錢(qián)德雨,王 成,張冬華,韓昌良

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

巷道工程

深井厚復(fù)合頂采空區(qū)上方煤巷支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用

錢(qián)德雨,王 成,張冬華,韓昌良

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

分析了深井厚復(fù)合頂板采空區(qū)上方煤層巷道的支護(hù)難點(diǎn)和特點(diǎn),提出了圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)和此類(lèi)巷道的錨桿支護(hù)方案,介紹了應(yīng)用于淮南某礦深井厚復(fù)合頂板采空區(qū)上方煤巷錨桿支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐證明,高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿組合的圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)是控制深井厚復(fù)合頂板采空區(qū)上方煤巷圍巖變形的有效方法。

深井;厚復(fù)合頂;采空區(qū)上煤巷;高預(yù)應(yīng)力;強(qiáng)化控制

淮南礦區(qū)多為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井,煤層瓦斯含量高達(dá) 26m3/t,僅依靠傳統(tǒng)鉆孔預(yù)抽要抽采到 8m3/t以下,需 10～20a,開(kāi)采周期長(zhǎng),產(chǎn)量不穩(wěn)定,不能滿(mǎn)足華東地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能源需求。實(shí)踐證明,首采關(guān)鍵層的保護(hù)層開(kāi)采[1]是淮南礦區(qū)瓦斯治理的有效方法,但保護(hù)層開(kāi)采后由于受采動(dòng)影響,被保護(hù)層中的下伏采空區(qū)煤層巷道的支護(hù)難度大大增加。本文介紹了巷道圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)及其在淮南礦區(qū)受采動(dòng)影響下的深井厚復(fù)合頂板下伏采空區(qū)煤層巷道中的成功應(yīng)用。

1 地質(zhì)概況

淮南某礦 1115(3)工作面位于 -780m水平,工作面周?chē)簩泳撮_(kāi)采,但下方 1115(1)工作面于 2008年 12月底回采結(jié)束。1115(3)工作面軌道巷于 2009年 4月開(kāi)始掘進(jìn)。1115(3)工作面標(biāo)高為 -673～ -764m,地面標(biāo)高 +23.1～ + 24.03m。走向長(zhǎng)約 2900m,傾斜長(zhǎng) 220m。工作面煤層賦存穩(wěn)定,鉆孔揭露煤層厚度 2.95～4.37m,平均厚度 3.56m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般含 2～3層炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸。受斷層和層滑構(gòu)造的影響,煤層厚度變化較大。煤層傾角為 3～10°,平均 5°。在構(gòu)造發(fā)育處頂板會(huì)有淋水現(xiàn)象,初期較大,隨著時(shí)間推移逐漸變小直至消失。煤層自然發(fā)火期 3～6個(gè)月,具有較強(qiáng)的自燃傾向性,原始巖溫 38～40℃。1115(3)工作面軌道巷與下伏采空區(qū)位置關(guān)系如圖 1,巖性綜合柱狀如圖 2。

圖1 試驗(yàn)巷道與采空區(qū)位置關(guān)系

2 巷道維護(hù)特點(diǎn)

圖2 煤巖層綜合柱狀

(1)巷道埋深大,屬深部軟巖巷道。深部巷道“三高一擾動(dòng)”的特殊環(huán)境,決定了深部巷道圍巖變形表現(xiàn)出脆 -塑性轉(zhuǎn)化、流變及擴(kuò)容的明顯特性。

(2)受動(dòng)壓影響。1115(1)工作面已回采完畢,但是由于采后時(shí)間較短 (4個(gè)多月),其上覆巖體受采動(dòng)影響還未完全穩(wěn)定,1115(3)工作面位于 1115(1)工作面正上方,間距約 75m,處于塌陷影響范圍之內(nèi),巷道圍巖穩(wěn)定性控制難度明顯增大。

(3)13槽煤層巷道頂板巖性變化較大,且多為厚復(fù)合頂板,由炭質(zhì)泥巖、泥巖和 13-2煤組成,頂板松軟巖層較厚,錨桿錨固基礎(chǔ)不能可靠保證,頂板支護(hù)難度較大。

(4)工作面鉆孔揭露 13-1煤層厚度 2.95～4.37m,平均厚度 3.56m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般含2～3層炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸,由于受下伏 1115 (1)工作面采動(dòng)影響,巷道掘進(jìn)時(shí)很容易出現(xiàn)大面積的片幫,對(duì)支護(hù)極為不利。

(5)巷道走向長(zhǎng) (2900m),要求維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)支護(hù)強(qiáng)度及維護(hù)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性有較高要求。

(6)底鼓的控制難度大,在煤層較厚的巷段,松軟的底煤和復(fù)合底板將發(fā)生明顯的底鼓破壞。

綜上,該巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究具有極大的挑戰(zhàn)性,必須系統(tǒng)地采用以高強(qiáng)錨桿為基礎(chǔ)、高預(yù)應(yīng)力[2]為核心的圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)。

3 深部巷道圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)

3.1 巷道圍巖強(qiáng)化控制理論

深部厚復(fù)合頂板煤層巷道支護(hù)實(shí)踐表明,傳統(tǒng)的U型鋼可縮支架支護(hù)、普通高強(qiáng)錨桿支護(hù)和噴層相結(jié)合的支護(hù)等都不能有效地控制受動(dòng)壓影響的深井厚復(fù)合頂板煤層巷道頂板錨桿錨固區(qū)外的弱面離層[3]和圍巖的長(zhǎng)期變形,不能從根本上保證巷道頂板的安全性。近年來(lái),采用巷道圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)則表現(xiàn)出了很強(qiáng)的適應(yīng)性。該技術(shù)主要包括 3個(gè)強(qiáng)化:

(1)錨桿承載性能強(qiáng)化 包括技術(shù)手段升級(jí)和創(chuàng)新,高性能預(yù)拉力錨桿朝超高強(qiáng)方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力、高強(qiáng)度、高剛度和高可靠性[4]。

(2)巷道圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化 錨桿支護(hù)提高了錨固體的力學(xué)參數(shù),改善了被錨固體的力學(xué)性能;通過(guò)提高徑向應(yīng)力以及其增加速度,使得圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化,提高了圍巖強(qiáng)度[5]。

(3)承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)化 針對(duì)煤層巷道層狀賦存特點(diǎn)、煤巖體不均衡性產(chǎn)生的弱化區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),形成或強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu),包括含弱面的頂板離層控制和對(duì)幫角煤巖體破壞區(qū)、軟弱底板等加固措施。

3.2 關(guān)鍵控制技術(shù)

(1)高性能超高強(qiáng)錨桿及其附件 高性能預(yù)應(yīng)力錨桿朝著超高強(qiáng)錨桿方向發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力、高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性和低支護(hù)密度。高強(qiáng)桿體、大托盤(pán)、強(qiáng)大扭矩螺母是實(shí)現(xiàn)大扭矩安裝、提高錨桿承載性能的關(guān)鍵因素,采用MQS-90J2型氣扳機(jī)可以實(shí)現(xiàn) 80～100kN的預(yù)緊力,并保持錨桿較高的工作阻力狀態(tài)。高性能預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)可以明顯改善巷道周邊的圍巖應(yīng)力分布,有效控制圍巖變形。

(2)錨索梁承載結(jié)構(gòu) 在巷道頂板或幫部布置高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索梁,其結(jié)構(gòu)為:兩根錨索配合槽鋼或鋼帶與頂板或幫部巖面垂直安裝或外帶 10°傾角;高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索梁具有比單體錨索錨固范圍大、充分調(diào)動(dòng)深部圍巖承載能力的優(yōu)點(diǎn),在高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化巷道圍巖承載性能,同時(shí)槽鋼梁或鋼帶增大了支護(hù)構(gòu)件對(duì)巷道圍巖的護(hù)表面積。

4 數(shù)值模擬及錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)值模擬

根據(jù)地質(zhì)資料,運(yùn)用 FLAC2D建立相應(yīng)的平面應(yīng)變計(jì)算模型。模型尺寸長(zhǎng) ×高 =200m×140m,考慮預(yù)留斷面,巷道寬 ×高 =5.0m×3.4m,采空區(qū)長(zhǎng)×高 =110m×3.5m(模型為對(duì)稱(chēng)模型,因此,選取實(shí)際工作面長(zhǎng)度的一半)。模型左、右及下邊界均為位移固定約束邊界,上邊界為應(yīng)力邊界,按上覆巖層厚度施加均布載荷。下伏 1115(1)工作面回采后,采空區(qū)區(qū)域垂直應(yīng)力分布如圖 3。支護(hù)方案遵循“三高一低”[6]的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念,模擬支護(hù)方案如圖 4,頂板錨桿 7根,長(zhǎng)度為 2.8 m;幫部錨桿 5根,長(zhǎng)度為 2.5 m,頂板錨索 5根,長(zhǎng)度 7.7m。數(shù)值模擬巷道圍巖變形結(jié)果如表 1。

圖3 采空區(qū)區(qū)域垂直應(yīng)力分布

圖4 數(shù)值模擬支護(hù)方案

表 1 數(shù)值模擬巷道掘進(jìn)期間圍巖最大位移

下伏 1115(1)工作面回采后,采空區(qū)直接頂板巖層在自重力及其上覆巖層的作用下,產(chǎn)生了向下的移動(dòng)和彎曲。當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過(guò)巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí),直接頂板首先斷裂、破碎、相繼冒落。同時(shí),回采空間圍巖應(yīng)力重新分布,不僅在回采空間周?chē)拿后w上產(chǎn)生應(yīng)力集中,而且該應(yīng)力會(huì)向煤層頂板深部傳遞,其對(duì) 11-2煤層頂板影響范圍約為 100m,而 1115(3)工作面軌道巷正好位于應(yīng)力集中影響邊緣,巷道兩幫垂直應(yīng)力明顯具有不對(duì)稱(chēng)性,巷道右?guī)偷拇怪睉?yīng)力大于左幫。

4.2 具體支護(hù)參數(shù)

在厚復(fù)合頂板巷段,采用的具體支護(hù)參數(shù)如圖5所示。

圖5 錨帶網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

(1)巷道頂板采用 7根 IV級(jí)左旋螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿、4.8m長(zhǎng)M5型鋼帶、8號(hào)菱形金屬網(wǎng)支護(hù),錨桿規(guī)格為 <22mm×2800mm,每根錨桿 2節(jié) Z2380型樹(shù)脂藥卷錨固,扭矩不小于 200N·m;錨桿間排距750mm×800mm。

(2)兩幫采用 5根左旋螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿、3.2m長(zhǎng)M5型鋼帶、10號(hào)菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),錨桿規(guī)格為 <20mm×2500mm,每根錨桿用 1節(jié) Z2380型藥卷;間排距 750mm×800mm。

(3)在巷道頂板中間布置 1套高預(yù)應(yīng)力錨索梁,錨索規(guī)格為 <21.8mm×7700mm,錨索下鋪設(shè)2.6m的 T2鋼帶,鋼帶上 3眼孔,間距 1.1m,排距為 800mm。同時(shí)沿巷道走向頂板兩側(cè)布置 2排走向錨索梁,鋪設(shè) 2.2m的 T2鋼帶,鋼帶上 2眼孔,間距1.8m。錨索眼孔深度為7500mm,每孔用3節(jié) Z2380樹(shù)脂藥卷;預(yù)緊力 80～100kN,頂板錨索梁緊跟迎頭施工。

5 礦壓觀測(cè)及支護(hù)效果

1115(3)工作面軌道巷自2009年4月開(kāi)始施工,5月初開(kāi)始進(jìn)入下伏采空區(qū)段施工,之后便裝設(shè)測(cè)站。至 2010年 2月底結(jié)束,共施工 2900m。掘進(jìn)期間巷道圍巖變形如圖 6、圖 7所示。

圖 6 掘進(jìn)期間巷道圍巖變形量曲線(xiàn)

圖7 掘進(jìn)期間巷道圍巖變形速度曲線(xiàn)

巷道掘進(jìn) 41d后圍巖變形趨于穩(wěn)定,兩幫移近速度、頂板下沉速度、底鼓速度分別為 1.78mm/ d,0.56mm/d,1.72mm/d,兩幫移近量、頂板下沉量、底鼓量分別為 233mm,83mm,245mm。此后圍巖處于流變狀態(tài)。96d后巷道兩幫移近速度、頂板下沉速度、底鼓速度分別為 0.75mm/d, 0.06mm/d,1.10mm/d,兩幫移近量、頂板下沉量、底鼓量分別為 290mm,95mm、318mm。支護(hù)方案達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),圍巖變形控制效果較好,巷道經(jīng)受了煤巖體蠕變、風(fēng)化影響的考驗(yàn),試驗(yàn)取得了成功,為 1115(3)工作面回采打下了良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

(1)淮南礦區(qū) 13槽煤層強(qiáng)度低、厚度大,頂板為厚層松軟復(fù)合頂、圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層埋藏深,巷道斷面大,且受下伏采動(dòng)影響,維護(hù)難度大。兩幫變形和底鼓都較強(qiáng)烈,巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮預(yù)留斷面。

(2)數(shù)值模擬表明,1115 (1)工作面回采后,回采空間圍巖應(yīng)力重新分布,不僅在回采空間周?chē)拿后w上產(chǎn)生應(yīng)力集中,而且該應(yīng)力會(huì)向煤層頂板深部傳遞,其對(duì) 11-2煤層頂板影響范圍約為100m,而使得上覆 1115(3)工作面軌道巷位于應(yīng)力集中影響邊緣,增加了巷道維護(hù)難度。

(3)根據(jù)巷道圍巖維護(hù)特點(diǎn),采取了針對(duì)性技術(shù)措施和支護(hù)參數(shù),成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),支護(hù)效果良好,為類(lèi)似深井厚復(fù)合頂板采空區(qū)上煤層巷道采用錨桿支護(hù)提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

(4)淮南礦區(qū)巷道支護(hù)實(shí)踐證明,以高強(qiáng)錨桿和高剛度附件為基礎(chǔ),高預(yù)應(yīng)力為核心的圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)是控制受采動(dòng)影響的深井厚復(fù)合頂板采空區(qū)上煤巷圍巖變形的有效方法。

[1]袁 亮 .低透氣性煤層群無(wú)煤柱煤與瓦斯共采理論與實(shí)踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.

[2]張 農(nóng),高明仕 .煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù) [J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(4):524-527.

[3]張 農(nóng),袁 亮 .離層破碎型煤巷頂板的控制原理 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(1):34-38.

[4]張 農(nóng),王 成,高明仕,等 .淮南礦區(qū)深部煤巷支護(hù)難度分級(jí)及控制對(duì)策 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28 (12):2421-2428.

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[6]康紅普,王金安 .煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[責(zé)任編輯:于海湧]

Surrounding Rock Control Technology and Application of Coal Roadway with Thick and Combined Roof above Gob in DeepM ine

Q IAN De-yu,WANG Cheng,ZHANG Dong-hua,HAN Chang-rong

(State KeyLaboratory of Coal Resource&SafetyMining,Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper put forward strengthening control technology of surrounding rock and anchored bolt supporting project by analyzing supporting difficulty and characteristic of deep coal roadwaywith thick combined roof above gob.It introduced successful experience of applying bolt supporting in deep coal roadway above gob in Huainan.Practice showed that high pre-stress anchored bolt with high strength was effective method for controlling deformation of deep coal roadwaywith combined roof above gob.

deep mine;thick combined roof;coal roadway above gob;high pre-stress;strengthening control

TD353.6

A

1006-6225(2010)05-0051-04

2010-06-01

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (2007BAK28B00);國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50904064);煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (SKLCRS M09X03)

錢(qián)德雨 (1987-),男,安徽鳳陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事巷道圍巖控制方面的研究。