深部大斷面“三軟”煤巷支護技術研究

王廣林/烏魯木齊環鵬有限公司礦業分公司

?

深部大斷面“三軟”煤巷支護技術研究

王廣林/烏魯木齊環鵬有限公司礦業分公司

【摘 要】針對四井田煤礦03工作面大斷面煤巷條件，分析了“三軟”煤層厚度與強度、煤層傾角對煤巷圍巖穩定性的影響，認為減弱沖擊礦壓強度、頻率與減小巷道自穩隱形拱內圍巖變形是控制巷道穩定性的關鍵，提出了“三軟”煤巷穩定性控制的綜合治理對策。現場實踐表明，上述方法有效控制了巷道的變形，成功地解決了大斷面“三軟”煤巷的支護問題，具有廣闊的推廣應用前景。

【關鍵詞】大斷面煤巷；三軟；綜合治理

引言

四井田煤礦煤層特厚，為“三軟”煤層，綜放面回采巷道沿底掘進，受高地應力和沖擊礦壓沖擊波復合作用的影響，巷道變形量大，失修嚴重，維護困難，因此，有必要對巷道變形失穩的原因進行分析，制定合理的支護對策，以有效控制巷道變形，保證生產安全。

1.工程概況

03綜放工作面開采4#煤層，工作面為“三軟”煤層，煤塵爆炸指數為47.2%，煤層易自燃，發火期一般為三至六個月，最短為7d，煤層平均傾角為30°，厚度5.20－18.49平均18m，煤層直接頂板為粉砂巖，厚度11.74m，老頂以粉砂巖為主，具有透水性，煤層綜合柱狀圖見圖1。

考慮通風和巷道后期收斂等影響，巷道采用凈斷面6.5m2的拱型斷面，砌碹料石支護。 由于開采深度大，EA03下巷掘進施工中沖擊地壓發生的頻率和危害程度大幅提高，巷道變形嚴重，頂板下沉量一般在10～15 mm/d，最大下沉量為25 mm/d。底鼓量為7～17 mm/d。整條巷道前掘后修，施工進度慢，人力、材料浪費嚴重，安全生產條件惡化。

圖1　煤層綜合柱狀圖

2.煤巷穩定性的影響因素分析

（1）煤層厚度與強度。煤層厚度大，強度低，底板巷道自穩隱形拱高度大。巷道開掘后，頂板出現片幫冒頂現象，這種冒落一般情況下不會是無限的，最終必然達到相對平衡狀態，這種現象稱之為巷道的自穩現象，對巷道的支護就是對巷道在達到相對穩定平衡過程中自穩隱形拱內出現片幫冒頂的維護，保證在這一過程中只產生變形而不出現片幫冒落[1,2]。巷道自穩隱形拱的極限高度可用公式(1)求得，根據03工作面條件，煤層頂板抗拉強度σ2為1.41MPa；巷道頂部垂直地壓為8.93MPa；煤層松泊比為0.272，巷道斷面最大寬度為3.5m，凈高度hw為2.7m，取x=0，得ylid=6.2 m，極限自穩隱形拱距巷道頂板的最大深度6.2-1.7 = 4.5 m。

如圖2所示，巷道的極限自穩隱形拱高度已超過巷道頂板4.5m，極限隱形拱的與人工開挖承載拱的高度差達到5m以上，也就是說錨桿采用加長的辦法不能解決錨桿失效和頂板整體下沉問題。

圖2　03綜放面運輸巷自穩隱形拱示意圖

（2）煤層傾角。傾角大，厚度大，水平分力較大，導致拱形支架失穩嚴重。如圖3所示，上覆巖層對支架的作用力F，可分解為沿鉛垂方向的力F1=Fcosα和沿水平方向的力F2=Fsinα，F1使拱形支架下沉，而F2使拱形支架受剪切破壞，支架有向巷道上幫偏移的趨勢，煤層傾角越大，F1越大，巷道變形破壞越大，支架向巷道上幫偏移量越多。

圖3　拱形支架變形破壞素描圖

3.煤巷圍巖穩定性綜合控制技術

在全面分析大斷面“三軟”型煤巷掘進和回采的實際情況，經過理論計算、支架、錨桿受力方向和變形分析，認為采用深孔爆破卸壓與錨索—架—梁—噴的綜合控制技術，可有效減小巷道變形破壞。

（1）采用深孔卸壓爆破技術。目前常用的措施有兩種，一是動壓注水；二是深孔卸壓爆破。動壓注水是利用高壓水將煤體壓碎，在巷道周圍煤巖體上形成一個弱化帶，從而吸收沖擊能量。由于注水的壓強較大，濕潤半徑在10m 左右（即注水形成的弱化范圍），其副作用就是煤體被壓碎濕潤后，錨桿的錨固力會大幅度下降，特別是隨時間的增加，錨桿失效會加劇，有可能是錨網完全喪失應有的支護能力。深孔卸壓爆破技術是在巷道表面以里8～10 m之間，人為制造寬度2 ～3 m 的弱化帶，在巷道表面以里形成一個8m寬的內強圈，利用錨網支護形成一個自然承載拱。上述兩種方法在采用深孔爆破卸壓措施，以利于大斷面煤巷維護。

（2）采用錨索補強支護，進一步控制巷道圍巖變形量。根據利用自然隱形拱理論計算結果和巷道巷拱形支架模擬變形受力分析，單純依靠增加錨桿長度已不能滿足支護的需要，較為合理的方法是采用錨索補強支護的方式。錨索的參數選擇應根據巷道極限自穩隱形拱距巷道頂部的距離為7.5 m來確定，原則上錨索必須打入到極限自穩隱形拱以外超過2 m ，外露長度加上錨索梁的厚度為0.5m ，錨索的計算長度為14m-16，取16m。頂部一排布置3根錨索，間、排距選1.2m×2.4m。錨索鉆孔?28mm，配CK2370四節樹脂錨固劑，錨索采用 ? 15.24×16 m 鋼絞線，錨索方向上偏10°～15°，排距2.4m為宜。

（3）布置工字鋼橫梁，增加拱形支架的抗剪能力。為提高煤巷巷道支護設計的36U拱形支架的抗側壓能力，在保證支架柱腿具有5°以上的扎角和200～300mm的讓壓距離以外，還應在原支架拱形梁搭接口處安裝用11 #）礦工鋼制作的橫（撐）梁，有效控制拱形支架受側壓引起的變形破壞。如圖4所示，礦工鋼制作的橫（撐）梁下平面到巷道底板高度為2.7m。

圖4　抗側壓型36U拱形支架制作裝配圖

（4）巷道圍巖噴漿封閉。為阻止巷道圍巖（錨固煤層）離層碎漲，延長巷道使用壽命，在錨索安裝施工完成后的一個月之內，采用灰砂比為1∶2.5的水泥砂漿對巷道及時噴漿封閉，噴漿厚度不小于150 mm。

4.結論

（1）隨著煤炭開采強度的增大，礦井開采深度快速增加，巷道維護的難度增大，研究深部大斷面沖擊型煤巷圍巖穩定性的主要影響因素，提出了綜合的治理方案，對“三軟”型煤巷治理具有重要意義。

（2）采深大、地應力高，煤層厚、強度低，煤層傾角大與錨桿未能有效控制松動圍巖變形是導致大斷面沖擊型煤巷圍巖變形破壞的主要原因。

參考文獻：

[1]惠興田，韋正范，蘇培莉.自穩隱形拱的研究與應用[J].礦業研究與開發，2006，33(6)：38～40.

[2]鄧坤，惠興田，韋正范.基于自穩隱形拱原理的錨桿支護設計[J].中國礦業，2007，16(2)：57～62.