特厚煤層軟巖巷道支護技術研究

特厚煤層軟巖巷道支護技術研究

劉進曉1,2，景繼東2，趙國會1，尚玉強2，劉偉韜1

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制教育部重點實驗室，山東 青島 266590；

2.新汶礦業集團(伊犁)能源開發有限責任公司，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底板強度低、膠結性差、易崩解、遇水易軟化的工程實況，分析了伊犁一礦馬頭門兩側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機制，指出原有支護系統護表和主動支護強度低、地應力大是導致巷道破壞和支護失效的主要原因。提出了副立井馬頭門兩側巷道采用“強護表+錨網索+架棚”聯合支護技術方案?，F場監測結果表明：該支護技術基本能夠避免軟巖巷道的多次翻修，實現支護一次到位。

[關鍵詞]特厚煤層；軟巖；聯合支護；副立井；馬頭門

[中圖分類號]TD353[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-06-27

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

[基金項目]山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金資助項目(BS2011SF016)

[作者簡介]劉進曉(1977-)，男，山東青島人，博士，主要從事軟巖支護及充填開采等方面的研究與教學工作。

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]劉進曉，景繼東，趙國會，等.特厚煤層軟巖巷道支護技術研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：68-70，11.

隨著煤炭資源開采，東部煤炭資源越來越少，伴隨著西北部大開發戰略的實施，西部煤炭資源的開采被提上日程。由于西北部地區地質條件不同于東部地區，在煤炭開采中經常遇到強度低、膠結差、易風化、遇水崩解的軟巖。導致巷道支護采用傳統施工方法不能有效維持長期穩定，嚴重威脅礦井的生產進度和安全[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，行政區劃隸屬新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣瓊博拉鄉管轄。

伊犁一礦副立井位于新疆維吾爾自治區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23km，南北寬10km，面積約207.91km2。采用主井、斜井混合開拓方式，設2個工業廣場，北工業廣場設主、副井2個井筒，其中副立井井口設計標高為+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，主要擔負全礦井人員、材料、設備升降及矸石提升，并兼作主進風井。井田內主要可采煤層為3煤層和5煤層，平均厚度分別為12.42m和19.21m，設計生產能力10Mt/a。

2013年10月底副立井施工至馬頭門，并逐步開掘馬頭門東側的巷道。由于煤層頂底板砂巖含水，因此將馬頭門布置于3煤層中，此處煤層埋深650m。副立井馬頭門位于3煤層底部，該處3煤層厚度為18.5m，馬頭門與煤層之間的位置關系見圖1所示。

圖1　馬頭門與煤層的位置關系

2巷道圍巖特性及地應力分析

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

經試驗測定伊犁一礦3煤上山頂板泥巖波速為2.164km/s，抗拉強度0.69MPa，單軸抗壓強度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99.63%；泥巖的天然密度2.19g/cm3。3煤層波速為1.733km/s，抗拉強度0.21MPa，單軸抗壓強度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煤層及其頂底板為低強度、膠結差、易崩解、遇水軟化的軟巖。

由伊犁一礦3煤輔助上山1號聯絡巷往北40m位置(海拔+946m，采深247m)的原始地應力測試結果可知，此處的最大水平應力σ1為16.68MPa(方位角190.1°)，中間主應力σ2為11.14MPa(方位角為102°)，最小主應力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力礦井。

3特厚煤層軟巖巷道變形特征

伊犁一礦馬頭門兩側巷道原有支護方式中采用MGφ22mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，錨固長度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。

根據伊犁一礦高應力弱膠結軟巖巷道現場觀測數據分析，發現該類軟巖巷道主要變形特征為：

(1)圍巖自穩時間極短，來壓快。往往在開挖過程中迎頭便有滑塌、冒落、片幫，如不及時支護可能導致大范圍冒頂。

(2)圍巖非線性大變形、速度快、流變性強。持續時間長，可達30～60d，甚至0.5a。

(3)頂板容易形成“網兜”現象，其原因主要是煤體強度低、脆性大，再加上地應力大，錨桿與錨桿之間的煤體容易破碎，錨桿易被各個擊破。

(4)存在底鼓現象?，F場測試表明，底板變形時間長，但不至于因底鼓致整個巷道失穩。

4特厚煤層軟巖巷道支護關鍵技術

根據伊犁一礦軟巖巷道物理力學試驗結果和軟巖巷道變形特征，提出“強護表+錨網索+架棚”的控制特厚煤層軟巖巷道關鍵技術。

4.1　加強護“表”能力

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

4.2　加強主動支護

對于一般巷道來說，要求錨桿的長度最少為巷道寬度的1/2，軟巖巷道錨桿的長度要超過這個尺寸。伊犁一礦井底車場巷道寬度為5200m，原支護方案中采用MGφ22mm×2400mm的錨桿和φ17.8mm×4400mm的錨索，對于高應力軟巖巷道來說，錨桿和錨索的長度是不夠的，因此建議增加錨桿和錨索的長度；此外，礦方原來的錨桿預緊力矩僅為300N·m，從現場來看，φ8mm鋼筋網不能完全接觸巷道表面，因此，建議將錨桿預緊力矩增大為400N·m

4.3　增加被動支護

從目前3煤層7號聯絡巷以下的上山巷道變形來看，僅錨桿錨索的主動支護已經不能完全控制住高應力軟巖巷道的變形，因此在副立井馬頭門兩側巷道架設36U型鋼，增加被動支護。

4.4　二次支護原則

從地應力觀測結果來看，伊犁一礦屬于高地應力礦井，并且地應力方向以水平方向為主。因此可以先采用錨網索支護，釋放一定壓力后再架設36U型棚和處理底鼓。

5特厚煤層軟巖巷道支護方案

從施工現場來看，巷道拱部圍巖比較破碎，因此對巷道拱部進行了加強支護。根據伊犁一礦軟巖巷道支護理念，馬頭門東側巷道設計方案如下：

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。在錨網索聯合支護施工后進行噴漿，噴漿厚度為150mm。U36型鋼滯后于迎頭30m進行架設，排距800mm，3節式。在架設U36型鋼時，同時硬化底板。

錨桿采用樹脂加長錨固，采用2支低黏度樹脂藥卷，規格分別為K2360，Z2360。鉆孔直徑為30mm。要求錨桿預緊力矩不低于400N·m。采用高強托板配合調心球墊和尼龍墊圈，托盤規格為150mm×150mm×10mm。采用鋼筋網護頂，網孔規格80mm×80mm，采用φ8mm鋼筋焊接而成。

錨索采用1支K2360和2支Z2360低黏度樹脂藥卷錨固。錨索采用300mm×300mm×16mm高強度拱型可調心托板及配套鎖具。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方案剖面圖和平面圖見圖2和圖3。

圖2　支護方案布置

圖3　支護方案布置平面

6特厚煤層軟巖巷道礦壓數據分析

測站布置于馬頭門東側巷道，該處巷道斷面設計凈寬5200mm，凈高4000mm，巷道支護方案見圖2和圖3。共設3個測站，測站1距副立井井筒中心35m，測站2距副立井井筒中心45m，測站3距副立井井筒中心55m。各測站主要觀測巷道表面位移收斂量，詳見圖4～圖6。

圖4　各測站巷道頂板下沉量

圖5　各測站巷道兩幫移近量

圖6　各測站巷道底鼓量

從圖4、圖5和圖6可知，在監測期間，各測站頂板下沉量趨勢基本一致，都是在30d左右趨于穩定，累計下沉量為120mm左右。各測站兩幫移近量在30d左右趨于穩定，累計移近量為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力與巷道軸向近乎垂直所致。底鼓變形趨勢與兩幫和頂板的趨勢基本一致，同樣是在30d左右趨于穩定，累計底鼓量為80～110mm，因此，伊犁一礦特厚煤層軟巖整體巷道趨于穩定的時間為30d左右，兩幫變形量要大于頂板下沉量。

7結論

通過理論分析和現場觀測，得出了以下結論：

(1)通過現場實測，分析了伊犁一礦馬頭門[11]

兩側巷道圍巖失穩的機制，指出原有支護系統護表和主動支護強度低、地應力大是導致巷道破壞和支護失效的主要原因。

(2)從加強主動支護和被動支護兩方面綜合研究入手，提出了“強護表+錨網索+架棚”的聯合支護技術。

(3)兩幫、頂底板收斂量及底鼓量數據表明，該支護方式能夠達到提高支護強度和維持圍巖穩定的目的。

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[責任編輯：姜鵬飛]