特厚煤層軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

劉進(jìn)曉1,2，景繼東2，趙國(guó)會(huì)1，尚玉強(qiáng)2，劉偉韜1

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；

2.新汶礦業(yè)集團(tuán)(伊犁)能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，新疆 伊犁 835000)

[摘要]基于新疆伊犁一礦3煤層為特厚煤層及頂?shù)装鍙?qiáng)度低、膠結(jié)性差、易崩解、遇水易軟化的工程實(shí)況，分析了伊犁一礦馬頭門(mén)兩側(cè)巷道圍巖的變形破壞特征，得出伊犁一礦軟巖巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)制，指出原有支護(hù)系統(tǒng)護(hù)表和主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度低、地應(yīng)力大是導(dǎo)致巷道破壞和支護(hù)失效的主要原因。提出了副立井馬頭門(mén)兩側(cè)巷道采用“強(qiáng)護(hù)表+錨網(wǎng)索+架棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：該支護(hù)技術(shù)基本能夠避免軟巖巷道的多次翻修，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一次到位。

[關(guān)鍵詞]特厚煤層；軟巖；聯(lián)合支護(hù)；副立井；馬頭門(mén)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD353[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-06-27

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.020

[基金項(xiàng)目]山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金資助項(xiàng)目(BS2011SF016)

[作者簡(jiǎn)介]劉進(jìn)曉(1977-)，男，山東青島人，博士，主要從事軟巖支護(hù)及充填開(kāi)采等方面的研究與教學(xué)工作。

Supporting Technology of Soft Rock Roadway in Extremely-thick Coal-seam

LIU Jin-xiao1,2, JING Ji-dong2, ZHAO Guo-hui1, SHANG Yu-qiang2, LIU Wei-tao1

(1.Education Ministry's Key Laboratory Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science & Technology, Qingdao 266590, China;

2.Yili Energy Development Co., Ltd., Xinwen Mining Group, Yili 835000, China)

Abstract:Coal and its roof and floor in 3rd coal-seam of Yili 1st Mine has low strength and bad cementing property and is liable to disintegration and soften.By analyzing deformation and failure characteristic of roadway surrounding rock at two sides of ingate, surrounding rock instability mechanism was obtained.It was indicated that low active supporting strength of former supporting system and large geo-stress were main cause of roadway failure and supporting invalidation.Applying combined supporting of“strong protecting surface+anchored mesh and cable+shed”for roadways of two sides of auxiliary shaft ingate was put forward.On-the-spot observation showed that this supporting technology could avoid multi-time rebuilding of soft roadway and realize one-time supporting.

Keywords:extremely-thick coal-seam; soft rock; combined supporting; auxiliary shaft; ingate

[引用格式]劉進(jìn)曉，景繼東，趙國(guó)會(huì)，等.特厚煤層軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：68-70，11.

隨著煤炭資源開(kāi)采，東部煤炭資源越來(lái)越少，伴隨著西北部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部煤炭資源的開(kāi)采被提上日程。由于西北部地區(qū)地質(zhì)條件不同于東部地區(qū)，在煤炭開(kāi)采中經(jīng)常遇到強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、遇水崩解的軟巖。導(dǎo)致巷道支護(hù)采用傳統(tǒng)施工方法不能有效維持長(zhǎng)期穩(wěn)定，嚴(yán)重威脅礦井的生產(chǎn)進(jìn)度和安全[1-5]。

1工程概況

伊犁一礦位于新疆察布查爾錫伯族自治縣南部，行政區(qū)劃隸屬新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣瓊博拉鄉(xiāng)管轄。

伊犁一礦副立井位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣東南部，隸屬于伊南煤田。井田東西長(zhǎng)23km，南北寬10km，面積約207.91km2。采用主井、斜井混合開(kāi)拓方式，設(shè)2個(gè)工業(yè)廣場(chǎng)，北工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)主、副井2個(gè)井筒，其中副立井井口設(shè)計(jì)標(biāo)高為+1123.5m，凈直徑7.2m，井筒深度為473.5m，表土段厚度159m左右。副立井，主要擔(dān)負(fù)全礦井人員、材料、設(shè)備升降及矸石提升，并兼作主進(jìn)風(fēng)井。井田內(nèi)主要可采煤層為3煤層和5煤層，平均厚度分別為12.42m和19.21m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10Mt/a。

2013年10月底副立井施工至馬頭門(mén)，并逐步開(kāi)掘馬頭門(mén)東側(cè)的巷道。由于煤層頂?shù)装迳皫r含水，因此將馬頭門(mén)布置于3煤層中，此處煤層埋深650m。副立井馬頭門(mén)位于3煤層底部，該處3煤層厚度為18.5m，馬頭門(mén)與煤層之間的位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示。

圖1　馬頭門(mén)與煤層的位置關(guān)系

2巷道圍巖特性及地應(yīng)力分析

伊南煤田軟巖成巖年代較短，多為黏土巖類(lèi)，廣泛分布于白堊系、侏羅系地層中，形成了其獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定伊犁一礦3煤上山頂板泥巖波速為2.164km/s，抗拉強(qiáng)度0.69MPa，單軸抗壓強(qiáng)度5.43MPa；泥巖軸向膨脹率0.37%，徑向膨脹率0.13%；泥巖的耐崩解性指數(shù)99.63%；泥巖的天然密度2.19g/cm3。3煤層波速為1.733km/s，抗拉強(qiáng)度0.21MPa，單軸抗壓強(qiáng)度6.20MPa；3煤層的軸向膨脹率0.54%，徑向膨脹率0.31%；3煤崩解成散粒狀；3煤層的天然密度1.31g/cm3。因此伊犁一礦3煤層及其頂?shù)装鍨榈蛷?qiáng)度、膠結(jié)差、易崩解、遇水軟化的軟巖。

由伊犁一礦3煤輔助上山1號(hào)聯(lián)絡(luò)巷往北40m位置(海拔+946m，采深247m)的原始地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知，此處的最大水平應(yīng)力σ1為16.68MPa(方位角190.1°)，中間主應(yīng)力σ2為11.14MPa(方位角為102°)，最小主應(yīng)力σ3為10.47MPa(方位角為327.4°)。而此處的采深僅為247m，因此伊犁一礦屬于高地應(yīng)力礦井。

3特厚煤層軟巖巷道變形特征

伊犁一礦馬頭門(mén)兩側(cè)巷道原有支護(hù)方式中采用MGφ22mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，錨固長(zhǎng)度1200mm，錨固力120kN，錨桿間距×排距為800mm×800mm。采用φ17.8mm×4400mm的錨索，間排距2400mm×3200mm。

根據(jù)伊犁一礦高應(yīng)力弱膠結(jié)軟巖巷道現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該類(lèi)軟巖巷道主要變形特征為：

(1)圍巖自穩(wěn)時(shí)間極短，來(lái)壓快。往往在開(kāi)挖過(guò)程中迎頭便有滑塌、冒落、片幫，如不及時(shí)支護(hù)可能導(dǎo)致大范圍冒頂。

(2)圍巖非線(xiàn)性大變形、速度快、流變性強(qiáng)。持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)30～60d，甚至0.5a。

(3)頂板容易形成“網(wǎng)兜”現(xiàn)象，其原因主要是煤體強(qiáng)度低、脆性大，再加上地應(yīng)力大，錨桿與錨桿之間的煤體容易破碎，錨桿易被各個(gè)擊破。

(4)存在底鼓現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，底板變形時(shí)間長(zhǎng)，但不至于因底鼓致整個(gè)巷道失穩(wěn)。

4特厚煤層軟巖巷道支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)伊犁一礦軟巖巷道物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和軟巖巷道變形特征，提出“強(qiáng)護(hù)表+錨網(wǎng)索+架棚”的控制特厚煤層軟巖巷道關(guān)鍵技術(shù)。

4.1　加強(qiáng)護(hù)“表”能力

由于3煤的強(qiáng)度低、性脆等特點(diǎn)使得單根錨桿極易失效，從目前φ8mm焊接的鋼筋網(wǎng)來(lái)看也難以保證巷道表面的完整性，這就需要極強(qiáng)的護(hù)“表”能力。針對(duì)這種情況必須采取多項(xiàng)措施并舉的方法，可以采用縮小錨桿間排距(布置五花錨桿)+鋼筋網(wǎng)+鋼帶的方法加強(qiáng)護(hù)表能力。

4.2　加強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)

對(duì)于一般巷道來(lái)說(shuō)，要求錨桿的長(zhǎng)度最少為巷道寬度的1/2，軟巖巷道錨桿的長(zhǎng)度要超過(guò)這個(gè)尺寸。伊犁一礦井底車(chē)場(chǎng)巷道寬度為5200m，原支護(hù)方案中采用MGφ22mm×2400mm的錨桿和φ17.8mm×4400mm的錨索，對(duì)于高應(yīng)力軟巖巷道來(lái)說(shuō)，錨桿和錨索的長(zhǎng)度是不夠的，因此建議增加錨桿和錨索的長(zhǎng)度；此外，礦方原來(lái)的錨桿預(yù)緊力矩僅為300N·m，從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，φ8mm鋼筋網(wǎng)不能完全接觸巷道表面，因此，建議將錨桿預(yù)緊力矩增大為400N·m

4.3　增加被動(dòng)支護(hù)

從目前3煤層7號(hào)聯(lián)絡(luò)巷以下的上山巷道變形來(lái)看，僅錨桿錨索的主動(dòng)支護(hù)已經(jīng)不能完全控制住高應(yīng)力軟巖巷道的變形，因此在副立井馬頭門(mén)兩側(cè)巷道架設(shè)36U型鋼，增加被動(dòng)支護(hù)。

4.4　二次支護(hù)原則

從地應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，伊犁一礦屬于高地應(yīng)力礦井，并且地應(yīng)力方向以水平方向?yàn)橹?。因此可以先采用錨網(wǎng)索支護(hù)，釋放一定壓力后再架設(shè)36U型棚和處理底鼓。

5特厚煤層軟巖巷道支護(hù)方案

從施工現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，巷道拱部圍巖比較破碎，因此對(duì)巷道拱部進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)伊犁一礦軟巖巷道支護(hù)理念，馬頭門(mén)東側(cè)巷道設(shè)計(jì)方案如下：

在迎頭采用MGφ22mm×3000mm的全螺紋錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，五花布置，五花錨桿和錨索在迎頭緊接施工，五花錨桿布置于巷道拱部，錨桿的間排距同樣為800mm×800mm，錨索材料為φ17.8mm，長(zhǎng)度8000mm，錨索每排布置3根，排距2400mm。采用厚度為10mm，寬度為150mm的平鋼帶，鋼帶僅布置于巷道拱部，兩幫完整性好，因此僅采用托盤(pán)。在錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)施工后進(jìn)行噴漿，噴漿厚度為150mm。U36型鋼滯后于迎頭30m進(jìn)行架設(shè)，排距800mm，3節(jié)式。在架設(shè)U36型鋼時(shí)，同時(shí)硬化底板。

錨桿采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用2支低黏度樹(shù)脂藥卷，規(guī)格分別為K2360，Z2360。鉆孔直徑為30mm。要求錨桿預(yù)緊力矩不低于400N·m。采用高強(qiáng)托板配合調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤(pán)規(guī)格為150mm×150mm×10mm。采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格80mm×80mm，采用φ8mm鋼筋焊接而成。

錨索采用1支K2360和2支Z2360低黏度樹(shù)脂藥卷錨固。錨索采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度拱型可調(diào)心托板及配套鎖具。要求錨索張拉后鎖定噸位不低于300kN。

特厚煤層軟巖巷道支護(hù)方案剖面圖和平面圖見(jiàn)圖2和圖3。

圖2　支護(hù)方案布置

圖3　支護(hù)方案布置平面

6特厚煤層軟巖巷道礦壓數(shù)據(jù)分析

測(cè)站布置于馬頭門(mén)東側(cè)巷道，該處巷道斷面設(shè)計(jì)凈寬5200mm，凈高4000mm，巷道支護(hù)方案見(jiàn)圖2和圖3。共設(shè)3個(gè)測(cè)站，測(cè)站1距副立井井筒中心35m，測(cè)站2距副立井井筒中心45m，測(cè)站3距副立井井筒中心55m。各測(cè)站主要觀測(cè)巷道表面位移收斂量，詳見(jiàn)圖4～圖6。

圖4　各測(cè)站巷道頂板下沉量

圖5　各測(cè)站巷道兩幫移近量

圖6　各測(cè)站巷道底鼓量

從圖4、圖5和圖6可知，在監(jiān)測(cè)期間，各測(cè)站頂板下沉量趨勢(shì)基本一致，都是在30d左右趨于穩(wěn)定，累計(jì)下沉量為120mm左右。各測(cè)站兩幫移近量在30d左右趨于穩(wěn)定，累計(jì)移近量為120～170mm，兩幫移近量明顯比頂板下沉量要大，其主要原因是高地應(yīng)力與巷道軸向近乎垂直所致。底鼓變形趨勢(shì)與兩幫和頂板的趨勢(shì)基本一致，同樣是在30d左右趨于穩(wěn)定，累計(jì)底鼓量為80～110mm，因此，伊犁一礦特厚煤層軟巖整體巷道趨于穩(wěn)定的時(shí)間為30d左右，兩幫變形量要大于頂板下沉量。

7結(jié)論

通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得出了以下結(jié)論：

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了伊犁一礦馬頭門(mén)[11]

兩側(cè)巷道圍巖失穩(wěn)的機(jī)制，指出原有支護(hù)系統(tǒng)護(hù)表和主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度低、地應(yīng)力大是導(dǎo)致巷道破壞和支護(hù)失效的主要原因。

(2)從加強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)兩方面綜合研究入手，提出了“強(qiáng)護(hù)表+錨網(wǎng)索+架棚”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

(3)兩幫、頂?shù)装迨諗苛考暗坠牧繑?shù)據(jù)表明，該支護(hù)方式能夠達(dá)到提高支護(hù)強(qiáng)度和維持圍巖穩(wěn)定的目的。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]