楊朝霞， 趙明霞

(1.陽泉煤業(yè)集團(tuán)二礦，山西 陽泉 045400；2.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045400)

強(qiáng)烈動(dòng)壓托頂煤巷道支護(hù)技術(shù)研究

楊朝霞1， 趙明霞2*

(1.陽泉煤業(yè)集團(tuán)二礦，山西 陽泉 045400；2.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045400)

陽煤二礦15號(hào)煤強(qiáng)烈動(dòng)壓托頂煤巷道支護(hù)難度大，針對陽煤二礦81007回風(fēng)巷圍巖工程環(huán)境特征，分析了巷道變形破壞因素，確定了煤柱合理尺寸20 m，提出了采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)控制巷道變形，確定了具體支護(hù)方案和參數(shù)，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，文中提出的設(shè)計(jì)方案能夠有效地保證工作面正?；夭桑瑵M足生產(chǎn)需求。

動(dòng)壓；托頂煤；地應(yīng)力；高預(yù)應(yīng)力；工業(yè)性試驗(yàn)

陽煤二礦15#煤層托頂煤動(dòng)壓回采巷道一般采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，頂板采用全錨索支護(hù)，錨索為直徑21.6 mm低松弛鋼絞線錨索，長度一般為8.3 m或6.3 m，配套波紋鋼帶使用，動(dòng)壓巷道兩幫多采用錨索配錨桿使用，幫錨索長4.5m，兩幫錨桿為圓鋼錨桿，錨桿直徑20 mm，鋼號(hào)335號(hào)，錨桿預(yù)緊扭矩120 Nm，頂錨索預(yù)緊力一般為200 kN～250 kN，幫錨索預(yù)緊力一般為150 kN～200 kN。對于托頂煤強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道，國內(nèi)外學(xué)者針對該類條件下巷道支護(hù)進(jìn)行了不少研究，取得了一些成果[1-2]，結(jié)合相關(guān)研究成果，陽煤礦區(qū)進(jìn)行了長期的巷道支護(hù)實(shí)踐，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 圍巖工程特點(diǎn)

陽煤二礦81007回風(fēng)巷埋深600 m，北鄰81006工作面采空區(qū)，東鄰80702、80704工作面采空區(qū)，西為十采準(zhǔn)備巷道，南為81008工作面未回采，81006工作面采空區(qū)與81007回風(fēng)巷相鄰，區(qū)間保護(hù)煤柱20 m，沿15#煤層底板掘進(jìn)，15#煤層位于石灰系上統(tǒng)太原組，煤層厚度平均約6.8 m，煤層傾角1°～8°，平均4°。15#煤為灰黑至黑灰色，夾有少量粒狀煤，煤層節(jié)理發(fā)育，頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，偽頂以泥巖為主，底板以泥巖和細(xì)粒砂巖為主。81007工作面煤層頂?shù)装鍑鷰r情況如表1所示。地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，該巷附近最大水平主應(yīng)力15.80 MPa，最小水平主應(yīng)力8.20 MPa，垂直應(yīng)力10.83 MPa，15#煤頂板主要由泥巖和泥質(zhì)砂巖組成，泥巖巖層呈深黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，巖層強(qiáng)度平均值為32.21 MPa。泥質(zhì)砂巖2.3 m處有明顯的橫向裂隙，4.2 m處裂隙比較發(fā)育，4.2 m～7.2 m巖層相對完整，巖層平均強(qiáng)度為42.90 MPa。8.0 m～10.0 m處為細(xì)砂巖，巖層呈深灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層平均強(qiáng)度為60.46 MPa。15#煤層頂板10 m范圍內(nèi)與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體巖性主要為泥質(zhì)砂巖、石灰?guī)r和砂泥巖。15#巷幫煤體強(qiáng)度淺部普遍存在松散破碎現(xiàn)象，所測區(qū)域15#煤體強(qiáng)度平均值為14.39 MPa。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 巷道變形破壞因素分析

1) 多重采動(dòng)影響。試驗(yàn)巷道最大埋深近600 m，地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，最大水平應(yīng)力為15.8 MPa，原巖應(yīng)力水平高。受三重采掘動(dòng)壓影響，一是受相鄰工作面采動(dòng)影響，造成側(cè)向支承應(yīng)力高度集中，二是受附近新內(nèi)錯(cuò)巷道的影響，三是靠近切眼附近受對面工作面采空去未穩(wěn)定采動(dòng)影響，三重強(qiáng)烈動(dòng)壓影響下，81007回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力高度集中，巷道維護(hù)難度極高。

2) 托頂煤與強(qiáng)烈“煤炮”。由于巷道處在高應(yīng)力集中區(qū)域，掘進(jìn)期間，巷道頂板“煤炮”頻繁，強(qiáng)烈動(dòng)載對巷道煤巖體的完整性破壞較大，巷道托頂煤布置，強(qiáng)烈動(dòng)載破壞頂煤結(jié)構(gòu)，從產(chǎn)生裂隙到逐漸擴(kuò)大最終導(dǎo)致煤體破碎，大幅度減弱錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)作用。破壞支護(hù)體系。

3) 煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。受相鄰采動(dòng)影響，兩幫煤體結(jié)構(gòu)完整性破壞嚴(yán)重，兩幫窺視結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，煤柱側(cè)幫煤體結(jié)構(gòu)破壞深度超過4.5 m，且破碎帶多，節(jié)理、裂隙發(fā)育，嚴(yán)重降低兩幫支護(hù)強(qiáng)度，大幅度減弱錨桿錨索錨固性能。

3 煤柱尺寸分析

81007回風(fēng)巷圍巖受力狀態(tài)十分復(fù)雜，采用數(shù)值模擬軟件，模擬10、15、20、25 m煤柱尺寸條件下巷道圍巖應(yīng)力分布與變形破壞特征。本文以煤柱20 m下巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布圖與不同煤柱尺寸下垂直應(yīng)力峰值變化規(guī)律進(jìn)行說明，如圖1和圖2所示。

圖1 20 m煤柱下圍巖應(yīng)力分布

圖2 不同煤柱條件下兩幫垂直應(yīng)力峰值

不同煤柱尺寸下81007回風(fēng)巷煤柱應(yīng)力、頂板下沉量、圍巖塑性變形和破壞可知，煤柱尺寸從10 m增加到20 m，兩幫垂直應(yīng)力峰值、頂板下沉量也顯著降低，圍巖塑性變形范圍逐漸縮小，再增加煤柱尺寸后，變化幅度不明顯。綜合多種因素，選擇臨近81006工作面采空區(qū)與81007回風(fēng)巷煤柱尺寸為20 m。

4 支護(hù)方案

81007回風(fēng)巷沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，設(shè)計(jì)煤柱寬度20 m，凈斷面寬4 400 mm，高3 000 mm，凈斷面面積13.2 m2，掘進(jìn)斷面寬4 700 mm，掘進(jìn)高度3 200 mm，掘進(jìn)斷面面積15.04 m2。依據(jù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論[3]，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)控制技術(shù)。具體支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 81007回風(fēng)巷錨桿、錨索支護(hù)布置圖

1) 頂板支護(hù)方案

錨桿桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)為335號(hào)，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，頂板護(hù)表采用W鋼護(hù)板和鋼筋托梁，W鋼護(hù)板寬280 mm，長460 mm，厚度不低于4 mm，肋高不低于25 mm。鋼筋托梁采用直徑14 mm鋼筋焊接，兩端頭雙筋焊接，鋼筋托梁長4.4 m，寬0.21 m，頂板錨桿排距0.9 m，間距0.85 m。錨索材料為Φ21.6 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度6.2 m和8.2 m，每排錨桿打設(shè)3根錨索。

2) 兩幫支護(hù)方案

兩幫錨桿規(guī)格同頂錨桿，護(hù)表采用單獨(dú)W鋼護(hù)板，W鋼護(hù)板同頂板，兩幫采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索形式和規(guī)格：錨索材料為Φ21.6 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4.5 m，煤柱側(cè)幫錨索布置：每2排錨桿打設(shè)3根錨索，錨索間距為1 400 mm，上部錨索距離頂板為1.2 m，實(shí)體煤側(cè)幫錨索布置：每排錨桿打設(shè)1根錨索,排距0.9 m。頂板錨索初始張拉不低于300 kN，預(yù)緊力損失后不低于240 kN，幫錨索初始張拉不低于200 kN，預(yù)緊力損失后不低于140 kN，錨桿預(yù)緊扭矩≥400 Nm，禁止超過550 Nm。在巷道服務(wù)期間，根據(jù)不同地段巷道變形情況進(jìn)行了方案調(diào)整。

5 井下工業(yè)性試驗(yàn)

為了分析81007回風(fēng)巷的變形規(guī)律，共計(jì)布置2個(gè)綜合礦壓監(jiān)測測站。在巷道服務(wù)過程整體變形強(qiáng)烈，需要進(jìn)行頂板補(bǔ)強(qiáng)，設(shè)計(jì)巷道超前支護(hù)段超過300 m，超前支護(hù)主要采用打設(shè)四排單體支柱進(jìn)行支護(hù)?？傮w而言，礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，頂板“煤炮”頻繁，巷道穩(wěn)定時(shí)間較長，錨桿錨索受力大，其中，頂板錨索受力最大接近510 kN，兩幫錨索受力最大302 kN；巷道整體變形量大，兩幫最大變形量約1.1 m，巷道底板明顯巷道最大底鼓量約1.5 m，頂板最大下沉量約500 mm，需要進(jìn)行多次拉底。總體而言，巷道變形量降低，經(jīng)過簡單拉底后滿足了工作回采要求。

6 結(jié)論

本文通過對強(qiáng)烈動(dòng)壓托頂煤巷道81007回風(fēng)巷支護(hù)技術(shù)研究，得出以下結(jié)論：

1) 陽煤二礦15#強(qiáng)烈動(dòng)壓托頂煤掘巷屬于復(fù)雜困難巷道，分析了該類巷道變形破壞因素，認(rèn)為巷道變形破壞是受多重動(dòng)壓影響、托頂煤、強(qiáng)烈“煤炮”、煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重綜合因素造成，巷道維護(hù)難度高。

2) 數(shù)值模擬研究確定了煤柱合理尺寸為20 m，基于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論，針對試驗(yàn)巷道具體地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索控系統(tǒng)，并確定了試驗(yàn)巷道具體控制方案和參數(shù)。

3) 井下強(qiáng)烈動(dòng)壓托頂煤巷道試驗(yàn)表明，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)后，巷道圍巖變形得到整體控制，巷道變形量滿足工作面正產(chǎn)回采需求。

[1] 康紅普,王金華.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.

[2] 柏建彪.沿空掘巷圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[3] 康紅普,王金華,林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(12):1233-1238.

Study on supporting technology of strong dynamic pressure top coal roadway

YANG Zhaoxia1, ZHAO Mingxia2*

(1.Second Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045400, China; 2.Shanxi Instuite of Technology, Yangquan Shanxi 045400, China)

It is difficult to support No.15 coal mine strong dynamic pressure top coal roadway in second coal mine of Yangquan Coal Industry. As to the environmental characteristics of surrounding rock engineering in 81007 air return roadway, the factors of roadway deformation was analyzed, and the reasonable size of the coal pillar was 20 m. The high prestress and intensive supporting system of was proposed to control roadway deformation. The specific supporting scheme and parameters were determined, and industrial test was carried out. The test results show that the proposed design scheme can effectively ensure the normal mining in working face and meet production needs.

dynamic pressure; top coal; crustal stress; high prestress; industrial test

2017-06-16

楊朝霞，男，1979年出生，2012年畢業(yè)于山西大同大學(xué)，本科，工程師。研究方向：掘進(jìn)巷道支護(hù)工藝。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.40

TD353

A

1004-7050(2017)04-0115-03

*通訊作者：趙明霞，山西工程技術(shù)學(xué)院采礦系，博士學(xué)位。

煤礦工程