柳林礦區(qū)近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

文/李根威賀全智

柳林礦區(qū)近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

文/李根威賀全智

近距離煤層群下行開(kāi)采時(shí)上組煤的底板變?yōu)橄陆M煤的頂板，受上組煤采動(dòng)影響，下組煤圍巖節(jié)理裂隙擴(kuò)張，整體承載能力下降。下組煤巷道普遍存在支護(hù)困難，后期維護(hù)工作量大，成本高，安全效益差的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)針對(duì)下層煤開(kāi)采時(shí)巷道變形規(guī)律，從合理布置巷道和支護(hù)方面綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得良好的支護(hù)效果。柳林礦區(qū)上組煤在資源整合之前多數(shù)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)小礦，刀柱式開(kāi)采、以掘代采等非正常順序開(kāi)采上層煤，導(dǎo)致采空區(qū)和煤柱布置不規(guī)范。下組煤巷道布置很難避開(kāi)采空和煤柱應(yīng)力的影響，回采巷道在4#煤采空區(qū)和煤柱下方穿梭，先期采用錨網(wǎng)索支護(hù)，回采過(guò)程中斷面收縮嚴(yán)重，擴(kuò)巷工程量巨大，影響正常回采工作。后期不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，各礦互相借鑒，總結(jié)出一套可靠的支護(hù)方法。

一、地質(zhì)概況

柳林礦區(qū)位于屬鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段，礦區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，二疊系下統(tǒng)山西組是一套由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤層組成的陸相含煤建造，4、5號(hào)煤層為穩(wěn)定可采煤層，4#煤厚4.16～4.85m，5#煤厚2.97～4.19m，層間距2.85～3.93m，頂板以泥巖為主，局部賦存砂巖，煤層柱狀示意圖如下所示。

煤層柱狀圖

二、巷道支護(hù)技術(shù)

1.初期支護(hù)方案和實(shí)際支護(hù)效果

（1）5#煤回采巷道支護(hù)方案。柳林礦區(qū)26座礦井在初步設(shè)計(jì)時(shí)巷道支護(hù)基本采用直徑為20mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度為2.2～2.5m，間距800mm；兩幫錨桿直徑18～22mm，長(zhǎng)度為1.8～2m，間距為800～900mm，錨桿排距為800～900mm。每隔三排錨桿即2.7m安裝兩套直徑17.8mm，間距為2000mm，長(zhǎng)度不超過(guò)層間距的小孔徑預(yù)應(yīng)力（160KN)錨索加強(qiáng)支護(hù)，頂板及兩幫配套相應(yīng)尺寸的鋼筋梯子梁和鋼筋網(wǎng)片，防止局部冒落，提高巷道整體支護(hù)剛度。

（2）5#煤回采巷道實(shí)際支護(hù)效果及分析。依據(jù)對(duì)所選3座煤礦回采巷道變形情況的長(zhǎng)期觀察，巷道的變形量主要集中在兩個(gè)階段。

第一階段為巷道開(kāi)挖40～60天期間，變形主要發(fā)生在采空區(qū)下方巷道，兩幫下側(cè)開(kāi)始凸出，之后底鼓顯現(xiàn)，頂板偏向一側(cè)下沉，巷道兩幫平均移進(jìn)量260mm，頂?shù)装迤骄平?40mm；布置在殘留煤柱下方的巷道，本階段變形不明顯。

第二階段發(fā)生在回采期間，超前工作面70m范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，出現(xiàn)錨桿尾部斷裂，托盤(pán)壓突的現(xiàn)象，兩幫由局部鼓出發(fā)展到整個(gè)煤幫，兩幫平均移近量約1.5m，頂?shù)灼骄平?.4m；煤柱下方巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，超前支護(hù)段單體柱頂梁折損嚴(yán)重，插底深度超過(guò)0.6m。相鄰工作面巷道（30m保護(hù)煤柱）受側(cè)向支撐壓力影響也出現(xiàn)相同的變形規(guī)律。

結(jié)合礦山壓力理論，認(rèn)為巷道開(kāi)挖后，薄板在初期受錨桿支護(hù)的約束，能形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)；后期兩幫煤體擴(kuò)容外凸，頂部泥巖裂隙擴(kuò)展，薄板完整性遭到破壞，承載方式由兩端固支變成簡(jiǎn)支，巷道中部極易受拉破壞；殘留煤柱下方頂板裂隙貫穿整個(gè)泥巖薄板，在掘進(jìn)當(dāng)時(shí)就出現(xiàn)嚴(yán)重冒落，故第一階段顯現(xiàn)不明顯。第二階段，受超前支承應(yīng)力影響，巷道出現(xiàn)二次變形，煤體由于強(qiáng)度較低，鼓出嚴(yán)重；煤柱殘留區(qū)下方巷道受超前支承應(yīng)力和煤柱應(yīng)力疊加影響，兩幫煤體塑性區(qū)向圍巖深部發(fā)展，一旦達(dá)到峰值應(yīng)力，極易裂成塊狀，殘余支承能力顯著下降，兩幫大面積擠出，頂板下沉顯著。

2.架棚二次支護(hù)

柳林礦區(qū)采用大U型通風(fēng)系統(tǒng)，巷道掘進(jìn)采用雙巷掘進(jìn)，巷道掘成后服務(wù)時(shí)間在8個(gè)月以上，單一的錨網(wǎng)索支護(hù)只能在短期內(nèi)確保巷道圍巖穩(wěn)定，為確保巷道在整個(gè)服務(wù)期間安全可靠，采用錨網(wǎng)索+架棚復(fù)合支護(hù)技術(shù)。一次性完成錨網(wǎng)索和架棚支護(hù)是許多煤礦在先期的主要做法，后期發(fā)現(xiàn)巷道變形問(wèn)題仍不能從根本上得到解決，不論是采用矩形巷道還是拱形巷道，棚架的變形和損壞都相當(dāng)嚴(yán)重，往往需要二次刷巷支護(hù)。總結(jié)礦區(qū)架棚支護(hù)失敗經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)棚架支護(hù)阻力有限，關(guān)鍵是要提高圍巖自身承載能力，適時(shí)架棚給予破碎巖體充足的圍壓，發(fā)揮圍巖殘余支撐能力。

（1）兩幫補(bǔ)打錨索。在錨（索）網(wǎng)支護(hù)基礎(chǔ)上，兩幫加錨索固幫，減少兩幫施加給棚架的橫向推力，錨索錨固端以進(jìn)入兩幫煤體彈性段為宜。利用鉆孔窺視儀觀察兩幫鉆孔裂隙和變形情況，發(fā)現(xiàn)距離煤幫3.5m后鉆孔變形和裂隙變化不明顯（回采前），根據(jù)現(xiàn)有的施工技術(shù)，兩幫采用長(zhǎng)度5.8m，直徑17.8mm錨索，錨固長(zhǎng)度大于1.8m，預(yù)緊力不得低于160KN。

（2）薄板泥巖結(jié)構(gòu)尚未破壞區(qū)域，第一階段巷道圍巖變形穩(wěn)定后架棚支護(hù)。架棚過(guò)早，第一階段圍巖變形容易壓彎棚架，扭曲的棚架支護(hù)阻力顯著下降，失去對(duì)圍巖的抵抗能力，架棚過(guò)晚，頂板泥巖破壞后冒落范圍擴(kuò)大，架棚背板工程量增加，棚架與圍巖之間受力不均。

（3）薄板泥巖結(jié)構(gòu)破壞區(qū)域，掘進(jìn)期間頂板容易冒落，錨（索）網(wǎng)支護(hù)后，要及時(shí)架棚支護(hù)，背板嚴(yán)實(shí)。架棚支護(hù)的關(guān)鍵在于保證棚架結(jié)構(gòu)恒定的支護(hù)阻力和良好的變形讓壓性能，既要求棚架能發(fā)揮最大的支撐作用，也要求在壓力較大的情況下棚架能夠讓壓，防止折損，保持對(duì)破碎圍巖恒定的抵抗力。

（4）拱形巷道采用U型鋼可升縮支架，棚腿打孔插入錨桿緊固，架間鋼筋連鎖，提高整體剛度。U型鋼排距以與錨桿排距相同為宜，棚架型號(hào)不得低于29#，卡纜緊固有力，阻力不得低于140KN。矩形巷道采用單體柱+一字鉸接頂梁支護(hù)，單體柱直徑不得低于100mm，壓力較大時(shí)，需及時(shí)補(bǔ)打點(diǎn)柱，防止頂梁損壞。

（5）相鄰巷道受側(cè)向支承壓力的影響，容易壓彎棚架，回采期間距離回采工作后方120m范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

（6）拱形斷面在掘進(jìn)時(shí)需要切割一定厚度的頂板泥巖，在頂板較薄的前提下，再次切割容易降低頂板承載能力；拱肩兩處的煤體自穩(wěn)能力差，容易片落，不利于錨桿支護(hù)，架棚時(shí)背板工作量大；回采期間拱形巷道超前支護(hù)困難，坑木損耗較大，建議使用矩形巷道，錨（索）網(wǎng)一次支護(hù)，單體柱抬棚二次支護(hù)，具有成型良好、后期拆除快捷、勞動(dòng)消耗小、重復(fù)利用高的優(yōu)點(diǎn)。

三、結(jié)論

柳林礦區(qū)特殊的薄板泥巖結(jié)構(gòu)，在經(jīng)受4#煤采動(dòng)應(yīng)力以及殘留煤柱集中應(yīng)力影響下，下組5#煤巷道穩(wěn)定性較差，巷道變形的階段性決定巷道支護(hù)宜采用復(fù)合分段支護(hù)，錨網(wǎng)索為基礎(chǔ)支護(hù)，煤幫補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)，架棚二次支護(hù)，棚架結(jié)構(gòu)可靠的支撐阻力和讓壓性是確保巷道二次變形時(shí)穩(wěn)定的關(guān)鍵。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，采用分段支護(hù)后，礦區(qū)內(nèi)回采巷道大面積破壞的現(xiàn)象基本消失，分段式雙重支護(hù)既經(jīng)濟(jì)又安全，值得推廣。

（作者單位：呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系)

（責(zé)任編輯：周瓊）