卸壓增阻弱結構補強支護技術在巷道掘進中的應用

滿樂祝，劉振學，張巨峰，谷家濤

（靖遠煤業集團有限責任公司魏家地煤礦， 甘肅白銀市 730913）

卸壓增阻弱結構補強支護技術在巷道掘進中的應用

滿樂祝，劉振學，張巨峰，谷家濤

（靖遠煤業集團有限責任公司魏家地煤礦， 甘肅白銀市 730913）

為了改進構造影響帶內原始突出特厚煤層、大傾角、大斷面松散煤體巷道掘進和支護難題，結合魏家地煤礦的地質條件和原有的支護技術，對卸壓增阻弱結構補強支護技術進行了研究和應用。通過現場試驗，達到了預期目的。

卸壓增阻；弱結構補強；掘進；支護

魏家地煤礦是靖遠煤業集團有限責任公司的骨干生產礦井，設計生產能力150萬t／a，服務年限105a，屬煤與瓦斯突出礦井，“三軟”煤層，煤塵具有爆炸性，煤層易燃氧化。礦井存在瓦斯、火災、煤塵、水、頂板等重大危害，是國家重點監控的礦井之一。

隨著開采深度和廣度的加大，構造影響帶內原始煤層巷道掘進與支護改革勢在必行。特別是大斷面、大傾角特厚松散煤體中掘進，是礦井目前生產技術管理的重點和難點。國內諸多學者對松軟煤層的支護進行過大量的研究［1－3］。但是，卸壓增阻弱結構補強支護技術的研究卻很少，為此，在魏家地煤礦原有小斷面再擴成大斷面掘進方法的基礎上，結合礦山具體的地質條件，對構造影響帶內原始突出煤層、大斷面巷道進行增阻弱結構補強支護技術開展了應用研究，對三軟煤層巷道掘進和支護革新具有重大的意義。

1 三軟煤層巷道支護原理與卸壓增阻弱結構補強支護技術

巷道在掘進及回采期間的支護主要受巷道圍巖的強度、支護方式、圍巖的穩定性等影響。一般來說，三軟煤層巷道圍巖破壞的主要特點是：初期變形速率大，時間效應明顯，對環境變化和應力擾動非常敏感，因此，巷道支護時軟巖不可避免地進入塑性狀態，軟巖達到了最大塑性承載能力，此時的支護效果最好，同時最大塑性能（如膨脹變形能）能夠以某種形式釋放出來，釋放其變形能，即巷道支護的“讓壓”原理［4］。軟巖巷道的破壞過程是一個漸進的力學過程，往往開始于一個或幾個部位的變形、損傷，進而使整個支護系統失穩。這些首先破壞的部位，稱為關鍵部位。導致關鍵部位產生的主要原因是支護體力學特性與圍巖力學特性不耦合，致使圍巖應力集中處和圍巖體強度薄弱的地方通常出現這種狀況，關鍵部位的及時支護是解決問題的主要方法［5－6］。

卸壓增阻弱結構補強支護技術是指在巷道掘進前，以卸壓增阻為目的實施鉆孔卸壓和煤層注水，以提高自身粘結力和煤體內摩擦阻力來改善煤體自身條件，以控制巷道圍巖中關鍵點為核心，以支護好弱結構面為目的，利用錨桿與桁架錨索控制兩幫和頂板的新型支護技術，進而實現巷道弱結構面的均勻化和支護的體系化，以達到預期支護效果。其中弱結構面是指巷道掘出后由節理、層理、裂隙切割成的眾多面積相當的基本結構面。

2 卸壓增阻弱結構補強支護技術的應用

2.1 煤層地質構造情況

1114工作面煤層基本為單斜煤層，該區域煤層受到F1－2斷層組及其派生構造的擠壓、推覆與疊加，煤層構造破壞很嚴重，多成粉沫狀、鱗片狀，屬典型的構造煤，同時又為煤與瓦斯突出煤層。煤層頂底板沿走向、傾向起伏較大，個別地段煤層底板有突然隆起現象，但煤層底板基本呈西高東低之勢。煤層傾角為15°～35°，沿走向向西煤層傾角逐漸增大。

工作面南部和東段350m布置在F1－2斷層組構造影響帶內，地質構造復雜。該區域煤層頂底板起伏變化大，局部地段底板有突然隆起、下扎現象，煤層松軟，對巷道掘進影響較大。

煤層由于受F1－2斷層組的影響，小斷層（切層斷層和順煤層斷層）、小褶皺特別發育，煤層厚度變化較大。煤層總厚度6～26.5m；有益厚度8～22 m；可采厚度6～18m，平均厚度12m。煤層結構復雜，夾矸3～7層，厚度0.3～2.5m，沿走向向東夾矸層數逐漸增多、厚度逐漸增厚。

1114切眼巷道斷面為圓角矩形。掘進斷面S＝22.26m2，凈斷面S＝20.96m2，掘寬7.7m，凈寬7.5m，掘高2.9m，凈高2.8m。

2.2 卸壓增阻參數設計

卸壓增阻是根據現場掘進過程中的煤層情況，提前釋放煤體中的CH4及構造應力，以增加巷道斷面內及頂部煤體自身粘結性和承載強度為目的，按照超前鉆孔的釋放半徑和卸壓范圍科學地設計釋放鉆孔，根據注水滲透半徑和溫潤煤體的時間間隔，合理設計注水鉆孔的參數，且循環有序，以達到預期效果。卸壓增阻鉆孔設計參數如圖1所示。

圖1 卸壓增阻鉆孔布置

卸壓釋放孔直徑為95mm、深度8.0m，方位同巷道走向、傾角為＋10°～＋15°，在巷道斷面內均勻布置，每班錯位交替施工，以達到全斷面均勻釋放的效果。注水增阻鉆孔直徑為45mm、深度8.0m，沿巷道走向以孔口3.0m外到達巷道頂部為基準，在斷面內左、中、右交替按上下兩排布置，兩排鉆孔距頂板以下分別為1.0m和1.5m、傾角為15°和19°。注水封孔器深入孔口1.0～1.5m，以滿足有效封孔和循環進度后可拆下重復使用的要求。采用FKQ－2×0.5專用注水封孔器，靜水壓＞2MPa，封孔器長度0.5m，并安裝專用高壓水表對注水壓力及流量進行統計觀測，及時調整注水參數。

2.3 弱結構補強雙支護參數設計

根據現場條件，按照巷道變形控制效果好、安全可靠和易于施工的原則，確定巷道支護方式，如圖2所示。

圖2 巷道支護

巷道斷面為圓角矩形，凈寬7.5m，凈高3.0 m。頂部采用Φ17.8mm×4300mm高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距700mm×800mm；配套200 mm×200mm×80mm木托板、10mm×150mm×150mm碟形托板、半球墊、專用鎖具，采用K2360、Z2360樹脂錨固劑各1支加長錨固。幫部采用Φ20×2000mm等強度螺紋鋼錨桿，間排距700mm×800mm；配套200mm×200mm×60 mm木托板、10mm×150mm×150mm碟形托板、半球墊、減摩墊、M22×25加厚螺母，采用Z2360樹脂錨固劑2支加長錨固。桁架錨索采用Φ17.8×9000mm高強度低松弛預應力鋼絞線，配套200 mm×200mm×80mm木托板、U25×1800mm型鋼、專用鎖具，采用K2360、Z2360樹脂錨固劑1支和2支加長錨固。鋪設850mm×9000mm的菱形金屬網，網孔30mm×30mm，且網后加鋪纖維布。

2.4 大傾角煤壁控制參數設計

若遇到掘進工作面傾角大，煤層松軟破碎，難以控制煤幫垮幫時，采用在工作面端面巷道頂部以下0.5m和腰線范圍內，沿走向打一排孔口間距1.0～1.5m、孔深9m左右的注漿錨索孔，打注Φ17.8×9000mm的錨索，控制煤幫片幫冒頂。隨著掘進的推進逐段推移張拉錨索，使托板始終緊貼煤壁，控制煤幫。循環交替施工錨索，防止煤壁超前垮幫，如圖3所示。

圖3 控制煤幫的錨索示意

2.5 圍巖變形及支護質量監測

組織監測人員在1114工作面切眼開口向上10 m處安裝一臺頂板離層儀，記錄頂板變形數據，定期進行統計。每50m設一個觀測站，觀察記錄兩幫巷道收斂變形及頂部下沉量。并注明觀測位置（即距導線點距離），每天由施工隊技術人員進行觀測記錄，并對觀測資料整理，進行巷道變形、支護強度分析，根據情況調整支護參數。

（1）錨桿錨索錨固質量拉拔檢查及儀器。采用LC—280型拉拔測力器每100根以下隨機抽樣3根錨桿拉拔拉載。頂板錨桿加載到70kN，幫部錨桿加載到40kN，其中若有一根不合要求，再抽樣5根試驗。

（2）錨桿錨索承載速度檢查及儀器。采用LC—280型拉拔測力器進行拉拔試驗，檢查錨桿承載度。要求10min內應達到設計值的60%以上。

（3）錨桿、錨索預緊力檢查及儀器。在巷道掘進中，安排專人以不少于30%的比例和不大于1d的時間間隔，采用力矩示值扳手對錨桿、錨索預緊力進行抽檢。

（4）錨桿錨索錨固質量巡檢。每隔5d對巷道錨桿進行巡檢，對頂板、兩幫失效的錨桿及時補打，對托板松動的及時緊固，對局部片幫或小范圍的漏頂及時背緊。檢查頂板、兩幫失效的錨桿，托板是否松動，錨桿間排距是否過大，桿體外露長度和安裝角度是否合乎設計要求，統計錨桿安裝質量的合格率和優良率。

3 結 論

（1）卸壓增阻弱結構補強技術的應用，一方面為區域解突抽采掘接替和順利安裝支架創造了條件；另一方面為一次成巷加強了頂板控制，降低了巷道支護和維護成本。

（2）卸壓增阻技術是針對煤層CH4賦存不穩定、CH4含量高、煤層透氣性差和煤層構造應力分布復雜的巷道提出的。通過密集多循環的釋放鉆孔和連續注水措施，達到了釋放煤體CH4和降低構造應力的目的，提高了煤體自身粘結力和煤體內摩擦阻力，改善了施工條件，為支護提供了可靠地質保障。

（3）弱結構補強雙支護技術是針對煤體松散，層理、節理、裂隙較為發育，巷道表面支護體容易受到破壞的特點提出來的，通過短錨索支頂、高強錨桿支幫形成相對較深的組合梁加固層，實現了預期的支護效果。頂部基本支護采用短錨索較錨桿增加了組合梁1.5m以上的加固層厚度，增加了強度，長錨索錨固點的均勻分布，使巷道整體在深度上起到懸吊支護的效果，桁架錨索的應用提高了加固層表面弱結構的強度，使支護實現體系化。

（4）在現場施工中發現，應在巷道暴露的最短時間內使煤體得到及時加固支護，支護的滯后會導致松動層的加深和擴大，造成支護系統的不穩定。

（5）頂部錨索錨固深度、錨桿的布置，以及錨索的補強前后時間差有待于進一步研究。

［1］郭中華，白少華，趙 輝.三軟煤層巷道聯合支護技術［J］.中州煤炭，2011，185（5）：60－62.

［2］孫立亞，盧 敏.軟煤層綜放面收尾工程錨網與錨索支護實踐［J］.煤炭工程，2011（5）：25－27.

［3］任玉朋.三軟煤層綜采大斷面切眼錨網索支護技術［J］.中州煤炭，2011，185（8）：69－74.

［4］康紅普.軟巖巷道底臌的機理及防治［M］.北京：煤炭工業出版社，1993.

［5］陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1994.

［6］何滿潮.軟巖工程的理論與實踐［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1996.

2011－11－24）

滿樂祝（1962－），男，甘肅蘭州人，工程師，從事煤炭開采技術和管理工作，Email：jufeng6100229＠126.com。