨索支護系統(tǒng)，成功解決了潞新二礦巷道支護技術(shù)難題，保證了巷道安全，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

2)高預(yù)應(yīng)力強力錨索支護提高支護強度和剛度，有效控制圍巖的變形，顯著提高了巷道支護的可靠性，從而大大降低了發(fā)生冒頂事故的可能性，也大大減小了掘進工作面炸頂、炸幫等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，改善工人作業(yè)環(huán)境的安全性。該支護技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅適應(yīng)于潞新二礦，而且可在類似條件的新疆礦區(qū)推廣應(yīng)用，由此可產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益和社會效益。