“三軟”煤層全煤巷道支護(hù)技術(shù)研究
摘要： 從軟巖的特性、三軟巷道圍巖的破壞機(jī)理入手，結(jié)合嵩山煤礦的實(shí)際情況，提出采用剛?cè)釓?fù)合支護(hù)方法對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，即在支護(hù)體內(nèi)設(shè)置柔性層和剛性層，柔性層釋放初期高應(yīng)力，剛性層控制有害變形；在受力集中的頂?shù)捉遣捎茂B加支護(hù)，使巷道整體變形耦合。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及圍巖變形觀測(cè)分析，該支護(hù)方式能夠有效控制巷道的強(qiáng)烈變形，降低巷道維修成本，從而解決三軟煤層巷道支護(hù)困難的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 三軟煤巷 剛?cè)釓?fù)合支護(hù) 耦合支護(hù)
大量的實(shí)踐研究資料向我們證實(shí)了一個(gè)方面的問(wèn)題：即在礦山生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，巷道支護(hù)方式的選取帶給的不僅僅是巷道成型質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)，還給人員安全提供了有力的保障，在日趨發(fā)展的礦山建設(shè)施工中，開(kāi)采巖石集中巷再側(cè)向掘進(jìn) 煤巷 的方式 ， 在成本支出上給礦山經(jīng)濟(jì)發(fā)展拉了限閘。在煤礦開(kāi)采中，全 煤 巷道代替原有的巖石集中巷與石門組合巷道采煤方式的趨勢(shì)愈來(lái)愈強(qiáng)，同時(shí)，在剔除巖巷支護(hù)形式、成本的過(guò)程中也加劇了現(xiàn)有全 煤巷 支 護(hù)方式的安全承壓考驗(yàn)。
一、礦區(qū)地質(zhì)條件概況
嵩山煤礦位于偃龍礦區(qū)，現(xiàn)開(kāi)采的二水平埋深400米左右。主采的二疊系山西組二1煤層為“三軟”煤層，煤層硬度系數(shù)f＜0.3，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含泥巖夾矸，夾矸厚0.1～0.4m。煤層以粉末狀為主，塊狀較差，平均煤厚4.2m，煤層平均傾角15°。煤層頂?shù)装鍏?shù)見(jiàn)表1。
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頂?shù)装迕Q |
巖石類別 |
厚度 /m |
巖性 |
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頂板 |
老頂 |
中細(xì)粒 砂巖 |
7.58 |
灰色，厚層狀，成分以石英為主，含暗色巖屑，夾粉砂巖薄層，產(chǎn)植物化石，泥質(zhì)膠結(jié)，波狀層理。 |
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直接頂 |
砂質(zhì) 泥巖 |
18 |
灰～深灰色，厚層狀，成分以石英為主，含暗色巖屑，層面富集白云母碎片及炭質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)水平層理。 |
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偽頂 |
炭質(zhì) 泥巖 |
2.84 |
黑灰色，中厚層狀，產(chǎn)植物化石碎片。 |
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底板 |
直接底 |
砂質(zhì) 泥巖 |
4.5 |
灰黑色，薄～厚層狀，夾粉砂巖及細(xì)粒砂巖條帶，產(chǎn)植物化石，下部偶含黃鐵礦結(jié)核，波狀層理及透鏡狀層理。 |
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基本底 |
細(xì)粒 砂巖 |
20 |
深灰色，中厚層狀，平灰黑色泥質(zhì)條帶，含白云母碎片及黃鐵礦結(jié)核，泥質(zhì)膠結(jié)，波狀層理發(fā)育。 |
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表1 煤層頂?shù)装迩闆r表
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二、原有 巷道 支護(hù) 方式及變形分析
1.支護(hù)方式
嵩山礦回采工作面巷道原采用 11# 工字鋼對(duì)棚支護(hù)，頂部采用塑編網(wǎng)和荊笆護(hù)頂，兩幫采用荊笆背嚴(yán)背實(shí)。如圖 1所示：
圖1 工字鋼支護(hù)斷面圖示意圖
上述支護(hù)方式在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中存在的問(wèn)題:
① 該支護(hù)形式巷道礦山壓力顯現(xiàn)快，巷道在掘進(jìn)50m左右就嚴(yán)重變形，需返修作業(yè)，嚴(yán)重影響工作面回采期間的安全 ；
② 回采工作面巷道 由于變形嚴(yán)重，不能太長(zhǎng)， 長(zhǎng)度一般為50～80m，工作面服務(wù)時(shí)間短，易造成礦井采掘失調(diào) ；
③ 回采巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈 。
2.巷道破壞原因分析
?根據(jù)巷道實(shí)際情況分析，造成上述問(wèn)題的原因有：
① 圍巖特性影響。煤層松軟呈粉末狀，頂?shù)装寰鶠槟鄮r、砂質(zhì)泥巖及灰質(zhì)泥巖，巷道圍巖強(qiáng)度低，變形量大，變形速度快，巷道施工時(shí)極易出現(xiàn)底鼓，從而使兩幫及頂板變形加劇，松動(dòng)范圍擴(kuò)大，礦壓顯現(xiàn)明顯。
② 上覆巖層影響。巷道埋深較大，單一的工字鋼對(duì)棚支護(hù)不能承受上覆巖層的壓力，由于巖體的流變作用，支架必然發(fā)生變形，從而造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。
③ 碎脹作用影響。巖層中夾矸為固化程度很低的泥巖，夾矸及煤遇水變軟，發(fā)生膨脹，在上覆巖層的作用下，夾矸及煤被擠壓出，從而造成棚式支護(hù)的變形。
④ 支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)不合理。支架屬于剛性、被動(dòng)支護(hù)形式，只起護(hù)表作用，不能實(shí)現(xiàn)與圍巖的協(xié)調(diào)變形和有效調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力。支架腿未 “穿鞋”，在巷道底板為煤層和軟巖的條件下，很容易鉆底，導(dǎo)致頂板下沉和支架偏轉(zhuǎn)失穩(wěn)。
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三、新支護(hù)方式
1.新支護(hù)方式原理分析
綜上所述，巷道破壞失穩(wěn)的根本原因是圍巖應(yīng)力超過(guò)了圍巖強(qiáng)度。為此，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要通過(guò)改進(jìn)支護(hù)方式來(lái)保護(hù)圍巖強(qiáng)度。 設(shè)計(jì) 采用剛?cè)釓?fù)合支護(hù)以及關(guān)鍵部位的疊加支護(hù)。剛?cè)釓?fù)合支護(hù)中的柔性支護(hù)釋放高應(yīng)力，剛性支護(hù)限制其有害變形。通過(guò)在頂角打錨索底腳打錨索，加強(qiáng)對(duì)頂?shù)捉?/font>“關(guān)鍵部位”的支護(hù)，使整體耦合，增加巷道整體的穩(wěn)定性。
①剛?cè)釓?fù)合支護(hù)從力學(xué)概念上講,是在支護(hù)體內(nèi)設(shè)置剛性層和柔性層,在剛性層和柔性層之間預(yù)留一定量的間隙。柔性支護(hù)并不能使 “支架－圍巖”系統(tǒng)達(dá)到力學(xué)平衡，因此，柔性支護(hù)后圍巖必然產(chǎn)生一定變形，以便繼續(xù)釋放一些能量。剛性支護(hù)的目的在于促進(jìn)圍巖進(jìn)一步于平衡，以保證巷道使用期間的穩(wěn)定性，所以剛性支護(hù)應(yīng)與柔性支護(hù)留有合適的間隙。這樣,支護(hù)體具有充分的柔度和間隙以適應(yīng)高應(yīng)力軟巖的大變形，釋放高應(yīng)力,同時(shí)又具有充分的剛度限制圍巖的有害變形。采用剛?cè)釓?fù)合支護(hù)的方法不僅可以充分利用巖體自承能力,而且使壓力向背離采空區(qū)側(cè)移動(dòng),如圖 2 。
圖2 柔性支護(hù)巷道移壓示意圖
②三軟煤巷藕合支護(hù)機(jī)理，耦合支護(hù)是針對(duì)軟巖巷道圍巖塑性變形不協(xié)調(diào)部位，通過(guò)錨索及錨索使關(guān)鍵部位支護(hù)耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。通過(guò)提高錨索初錨力、布置底角錨索及頂角錨索，有效地控制了圍巖變形特別是強(qiáng)烈的底鼓。
2. 具體支護(hù)方式
①支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)
U 36 型 鋼 可縮性架 棚支護(hù)設(shè)計(jì) ： 采用 U 36 型 鋼 ，由1節(jié)棚梁2節(jié)棚腿組成，斷面形狀為近似直墻半圓拱形。 頂部 U型 鋼經(jīng)過(guò)特殊的加工 ， 使其呈一定的微拱形 ，U型 鋼棚間距 0.5 m 。
架棚與煤體之間鋪有兩層塑編網(wǎng) ，長(zhǎng) 1200mm ， 寬 8 00 mm ，網(wǎng)格規(guī)格為 3 0mm× 3 0mm ，網(wǎng)與網(wǎng)搭接長(zhǎng)度 不 小 于10 0 mm ， 每隔 150 mm 用 塑編網(wǎng)帶連接牢固，每三孔連一個(gè)死結(jié)，聯(lián)結(jié)間距為100mm，嚴(yán)禁串連。釋放煤體能量的同時(shí)，防止漏煤。
背木直徑不小于50mm，兩端要穿過(guò)U型鋼中心，頂板背木間距中見(jiàn)中100mm，幫部中見(jiàn)中300mm，誤差不大于30mm；背木要垂直于支架背設(shè)，且不得松動(dòng)（松幫卸壓不受此限）；兩邊巖層段可以不用背木背幫,但煤層松散時(shí)必須背到底。
錨索 為 1×7 - Φ17. 8mm 鋼絞線制作 ，長(zhǎng)8m ，托盤 規(guī)格 為 500 ×500 ?mm 。每根錨索用 2 卷 CK2350 型 與 2 卷 K2350 型錨固劑錨固 ? 。 如圖 3 所示：
圖3 剛?cè)釓?fù)合支護(hù)巷道斷面圖
3.施工要求
① 煤巷 掘進(jìn)應(yīng)盡量采用沿底施工，架腿在底板中的埋深不少于200 mm，底板的強(qiáng)度足以限制架腿的下沉和位移，從而可保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
②當(dāng) 煤巷 無(wú)法沿底施工時(shí),應(yīng)把架腿札角放大。柱窩周圍的煤柱將受到破壞，架腿將產(chǎn)生側(cè)向位移，而札角放大后將使架腿的側(cè)向允許位移增大，由 于煤體的破裂有一定的 規(guī)律 ，側(cè) 向允許位移的增大將明顯延長(zhǎng)支架的服務(wù)期限。
③ 巷道掘進(jìn)時(shí)，通過(guò)光面爆破施工，盡量減輕對(duì)頂、幫煤巷巖體的破壞，為實(shí)施錨索等主動(dòng)支護(hù)創(chuàng)造有利條件。必須在超前探梁臨時(shí)支護(hù)的情況下進(jìn)行錨索支護(hù)、塑編網(wǎng)的鋪設(shè)等施工工序 。
④ 側(cè)幫采用半封閉支護(hù)。推遲背幫時(shí)間，可在架棚之后 1 ～ 2 個(gè)月再背幫，甚至側(cè)幫中下部始終不背幫，使側(cè)幫中下部的煤體有自由垮落的空間斷釋放掉煤體受壓后產(chǎn)生的變形能，若再輔以鉆孔卸壓的方法，則可泄掉大部分側(cè)向壓力。
⑤ 柔性支護(hù)的目的是及時(shí)封閉和隔離碎煤，以防止巷道周邊懸露面上個(gè)別碎煤掉落，同時(shí)對(duì)圍巖初期移動(dòng)給以一定限制，因此柔性支護(hù)應(yīng)在開(kāi)巷后盡早進(jìn)行。
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四、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與分析
為了便于檢驗(yàn)新的支護(hù)方式的可行性，選取地質(zhì)條件相近的 2103 工作面下順槽 1 # 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 。
在1#巷道內(nèi) 每間隔10m設(shè)定一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每天觀測(cè)，觀測(cè) 內(nèi)容包括 ：支架兩棚腿間移近量、頂梁距底板移近量、支架梁、腿搭接下縮量。 從觀測(cè)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)1#段巷道頂?shù)装濉蓭驮谙锏谰蜻M(jìn)之 1-10 天移近量迅速增大， 11 天以后兩幫及頂?shù)装宓囊平口呌诜€(wěn)定，最終移近量為 204～246mm、234～312mm ，如圖 4 所示。該圖充分反映了剛?cè)釓?fù)合支護(hù)初期讓壓的特點(diǎn)，即圍巖初期變形量較大，充分利用了圍巖自身強(qiáng)度；后期巷道圍巖與剛性支護(hù)接觸，變形量減少。因此采用剛?cè)釓?fù)合支護(hù)以及頂?shù)捉钳B加支護(hù)控制了三軟煤層巷道圍巖變形、保持巷道圍巖穩(wěn)定，改善了巷道維護(hù)狀況。
圖4 改進(jìn)支護(hù)巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)圖
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<!--[if !supportLists]--> 五、 <!--[endif]--> 結(jié)論
<!--[if !supportLists]--> 1. <!--[endif]--> 三軟煤層巷道圍巖塑性變形大，較難控制，可采用適當(dāng)讓壓的方法，躲過(guò)高應(yīng)力，同時(shí)輔助以剛性支護(hù)保證巷道工作空間安全。
2.頂角錨索，底腳錨索加固的方法使應(yīng)力集中區(qū)得到了疊加支護(hù)，使巷道整體變形與運(yùn)動(dòng)一體化。上述支護(hù)技術(shù)有效保持三軟煤層巷道圍巖穩(wěn)定。
