宋發(fā)生,孫喜慶

(雙鴨山礦業(yè)集團有限公司生產(chǎn)技術部,黑龍江雙鴨山 155100)

雙鴨山東榮二礦動壓巷道破壞分析及支護技術

宋發(fā)生,孫喜慶

(雙鴨山礦業(yè)集團有限公司生產(chǎn)技術部,黑龍江雙鴨山 155100)

Supporting Design and Optim ization for Roadway with Dynam ic Pressure in Dongrong 2nd Colliery in Shuangyashan

東榮二礦 17煤層圍巖強度低,原設計支護形式不合理,在深井自重應力、構造應力及上位煤層開采引起的采動集中應力的疊加作用下,巷道圍巖載荷超過其極限強度而破壞失穩(wěn)。采用“錨桿 +鋼帶 +錨索 +金屬網(wǎng) +噴漿”的聯(lián)合支護方案,有效控制了巷道的變形破壞,取得了良好的技術經(jīng)濟效果。

煤層巷道;采動應力;巷道失穩(wěn);錨桿支護

東榮二礦位于黑龍江省集賢煤田東南端,處在綏濱 -集賢拗陷帶東榮向斜的東翼。井田內構造特征以 F9斷層為界,北部為軸向北東 30～75°的八隊向斜構造;南部為地層走向呈北西 10°,傾角 15～25°的單斜構造,并有次一級緩波狀褶曲。主要可采煤層為16,17,18煤。16煤厚 1.45～1.94m,平均為 1.53m,17煤厚 3.55～4.33m,平均為3.76m,與 16煤層間距為 11.8～20.3m。18煤厚為 1.93～2.64m,平均為 1.99m,18煤與 17煤層間距為 12.55～15.81m。

井田內各煤層頂、底板均以粉砂巖、細砂巖和粉細砂巖互層為主,部分為中、粗砂巖。單向抗壓強度范圍為 58.8～153.5MPa。

東榮二礦在開采 16煤 7面時,位于其下方的17煤 8面材料道圍巖變形嚴重,金屬棚壓彎變形失去承載能力,巷道斷面收縮率大,最高超過50%,需要多次刷大巷道斷面,重新架設密集金屬棚、支設點柱,才能維持使用。如圖 1所示。

圖 1 東榮二礦 17號煤層巷道變形破壞形式

東榮二礦在 17號煤層回采巷道中,先后采用了多種支護方式,但均未有效地控制巷道的破壞失穩(wěn)。由此可見,常規(guī)方法不能解決 17號煤層巷道支護問題,有必要對巷道破壞的原因進行深入研究,在此基礎上提出有效的支護技術。

1 東榮二礦 17煤層巷道破壞原因分析

研究認為東榮二礦 17煤層巷道破壞受以下因素影響:

(1)高原巖應力 世界范圍內地應力測量結果表明:垂直方向地應力值與埋藏深度成正比,即等于 Hγ(H為埋深,γ為巖石的密度)。礦井開采深度加大,使煤巖體中的原巖應力增加。東榮二礦淺部開采時,巷道支護難度不大,隨著采深增加,支護越來越困難。東榮二礦開采深度已達 600m,超過了礦井圍巖自穩(wěn)的臨界深度,表現(xiàn)出深井開采的礦壓特征。

(2)地質構造因素 煤巖體中的應力條件是影響沖擊礦壓的最主要因素,而煤巖體中的應力狀態(tài)直接受煤巖體中的地質構造的影響。地層的多次運動形成了各種各樣的地質構造,如斷層、褶曲、背向斜、煤層厚度變化帶及巖性變化帶等。在這些地質構造區(qū)附近,由于存在著地質構造應力場,通常使煤巖體的構造應力尤其是水平構造應力增加,直接導致巷道維護困難。在褶曲邊緣部位、煤層走向和傾向變化處,特別是向斜軸升起的煤層轉折處,是沖擊礦壓易發(fā)區(qū)。對于褶曲區(qū)域,由于褶曲是巖層在水平應力作用下擠壓形成的,因此,通常情況下,該區(qū)域具有較高的水平應力,其受力特點如圖 2所示。在圖 2中,Ⅰ區(qū)為褶曲向斜部分,其垂直應力為壓應力,水平應力為拉應力,最容易發(fā)生冒頂和沖擊礦壓;Ⅱ區(qū)為褶曲翼部,其垂直應力和水平應力均表現(xiàn)為壓應力,也易發(fā)生沖擊礦壓;Ⅲ區(qū)為褶曲背斜部分,其應力狀態(tài)為垂直受拉,水平受壓,這部分通常是礦山壓力最大的區(qū)域。

圖 2 褶曲部分的受力狀態(tài)及危險性

從東榮二礦的地質資料看,井田內存在大的斷層、褶曲,巖層處于壓縮狀態(tài),應力集中程度高,并在煤巖體中積聚了大量的彈性能,巷道開挖時,達到極限的彈性能向開采空間釋放,就會造成巷道破壞。

(3)上層采動影響 在開采煤層群時,特別是近距離煤層群和特厚煤層分層開采時,不同煤巖層之間存在相互影響。這種相互影響在一定條件下就會導致煤巖體處于極限應力狀態(tài)或高度的應力集中,最終引起巷道的破壞。

煤層的開采引起回采空間周圍巖層應力重新分布,不僅在工作面前方煤體和采空區(qū)周圍的煤柱上造成應力集中,而且該應力會向底板深部傳遞。所以,下位煤巖層內的巷道的穩(wěn)定性會受到上方煤層開采的影響,影響的程度與開采煤層的厚度、層間距離、煤巖力學特性等有關。

圖 3是東榮二礦 17煤層 8面材料道與 16煤層7面位置關系,可以看出,17煤層與 16煤層間距只有 20m,17煤層 8面材料道必然會受到上部 16煤層回采工作面采動應力及 16煤層留設的保護煤柱所產(chǎn)生的應力影響。

圖 3 17煤層 8面材料道與 16煤層 7面空間關系

由于在不同時期 17層巷道與 16層工作面的位置關系均不同,所以所受的影響也不同。為了便于分析不同階段時 16煤層工作面對 17煤層采準巷道的影響,將 16煤層工作面與 17煤層巷道掘進位置分為 4個不同階段,如圖 4所示。

圖 4 16煤層采動對 17煤層巷道不同區(qū)段的影響

階段Ⅰ:近原巖應力階段,在該階段內不受16煤層工作面采動支承壓力影響,只受 16煤層保護煤柱所引起的應力變化影響,但是相對較小且隨著距離的增大而減小。在該階段內 17層采準巷道幾乎不受影響。

階段Ⅱ:工作面前方支承壓力影響階段,在該階段內 16煤層工作面超前支承壓力與煤柱應力疊加對 17煤層采準巷道共同影響。此階段內應力比較集中,對 17煤層采準巷道的影響最大,應在此階段內進行加強支護。

階段Ⅲ:未穩(wěn)定采空區(qū)階段,在該階段內由于16煤工作面剛采過后頂板并未完全垮落,采空區(qū)內的應力變化明顯且不穩(wěn)定,隨時都在變化。而且此后煤柱的集中應力增大,向下傳送的應力增大。此階段內 17煤巷道不僅需要加強支護而且應隨時觀測巷道圍巖變化,以便隨時對其進行治理。

階段Ⅳ:穩(wěn)定采空區(qū)階段,在該階段內 16煤工作面采過后頂板已完全垮落,采空區(qū)內應力降低到最小值。在此以后的范圍內巷道所受各影響應力已基本穩(wěn)定,巷道中的加強支護可視情況減少。

(4)支護形式不合理 受采動影響嚴重的巷道,支護上應使用即有一定的可縮量又能保證足夠的支撐力的支架。該巷道使用的工字鋼金屬支架是一種落后的被動支護形式,支護能力不足,沒有可縮的性能,所以在壓力突然增大時金屬支架就發(fā)生變形破壞而失去支撐作用。

2 支護方案設計

2.1 支護方式選擇

目前在煤礦采準巷道支護主要有 2類:一類是架設在巷道表面的棚式支架,另一類是植入巷道圍巖內的錨桿支護。

棚式支架主要有木棚、工字鋼支架、U型鋼可縮支架等。其中木棚、工字鋼支架為一梁兩腿的支撐結構,支護強度低,不具備可縮性,在受到外載后,梁和腿比較容易彎曲或折斷,從而導致整架失穩(wěn),不適合用于困難巷道的支護。U型鋼可縮支架是由幾段搭接而成,可以做成封閉的環(huán)狀,靠搭接段的滑動可以有一定的縮量,由于其相對于其他棚式支架有較高的強度和一定的可縮量,在國內外某些困難巷道條件下被使用,取得較好支護效果。盡管如此,U型鋼支架與錨桿支護相比,還有許多不足,如被動支護,其提供的支護強度有限,在沖擊載荷的作用下,往往 U型鋼的可縮性未來得及動作就被沖毀。

錨桿支護原理與傳統(tǒng)的棚式支護不同,是一種主動支護形式,通過施加預緊力,可以實現(xiàn)早期承載,提高圍巖的整體強度,符合有效利用圍巖的自承能力的現(xiàn)代支護理念。近年來研究成功的超高強錨桿、強力錨索等支護材料使錨桿支護可以達到很高的支護強度。錨桿安裝在鉆孔中,和圍巖錨固成一體,作為一種內在的支護形式,有非常好的自身穩(wěn)定性,在與圍巖協(xié)調變形中持續(xù)地發(fā)揮著支護作用。另外,錨桿主要利用了金屬桿件的抗拉性能,而棚式支架主要應用了金屬梁的抗彎性能,而金屬構件的抗拉性能是遠遠高于其抗彎性能的,在同樣用鋼量下,錨桿支護的效率是棚式支架的幾十倍。錨桿支護具有良好的延伸性,與圍巖同步協(xié)調變形,不易失穩(wěn),相對于石材、型鋼支架,錨桿支護的延伸量為其可縮量的幾倍到幾十倍。

錨桿支護由金屬網(wǎng)、鋼帶、托盤等支護附件與錨桿、錨索一起形成立體的支護體系:錨固劑、錨桿、錨索與圍巖粘結成一體,形式一定厚度和強度的加固體;由金屬網(wǎng)、鋼帶、托盤等在巷道表面形成了一個封閉的柔性金屬護表層。柔性金屬護表層可以控制圍巖變形,阻止圍巖的破碎和冒落。錨桿、錨索支護必須施加預應力,實現(xiàn)主動支護。

根據(jù)以上分析,確定 17煤材料巷基本支護方案為:錨桿 +鋼帶 +錨索 +金屬網(wǎng) +噴漿聯(lián)合支護,如圖 5所示。在采動影響嚴重階段要采用架工字鋼梁、液壓單體支柱支護作為加強支護。

2.2 支護參數(shù)確定

動壓巷道采用錨桿支護結構,錨桿密度應相應增大,用增大均勻壓縮帶厚度的辦法提高錨桿支護抗力。同時,錨桿密度增大,減少了錨桿間圍巖的跨度,使錨桿支護抗力分布更均勻,減少了錨桿間巖體的應力變形,防止其開裂、剝落。這樣,既促進圍巖更加穩(wěn)定,適應動壓的變形位移作用,又防止了錨空現(xiàn)象,發(fā)揮了錨桿的應有作用。

圖 5 17煤層材料道基本支護方案

在集中壓力大、圍巖強度低的情況下,最好采用全長錨固錨桿,使錨桿在較大位移下仍能保持有足夠的錨固力;也可以采用可伸縮錨桿,以適應圍巖的變形,有效地調整和控制圍巖的壓力和位移。

錨桿必須有足夠的強度,托板、金屬網(wǎng)等附件應與錨桿相匹配。錨桿支護必須施加預緊力,錨桿、錨索的預緊力應達到破斷強度的 40%～60%,以便使錨桿錨固力能更均勻地分布在圍巖中,更好地控制錨桿間巖體的穩(wěn)定。托板的規(guī)格應稍大一些,尤其是在煤層中的動壓巷道,起到護表和傳力作用。在使用中發(fā)現(xiàn)錨桿支護強度不足或失效時,應及時采取補打錨桿或其他加強措施。

基本支護方案的支護參數(shù):

高強度錨桿:間距 800mm;排距 800mm;長2000mm;直徑 20mm;錨索:間距 1600mm;排距1600mm;長6000mm;直徑 15mm;托梁:W型鋼帶長 2800mm,寬 250mm;樹脂藥卷:錨桿CK2335,K2835;錨索 CK2335,K2335;托板:錨桿頂板采用 <150mm鑄鐵托板;兩幫采用木托盤,規(guī)格 300mm×150mm;錨索托板采用鋼板,規(guī)格150mm×150mm×12mm;金屬網(wǎng):菱形鋼筋網(wǎng);頂板1000mm×5000mm;幫部 1000mm×3000mm;加強支護參數(shù)為:工字鋼梁 +單體液壓支柱,柱距0.5～1.0m。

巷道圍巖穩(wěn)定性觀測表明,優(yōu)化后的支護方案達到了預期的支護效果。在巷道形成 2個月后圍巖變形小,巷道穩(wěn)定、完整,基本保持原有狀態(tài)。

3 結論

(1)東榮二礦 17煤層圍巖強度低,支護形式不合理。礦井開采深度大,斷層、褶曲等地質構造內存在著構造應力場,自重應力和構造應力的疊加,導致巷道圍巖原始應力水平較高。上位煤層的開采引起的采動集中應力向下傳遞,與原始地應力再次疊加,致使巷道的受力超過其極限強度,造成巷道的破壞失穩(wěn)。

(2)東榮二礦采用“錨桿 +鋼帶 +錨索 +金屬網(wǎng) +噴漿”的聯(lián)合支護方案,有效控制了受上層采動影響巷道的變形破壞,現(xiàn)場觀測結果表明該支護方案科學合理,滿足了生產(chǎn)要求,巷道局部地段需采取加強支護措施。

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[責任編輯:于海湧]

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1006-6225(2010)03-0070-03

2009-07-21

宋發(fā)生 (1955-),男,遼寧寬店人,工程師,現(xiàn)任雙鴨山礦業(yè)集團生產(chǎn)技術部副部長。