基于掘錨一體化特厚頂煤巷道快速掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)分析

衛(wèi)爭剛

摘要：綜采放頂煤開采是一種安全、高效的煤層開采方法，在我國煤礦得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。綜采工作面一般要求沿煤層底板組織開采巷道，巷道頂板為一定厚度的煤層。由于煤層的阻力一般低于巖層的阻力，如果煤層的薄片、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面相對復(fù)雜，將顯著增加道路支護(hù)的難度。在分析煤巷圍巖煤層錨桿錨索錨固性能監(jiān)測機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了高精度錨桿支護(hù)技術(shù)。該技術(shù)在煤礦的應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)能有效地控制特厚煤層整個煤巷的強(qiáng)烈變形，滿足煤礦安全高效生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：特厚煤層;快速掘進(jìn);支護(hù)

隨著我國煤炭開采機(jī)械化水平的提高，高產(chǎn)高效礦井對道路掘進(jìn)效率提出了更高的要求。我國煤礦巖巷開挖的地質(zhì)條件、成本和效益決定了主要的開挖方式。因此，多個掘進(jìn)工序的效率、科學(xué)技術(shù)的采用和合理支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計是煤礦高效掘進(jìn)的重要保證。某煤礦公司正在開采特厚煤層，如主采 10#煤層，平均厚度為11.7米。不僅煤層厚度大，而且煤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

一、特厚頂煤巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)特性及可錨性測試

采用兩種方法測量煤的強(qiáng)度：一種是在實驗室對煤樣進(jìn)行現(xiàn)場取樣和壓縮試驗;二是采用鉆穿法測試巷道掘進(jìn)時煤層的單軸壓縮力。

1.1實驗室測試。在煤礦 1002 回風(fēng)順槽頂板對 10# 煤層現(xiàn)場取樣，試驗采用MTS815 GT Rock試驗系統(tǒng)。在加載達(dá)到最大值前，采用軸向加載控制方式，加載速率為30kN/min;當(dāng)接近最大值時，采用橫向變形控制方法。首先，在約束壓力為0時進(jìn)行單軸壓縮試驗，煤樣的單軸壓縮力為15.0 mpa-24.6 mpa，平均值為19.8mpa。然后進(jìn)行了煤樣在安全殼壓力下的壓縮試驗。圍壓分別為3.2 MPa、16 MPa和22.4 MPa，圍壓負(fù)荷率為3 MPa/min。隨著圍壓的增加，煤樣的抗壓強(qiáng)度增加。

1.2井下試驗。采用鉆孔穿透法，在地下道路鉆孔內(nèi)進(jìn)行了煤層阻力的現(xiàn)場測試。一個深度為10m的鉆孔垂直布置在屋頂中間，水平布置在道路側(cè)面的中間。圍巖力測試儀用于測量頂板和側(cè)縫的壓縮力。輔助道路煤礦運輸試驗結(jié)果如下：通過頂板鉆孔的煤炭墊片的平均壓縮力為10.1MPa，巷井側(cè)面煤炭接頭的平均壓縮力為12.7MPa;鉆入頂板煤層的平均壓縮力為12.4MPa，鉆入巷井煤層的平均壓縮力為13.4MPa。通過將實驗室試驗結(jié)果與進(jìn)口孔板現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行比較，可以驗證現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)明顯低于實驗室數(shù)據(jù)。主要原因是在實驗室煤樣中測量了整個煤塊的強(qiáng)度，而現(xiàn)場地下測量的結(jié)果更接近于煤體的強(qiáng)度。

1.3煤層結(jié)構(gòu)。礦區(qū)特厚煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。煤層在垂直方向上非常復(fù)雜，受力變化很大。硅化煤具有很高的阻力，而混合煤具有松散的結(jié)構(gòu)和很低的強(qiáng)度。利用kdvj-400電子穿刺采煤機(jī)帶路、輔助運輸?shù)缆?、回風(fēng)巷、塔山煤礦首采降落傘對圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測。

觀測結(jié)果直接反映了巷道頂板的結(jié)構(gòu)分布。煤層頂部多處橫向席狀裂隙、縱向和斜向節(jié)理裂隙。淺層煤體較破碎，部分部位出現(xiàn)明顯分選。這些結(jié)構(gòu)對道路屋頂?shù)耐暾院头€(wěn)定性有重大影響。

1.4地應(yīng)力

由于煤層電阻率低，結(jié)構(gòu)破碎，煤層地應(yīng)力測量非常困難。為了了解超厚煤層周圍原始巖石的張力狀態(tài)，對煤層頂板巖石進(jìn)行了地應(yīng)力測量。小型液壓原位應(yīng)力測量裝置用于對運輸輔助道路和煤礦1002的測點進(jìn)行原位應(yīng)力測量。結(jié)果表明：

（1） 三個測點的主要最大水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主，以構(gòu)造應(yīng)力為主。

（2） 主水平最大應(yīng)力和垂直應(yīng)力之間的關(guān)系為1.02-1.09，兩者之間差異不大。主最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力之比為1.49-1.86，表明水平應(yīng)力具有明顯的方向性。

（3） 三個測點的主要水平最大作用力方向為NNE向，測量結(jié)果一致，結(jié)果表明，研究區(qū)受北北東向構(gòu)造應(yīng)力的影響。

1.5煤層可錨性

例如，螺旋和錨索支護(hù)是在粗煤和特厚煤的上工作面完全機(jī)械化的情況下支護(hù)巷道的有效方法，但了解是否可以采用這種支護(hù)方法的關(guān)鍵是固定頂煤，即煤層處螺旋電纜和錨的固定應(yīng)符合設(shè)計要求。因此，在地下進(jìn)行了移除錨索和錨索的試驗。煤層顯示，在頂煤完整的位置，用k2335和z2360樹脂錨固劑錨固后，錨固力可達(dá)到150 kn以上;然而，受火成巖侵入影響的碎炭中，錨桿和錨索的錨固力較低，錨索錨固力低于100kn。并在該煤礦頂煤上進(jìn)行了錨索固定力試驗。煤層處錨索錨固力可達(dá)250kN。綜上所述，在堅硬完整的頂煤中，螺桿與錨索的緊固力能滿足設(shè)計要求，而在松軟破碎的煤層中，螺桿與錨索的緊固能力較差，錨固力較低。因此，在較厚的頂煤巷道上使用螺旋索和錨桿支護(hù)時，需要選擇合理的錨固位置，通過完整或延長錨固來保證螺旋索和錨桿的錨固性能。

二、特厚頂煤高速公路支護(hù)原理

2.1 煤頂巷道的變形主要包括兩部分：一是煤體結(jié)構(gòu)平面的擴(kuò)展變形，如分離、滑動、裂縫張開和新一代裂縫;二是煤的彈性變形、峰值強(qiáng)度前的塑性變形和錨固區(qū)的一般變形。合理的煤頂巷道支護(hù)應(yīng)顯著提高支護(hù)系統(tǒng)的初始剛度和支護(hù)強(qiáng)度，有效控制煤體膨脹變形，保持較高煤體的完整性。同時，支撐系統(tǒng)應(yīng)足夠加長，以允許第二次變形釋放高應(yīng)力。

2.2 錨桿和錨索對支護(hù)效果起著決定性的作用。根據(jù)煤層頂板的路況，將錨桿和錨索固定在合理位置，在圍巖中施加合理的預(yù)應(yīng)力，是支護(hù)工程的關(guān)鍵。

2.3錨索在煤頂板巷道中的作用主要有兩個方面：一是將上部煤中錨桿支架形成的支承結(jié)構(gòu)與深部炭體連接，提高支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。條件是錨索必須錨固在最硬、最完整的煤縫處;二是錨索施加了巨大的預(yù)應(yīng)力，與錨桿形成的壓縮應(yīng)力區(qū)域結(jié)合，形成骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主動支護(hù)圍巖。

三、特厚頂煤巷支護(hù)方法

根據(jù)上厚煤巷的特點，結(jié)合以上支護(hù)原理，確定上厚特厚煤巷的支護(hù)方式為：高阻力樹脂、加長錨桿、組合錨索，在圍巖破碎地段，可進(jìn)行疏導(dǎo)加固。螺旋索和錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計采用動態(tài)信息設(shè)計方法。這種設(shè)計方法有兩個特點：一是項目不是一下子完成的，而是一個動態(tài)的過程;其次，項目充分利用每個過程中提供的信息，實時收集、分析和反饋信息。設(shè)計方法包括五個部分：巖石周圍道路的地質(zhì)力學(xué)評估、初步設(shè)計、地下監(jiān)測、信息反饋和校正設(shè)計。初始設(shè)計通常通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)驗提出。初始地下工程實施后，應(yīng)對巖石位移以及錨桿和錨索的作用力進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測;根據(jù)監(jiān)測結(jié)果評估初始項目的合理性，必要時對初始項目進(jìn)行修改。正常施工后應(yīng)進(jìn)行日常檢查，以確保道路安全。

四、結(jié)論

（1） 位于熔融煤頂部機(jī)械化部分的采煤道路，其主要特點是：上部煤厚大，火成巖侵入后，煤體破碎，受力劇烈變化;為滿足大型設(shè)備的運輸和通風(fēng)需要，路段較大;頂板巖石強(qiáng)度高，開采影響大。這些特點給礦山巷道支護(hù)帶來了諸多問題，對支護(hù)技術(shù)要求較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡學(xué)軍，范世民 . 煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)在礦區(qū)的應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，31（6）：33–35