鄭州礦區(qū)“三軟”煤層錨網(wǎng)支護技術(shù)研究與應(yīng)用

付建華，王登科，王建偉，魏 強，曾凡超

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

目前鄭州礦區(qū)開采主要集中在新鄭煤田、新密煤田和登封煤田，開采煤層為二1煤。礦區(qū)內(nèi)煤層煤體硬度系數(shù)處于0.08～0.3之間，煤層起伏大，煤層厚度從0到37m不等，煤層頂?shù)装宥酁閺姸容^低的泥巖類軟巖，屬典型的“三軟”不穩(wěn)定煤層[1，2]。

以往鄭州礦區(qū)煤巷支護采用29U和36U型鋼支護，并使用礦用工字鋼沿巷道走向進行連鎖，以提高支護的整體性，但在構(gòu)造和采動應(yīng)力疊加作用下，傳統(tǒng)的型鋼支護難以有效控制回采巷道的強烈變形，巷道需要反復(fù)擴修，才能滿足使用要求。礦井普遍面臨型鋼投入量大、復(fù)用率低和工作面端頭替棚擴修制約礦井高產(chǎn)高效等技術(shù)問題，因此亟需探索一條能夠有效解決“三軟”不穩(wěn)定煤層煤巷圍巖控制難題的途徑。

國內(nèi)學(xué)者針對“三軟”煤巷支護問題開展了研究工作：康紅普[3]研究了煤巷錨網(wǎng)支護成套技術(shù)；張農(nóng)[4]提出煤巷高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)；尹光志等[5]探討了軟巖巷道的最佳支護時間；荊升國等[6]闡述了滑動構(gòu)造區(qū)煤巷的變形破壞機制；郭濤等[7]研究了平均厚度3.88m的“三軟”煤層錨網(wǎng)支護技術(shù)；付建華等[8]研究了“三軟”煤層窄煤柱沿空掘巷錨網(wǎng)支護技術(shù)；周煒光等[9]研究了富水條件下“三軟”煤層錨網(wǎng)參數(shù)；孫志海等[10]研究了趙家寨“三軟”煤層沿空掘巷技術(shù)；李琰慶等[11]通過研究淮南礦區(qū)煤巷支護難題，提出強化表面支護協(xié)調(diào)變形、補強短板形成支護整體的煤巷支護方法，取得了大量的研究成果。國內(nèi)許多礦區(qū)已經(jīng)廣泛普及煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)，但鄭州礦區(qū)特厚煤層托頂煤煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)難題始終沒有得到徹底解決，限制了該技術(shù)在鄭州礦區(qū)的推廣應(yīng)用，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)煤巷一直沿用U型鋼和工字鋼支護。

1 “三軟”煤層賦存特征及成因分析

1.1 煤層賦存特征

1.1.1 “三軟”煤層

鄭州礦區(qū)主采二1煤層呈粉末狀，層理十分紊亂，煤的原生塊狀結(jié)構(gòu)被完全破壞，說明二1煤層曾經(jīng)受到過強烈的擠壓和搓揉作用，導(dǎo)致與正常原始煤層相比，礦區(qū)二1煤的光澤變暗，硬度變小。

二1煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂多為砂質(zhì)泥巖，巷道頂板極不穩(wěn)定，巷道開完出來之后，如不及時支護，巷道頂板會自然跨落，自穩(wěn)時間非常短。二1煤層底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，該類軟巖遇水泥化膨脹，容易造成巷道底鼓。

1.1.2 煤厚變化大

鄭州礦區(qū)生產(chǎn)礦井中煤層頂?shù)装宄尸F(xiàn)單一隆凹、分別隆凹或同時隆凹等幾種變形現(xiàn)象，局部區(qū)域煤層時有時無，呈雞窩狀。薄煤區(qū)與厚煤區(qū)接觸帶以突變?yōu)橹鳎幢t不可采的無煤(薄煤)區(qū)突變?yōu)檫_平均煤厚的3倍以上的厚煤區(qū)(15m以上)，無煤帶邊緣極不規(guī)則，呈港灣狀。

1.2 成因分析

鄭州礦區(qū)所采煤層隸屬于豫西煤層，豫西地處華北盆地西南邊緣，煤層經(jīng)歷了印支、燕山、喜馬拉雅等一系列構(gòu)造運動，構(gòu)造形成過程中地層表面受到剪切平移運動，使地殼深處產(chǎn)生多個滑動面。在眾多地層中二1煤層具有一定厚度，相對松軟和光滑，是最容易發(fā)生滑動的層位，因此成為滑動構(gòu)造形成的首選層位[12]。

歷次大型構(gòu)造運動均沿二1煤層相對滑動，致使地層強烈變形產(chǎn)生斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造過程中，二1煤層發(fā)生強烈的塑性流動變形，將原生塊狀煤層破壞成鱗片狀、碎粒狀和糜棱狀的構(gòu)造軟煤，煤層厚度也發(fā)生巨大變化。同時，滑動構(gòu)造運動造成煤層頂?shù)装逡彩艿綇娏移茐?，巷道頂?shù)装宀粌H強度低而且破裂、不完整，給礦井巷道支護帶來了極大的困難。

2 三軟煤巷支護對策研究

2.1 失穩(wěn)因素分析

結(jié)合鄭州礦區(qū)地質(zhì)采礦條件，造成煤巷支護失穩(wěn)的原因主要有以下兩方面因素：

2.1.1 地質(zhì)因素

二1煤層是鄭州礦區(qū)歷次重力滑動構(gòu)造運動的主要滑動面?；瑒訕?gòu)造區(qū)煤層內(nèi)部滑面叢生，煤體粘聚力降低，具有低強度、大變形的力學(xué)特性，造成松散破碎的煤體具有極強的流變特性。

鄭州礦區(qū)二1煤層直接頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖，泥巖類頂?shù)装遄猿休d能力差，又難與支護材料組合形成一個穩(wěn)定、高強的共同承載結(jié)構(gòu)。同時，鄭州礦區(qū)二1煤層的直接頂和基本頂為高強度砂巖，在工作面采動應(yīng)力的傳導(dǎo)過程中，積聚在頂板堅硬巖層內(nèi)的能量，隨著基本頂?shù)臄嗔讯眲♂尫?，誘導(dǎo)二1煤層流變。礦區(qū)煤系地層情況如圖1所示。

圖1 礦區(qū)煤系地層綜合柱狀圖

煤巷主體工程位于斷層群內(nèi)，巷道開挖后將破壞地層原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，滑動構(gòu)造產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力非常大，使巷道不僅承受大埋深的垂直應(yīng)力作用，還受到極為復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力影響。

2.1.2 支護因素

U型鋼屬于被動支護，支護初期支架對周圍煤體支護阻力較低，甚至為零，無法給圍巖施加初始預(yù)應(yīng)力，致使巷道表面煤體離層、破裂，進而誘導(dǎo)深部煤體變形。支護中后期，隨著煤體變形壓力的增大，U型鋼支架不斷收縮讓壓，進一步促進煤體向巷道內(nèi)擠壓流變，造成巷道頂板離層和表面位移量增加。

2.2 基于組合拱梁的錨桿支護作用分析

相較于被動的型鋼支護，錨桿(索)可以充分發(fā)揮其積極主動的支護作用，可使煤巷層狀頂板形成整體性較強的結(jié)構(gòu)，稱為組合拱梁結(jié)構(gòu)。為了進一步分析錨桿支護在維護圍巖穩(wěn)定發(fā)揮的作用，基于組合拱梁理論，在一定假設(shè)基礎(chǔ)上建立了錨桿支護作用下的層狀頂板力學(xué)分析模型[13]，如圖2所示。

圖2 三軟煤巷組合拱梁模型

組合拱梁整體受力分析模型如圖2(a)所示，由于模型的對稱性，為了簡化計算，將對模型左半部分進行受力分析。巖層厚度為t，q為錨固層上方巖層對錨固層作用力qn以及錨固層中厚度小于150mm分層自重之和，q=qn+(1-α)lγ，α為頂板巖層完整性系數(shù)，l、γ分別為錨固層厚度與煤(巖)層容重，Ri、Pi2分別為錨固層兩側(cè)巖體對錨固層作用力。

通過對第i層煤(巖)進行受力分析如圖2(b)所示，Pi為跨中拱鉸處擠壓力，可建立力學(xué)平衡方程[4]：

式中，S、f分別表示巷道跨度與巖層間的摩擦系數(shù)；qi1，qi2分別為第i層煤巖塊體受上下部巖層的垂直載荷，MPa。

對上式進行求解可得到P2在巖層中的平均應(yīng)力：

式中，αz為力臂系數(shù)。

由式(2)可知，煤(巖)層的平均應(yīng)力主要與上方巖層載荷、巷道跨度、巖層厚度、錨固層厚度有關(guān)。將式(2)進一步變換可得：

綜上，鄭州礦區(qū)“三軟”煤層煤體流變的關(guān)鍵在于支護必須給予圍巖足夠的初始阻力，抑制巷道淺部煤體的離層、破裂，控制煤體內(nèi)流變空間的擴展。因此，以預(yù)應(yīng)力錨桿(索)為主的錨網(wǎng)支護技術(shù)符合這一技術(shù)要求[14-16]，對于降低頂板煤(巖)層載荷，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)可發(fā)揮良好效果。

3 三軟煤巷錨網(wǎng)支護關(guān)鍵技術(shù)

近年來，鄭煤集團深入開展了大量三軟煤巷錨網(wǎng)支護的試驗研究工作[10-13]，取得了一些關(guān)鍵技術(shù)突破。結(jié)合鄭州礦區(qū)煤層賦存條件和現(xiàn)場施工實踐，“三軟”煤層錨網(wǎng)支護關(guān)鍵技術(shù)歸結(jié)為支護技術(shù)參數(shù)和施工技術(shù)。

3.1 支護技術(shù)參數(shù)

除鉆頭直徑、樹脂藥卷直徑和錨桿桿體直徑保持合理的“三徑”匹配外，“三軟”煤層煤巷錨網(wǎng)支護關(guān)鍵支護技術(shù)參數(shù)如下：

3.1.1 煤層錨固性能

錨桿錨固力是檢測錨桿可錨性的重要手段，也是檢查錨桿施工質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。以往礦井采用右旋錨桿，錨桿的錨固力和拉拔力均較低，錨固效果差。為改善這一狀況，礦井引進左旋無縱筋高強度錨桿，左旋錨桿攪拌過程中桿體螺紋將錨固劑推入孔底，越攪越密實，提高了錨固劑的有效端頭錨固長度，錨固效果較于右旋錨桿有了較大的改善，保證了錨網(wǎng)支護的整體強度。

鄭州礦區(qū)煤巷錨桿拉拔試驗結(jié)果表明：當(dāng)采用規(guī)格?20mm×2400mm左旋錨桿配合兩支樹脂錨固劑(K2350 和Z2350各一支)時，左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的有效錨固長度達到0.74m以上，錨桿拉拔力能夠達到50kN以上，二1煤層的錨固性能得到保證。

3.1.2 錨桿預(yù)緊力

錨桿的安裝預(yù)緊力是錨桿支護承載結(jié)構(gòu)能否形成的關(guān)鍵。對“三軟”煤層而言，錨桿支護初期提供較高的初始預(yù)緊力，有助于形成穩(wěn)定可靠的支護承載結(jié)構(gòu)，抑制煤體的離層、破壞。根據(jù)已有研究成果和現(xiàn)場實踐[7]，煤層中錨桿預(yù)緊力矩不應(yīng)小于200N·m，巖層中錨桿預(yù)緊力矩不應(yīng)小于260N·m。

3.1.3 護表強度

由于二1煤層極為松散，采用普通金屬鐵絲網(wǎng)時不僅容易產(chǎn)生網(wǎng)兜，而且隨著網(wǎng)兜變大、破壞，錨桿載荷不斷降低，錨網(wǎng)支護體系逐漸被破壞，因此，必須提高煤巷錨網(wǎng)支護的護表強度，同時防止松散煤體流變。

3.2 施工技術(shù)

3.2.1 快速安裝工藝

永久支護錨桿的施工采用快速安裝工藝，實現(xiàn)打眼和錨桿安裝一次完成，減少頂板空錨時間。快速安裝工藝技術(shù)核心在于快速安裝螺母，快速安裝螺母不同于普通螺母，它在螺母外端裝有金屬封板，在金屬封板未被頂破前螺母不能旋轉(zhuǎn)，通過錨桿鉆機的帶動可實現(xiàn)錨桿的快速安裝攪拌，錨桿錨固凝膠后鉆機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，頂開封板，使螺帽達到規(guī)定扭矩。據(jù)統(tǒng)計，快速安裝工藝可將錨桿施工速度提高1/3以上，施工效率的提高，為煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)的全面推廣創(chuàng)造了條件。

3.2.2 及時支護

鄭州礦區(qū)二1煤層頂板極不穩(wěn)定，自穩(wěn)時間只有幾分鐘，甚至出現(xiàn)隨掘隨冒現(xiàn)象，因此巷道開挖后，停止一切與頂板支護無關(guān)的工作，第一時間采用短錨桿或者玻璃鋼單體柱對巷道頂板進行臨時支護，進而按照先頂后幫的順序進行永久支護。

4 工程實例

4.1 錨網(wǎng)支護技術(shù)方案

鄭煤集團超化煤礦22011A運輸巷標(biāo)高-112.2～-80.5m，埋深295.7～285.3m，平均埋深約290m；煤層厚度6～19m，平均厚度達到9m，22011A運輸巷設(shè)計沿底板掘進，開展三軟特厚煤層煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)方案設(shè)計和現(xiàn)場試驗研究。

超化煤礦22011A運輸巷錨網(wǎng)支護設(shè)計如圖3所示，巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為4.8m×3.0m。頂幫均采用?20mm×2400mm左旋無縱筋高強度(KMG335)錨桿，頂錨桿間排距750mm×800mm，幫錨桿間排距800mm×800mm。錨桿采用快速安裝螺母配合減摩墊圈使用，錨桿托盤為蝶形托盤，規(guī)格為140mm×140mm×10mm。

圖3 22011A運輸巷錨網(wǎng)支護設(shè)計(mm)

頂板錨索采用“3-2-3”布置方式，錨索規(guī)格為?18.9mm×8250mm，錨索排距1600mm，使用2支Z2350和1支K2350共3支樹脂錨固劑錨固，錨索托盤不小于300mm×300mm×10mm(可使用廢舊36U型鋼加工)，錨索預(yù)緊力不小于100kN。

采用“?6mm鋼筋網(wǎng)+網(wǎng)孔尺寸不大于60mm×60mm黑色硬質(zhì)塑料網(wǎng)形成的雙層網(wǎng)配合?14mm鋼筋體梯子梁強力護表，巷道表面網(wǎng)與網(wǎng)搭接長度不小于100mm，鋼筋網(wǎng)與硬質(zhì)塑料網(wǎng)使用14#以上雙股鐵絲聯(lián)網(wǎng)，防止粉煤漏失，有效控制煤體流變。

4.2 支護效果評價

4.2.1 礦壓觀測方法

采用十字布點法進行巷道表面位移觀測，主要監(jiān)測巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平浚徊捎庙敯咫x層指示儀進行頂板離層監(jiān)測，其中離層指示儀深基點設(shè)置在孔深8m處、淺基點設(shè)置在孔深2m處，深、淺基點對應(yīng)測筒初始讀數(shù)調(diào)整為0。

4.2.2 礦壓數(shù)據(jù)分析及支護效果評價

巷道圍巖表面位移如圖4所示，工作面回采靠近礦壓觀測站時，巷道頂?shù)装逡平垦杆僭黾樱渲饕蚴窃诠ぷ髅娌蓜映皯?yīng)力影響下，巷道頂板采用錨網(wǎng)支護后，巷道底板砂質(zhì)泥巖強度低，無支護的巷道底板成為應(yīng)力釋放的突破口，造成巷道底鼓嚴(yán)重。

圖4 巷道圍巖表面位移曲線

22011A運輸巷從掘進到回采結(jié)束，頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平恐底畲笾捣謩e為372mm和310mm，巷道表面位移量整體較小，巷道有效斷面能夠滿足礦井安全生產(chǎn)需要。

巷道頂板離層如圖5所示，從掘進到回采結(jié)束，22011A運輸巷頂板離層儀淺基點和深基點下沉量最大值分別為48mm和52mm，有效控制了巷道頂板離層，提高了頂板支護安全性。

圖5 巷道頂板離層曲線

4.3 效益分析

“三軟”特厚煤層煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)是煤巷錨網(wǎng)支護的技術(shù)瓶頸，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)試驗和研究，最終在超化礦22011A運輸巷實現(xiàn)將錨桿(索)錨固在特厚煤層中而不是在頂板穩(wěn)定巖層中，并取得良好的支護效果，該技術(shù)的突破促進了煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)在鄭州礦區(qū)的全面推廣應(yīng)用。

采用煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)后，礦區(qū)開始使用操作方便、能夠快速移動的超前支護液壓支架進行工作面兩巷超前支護，取消了U型鋼棚支護時的端頭替棚作業(yè)工序，極大的提高了工作面快速推進能力，產(chǎn)生了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

1)鄭州礦區(qū)煤巷失穩(wěn)破壞主要原因在于地質(zhì)條件和支護選擇兩個方面。煤層錨固性能、錨桿預(yù)緊力、護表強度、快速安裝工藝和及時支護是“三軟”煤層錨網(wǎng)支護的技術(shù)關(guān)鍵。

2)“三軟”特厚煤層托頂煤煤巷錨網(wǎng)支護技術(shù)在現(xiàn)場得到成功應(yīng)用。瓦斯治理過程中底抽巷水力割縫泄煤形成煤體空洞等特殊條件下的錨網(wǎng)支護技術(shù)還需進一步研究。