特厚破碎煤層動壓巷道失穩破壞機理及支護技術研究

蘆新飛盧成飛

(1.大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司,山西省大同市,037101; 2.中國神華神東煤炭集團柳塔煤礦,內蒙古自治區鄂爾多斯市,017200)

特厚破碎煤層動壓巷道失穩破壞機理及支護技術研究

蘆新飛1盧成飛2

(1.大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司,山西省大同市,037101; 2.中國神華神東煤炭集團柳塔煤礦,內蒙古自治區鄂爾多斯市,017200)

為解決金莊礦特厚破碎煤層動壓巷道的支護難題,在巷道圍巖地質力學測試的基礎上,分析了特厚破碎煤層動壓巷道失穩破壞機理;采用數值模擬、理論分析、工程類比等綜合試驗手段,提出了高強度、高剛度、高預緊力及強讓壓的錨桿支護方案,支護方案在5201回風巷進行了現場應用,應用結果表明高預緊力讓壓支護技術有效控制了特厚破碎煤層動壓巷道的失穩破壞,5201回風巷在8202工作面回采期間巷道兩幫移近量為405 mm,頂底板移近量為252 mm,巷道完整性好。

特厚煤層 煤層巷道 動壓巷道 錨桿支護 高預緊力

1 工程概況

金莊煤礦位于大同煤田西南部,地處左云縣境內。金莊煤礦主采3#、5(3-5)#、8#煤層。8201工作面開采5(3-5)#煤層,煤層平均厚度15.3 m,為特厚煤層,煤層傾角3°～6°。地質構造簡單,節理、裂隙較發育,頂煤硬度f＝2～3,能夠及時垮落。8201工作面為一進一回兩巷布置,見圖1所示。

8201工作面的5201回風巷與8202工作面2202進風巷之間留有寬35 m煤柱。在8202工作面回采期間,5201回風巷會受到動壓影響,在巷道掘進時,巷道變形不大,而當8202工作面回采時,由于回采形成的集中垂直應力使5201回風巷塑性區顯著增大,局部出現片幫、冒頂現象,巷道控制維護非常困難,給巷道的穩定性控制帶來了嚴重的挑戰。

圖1 8201工作面布置示意圖

對于動壓巷道的圍巖控制,采用注漿加固和錨網索聯合支護技術進行控制,取得了一定的效果。但由于注漿成本高,限制了注漿加固技術的推廣。近幾年來,研發了高預應力讓壓支護技術,該技術支護初期可以施加高預緊力,并能在動壓影響下支護結構整體讓壓,在動壓巷道支護加固中得到了廣泛的應用。本文針對金莊煤礦5201回風巷受強烈動壓影響巷道的支護難題,分析了其破壞機理和控制機理,提出了合理的巷道支護加固方案,并進行了工程實踐。

2 特厚破碎煤層動壓巷道失穩破壞機理分析

2.1 地質力學測試

采用水壓致裂測試方法分別在5201回風巷附近進行了地應力測試,3個測試點分別位于輔助北二回風巷口50 m位置、2201進風巷150 m處和5201回風巷350 m處,測試結果見表1。

表1 地應力測試結果表

3個地點的地應力最大水平主應力σH達到12.90 MPa,最小水平主應力σh為6.40 MPa,垂直主應力σV為11.44 MPa,測點的最大水平主應力均大于垂直主應力,應力場類型為σH＞σV＞σh型應力場,初步判斷所測區域以構造應力場為主。由于水平主應力大于垂直主應力,最大水平主應力對巷道兩幫變形影響較大。

采用WQCZ-56型圍巖原位強度測試設備對3個地點(與地應力測試點相同)的圍巖強度進行了現場測試,測試結果發現幫部煤體的最大強度為17.85 MPa,最小強度僅為7.65 MPa,頂板煤體強度最大值為13.43 MPa,頂部煤體最小強度為12.43 MPa,與直接頂、老頂等砂巖、砂質泥巖相比,煤體強度整體性較低。

采用鉆孔攝像儀對井下巷道(與地應力測試點相同)煤體節理裂隙發育情況進行現場窺視,從窺視結果可以看出,巷道頂板煤體內部存在著大量的離層,并且隨著距掘進頭距離的增大,離層有向巷道圍巖深部發展的趨勢,尤其在巷道掘進初期,離層發育迅速。為了及時控制離層向圍巖深部發展,必須及時進行支護。

2.2 巷道圍巖破壞機理分析

結合8201工作面的地質條件、開采情況以及地質力學測試結果,5201回風巷變形破壞的主要原因有以下幾個方面：

(1)動壓影響。正在回采的8202工作面位于5201回風巷北部,與5201回風巷之間的煤柱尺寸35 m,采動影響非常明顯,巷道變形破壞主要是由北部的8202工作面采動導致的,8202工作面回采會在5201回風巷與煤柱之間形成2～3倍原巖垂直集中應力,高的集中應力進一步破壞了巷道圍巖的完整性,從而使巷道維護困難。

(2)煤體松軟破碎。由于煤層厚度達到15.3 m,5201回風巷沿煤層底板掘進,巷道兩幫及其頂板均為實體煤,煤體節理、裂隙發育,松軟破碎,與砂質泥巖、泥巖相比,煤體抗壓強度較低,所以巷道兩幫和頂板變形大。尤其巷道采用普通錨桿和錨索支護時,由于支護結構沒有讓壓功能,當支護結構產生較大變形時,錨固體或支護結構就會發生破壞,從而巷道產生大變形,且巷道還易發生冒頂。

(3)高水平應力。5201回風巷埋深達到467 m,埋深較大,最大水平應力達到12.90MPa,高的水平應力使巷道頂板和底板出現應力集中,進一步加劇了巷道頂底板變形破壞。

(4)原有支護不合理。5201回風巷原支護錨桿和錨索預緊力施加的較低,很多托板和梯梁不貼煤壁,并且沒有使用讓壓環,一旦巷道出現變形,支護構件,如托板、梯梁、鋼帶、工字鋼等構件就出現大量破壞或失效,支護效果差。

2.3 巷道圍巖加固理論

根據5201回風巷巷道圍巖破壞機理,提出了高預應力讓壓支護理論,高預應力可以大幅度提高支護系統初期的支護強度和支護剛度,有效控制圍巖初期的不連續變形,從而保持圍巖的整體性和完整性,大大減少圍巖的破壞范圍。且由于5201回風巷受鄰近工作面回采期間動壓的影響,動壓影響會使巷道出現高的應力集中,從而使圍巖內部出現大的裂隙和裂紋,圍巖結構面發生離層和滑動,巷道變形通常較大,因此,在進行高預應力支護的同時還必須注重支護結構的讓壓能力,那么就需要支護系統必須同時滿足兩個基本條件。

(1)支護結構應有足夠的支護剛度和支護強度。普通的錨桿和錨索強度較低,無法施加圍巖足夠的支護強度,這就需要采用高強度錨桿和高強度錨索,并在支護初期施加高預緊力以提高支護結構的支護剛度和強度,從而有效控制圍巖的裂隙、離層,避免圍巖產生不連續的有害變形。

(2)支護結構應有足夠的延伸率。為了避免圍巖變形時支護結構出現破壞,支護結構要有一定的變形能力,從而允許巷道圍巖產生一定的連續變形和整體位移,連續變形和整體圍巖可以釋放圍巖內部的高集中應力,從而使圍巖受力更加均衡。這就要求支護構件,如鋼帶、錨桿、托盤、梯梁以及讓壓環等構件相互匹配,既能施加高預緊力,還能在高預緊力的作用下整體讓壓變形,從而改善圍巖應力狀態,提高支護圍巖的強度,防止支護圍巖出現離層,從而達到控制動壓巷道失穩破壞的目的。

3 高預緊力讓壓支護技術在金莊礦的應用

3.1 高預緊力讓壓支護技術

針對金莊礦的地質條件,提出了高預緊力讓壓支護技術,即高強度、高剛度、強讓壓為一體的支護技術。在施工時,采用高強度錨桿施加高預緊力,以提高巷道圍巖的支護剛度和支護強度,并安裝讓壓環,在巷道發生大變形時,使巷道圍巖在高支護阻力下橫阻讓壓,從而避免支護系統的失效,最終有效控制巷道圍巖的變形破壞。

3.2 巷道支護形式

通過優化設計,最終確定了5201回風巷支護參數及支護材料,采用金屬網＋鋼帶＋錨桿＋錨索＋11#工字鋼鋼梁聯合支護。

5201回風巷為矩形斷面,巷道凈寬5400 mm,凈高3500 mm,巷道頂板采用左旋無縱筋錨桿支護,錨桿規格為?22 mm×2400 mm,每排7根錨桿,錨桿間排距800 mm×900 mm,錨桿配合鋼托盤和鋼帶使用,托盤規格為130 mm×130 mm ×10 mm,鋼帶規格為5100 mm×250 mm×3 W型鋼帶。

頂板打設2根錨索,錨索規格為17.8 mm× 8300 mm,張拉力250 kN,間排距1800 mm× 1800 mm,錨索配合鋼托盤、讓壓環和11#工字鋼使用,托盤規格為250 mm×250 mm×16mm,工字鋼長1 m,每根錨索使用1根。

巷道兩幫采用左旋無縱筋錨桿支護,錨桿規格為?22 mm×2400 mm,每排3根錨桿,錨桿間排距1200 mm×900 mm,錨桿配合鋼托盤、菱形網和鋼筋梯梁使用,每排1根鋼筋梯梁,規格為3200 mm×6 mm,菱形網網格尺寸100 mm× 100 mm。

4 礦壓監測

在5201回風巷掘進期間,在回風巷550 m處設置了測站,監測了巷道左幫中部的變形量(左中)、巷道兩幫移近量(兩幫)、巷道頂板下沉量(頂中)和巷道頂底板移近量(頂底),掘進期間表面位移變化曲線如圖2所示。

圖2 5201回風巷掘進期間巷道表面位移變化曲線

由表面位移監測結果可以看出：巷道表面位移大概都在距掘進頭65 m以后,趨于穩定。巷道由掘進完成到巷道穩定,巷道兩幫移近量為19 mm,為初始巷道兩幫寬度的0.3%,其中左幫移近量為11 mm;巷道頂底移近量為22 mm,為巷道初始高度的0.6%,其中,巷道頂板下沉量為8 mm,底鼓量為14 mm,底鼓量占巷道頂底總移近量的63.6%。從巷道表面位移監測結果看,掘進期間5201回風巷圍巖變形量很小。

8202工作面回采期間,又對5201回風巷550 m處的測站進行監測,從工作面超前于測站200 m時開始觀測巷道表面變形情況,回采期間5201回風巷表面位移觀測曲線如圖3所示。

圖3 8202工作面回采期間5201回風巷表面位移變化曲線

監測結果發現,在工作面超前于5201回風巷測站116 m范圍外,巷道穩定,移近量未增加,在70～116 m范圍內,巷道變形略有變化,但變化不大。當距工作面17～70 m時,巷道變形量顯著增加,兩幫移近量405 mm;頂底板移近量為252 mm。從回風巷支護整體效果來看,高強度、高預緊力、讓壓支護技術在金莊礦特厚破碎煤層動壓巷道中的運用是非常成功的。

5 結論

(1)金莊礦的地質力學測試結果最大水平主應力為12.90 MPa,最小水平主應力為6.40 MPa,垂直主應力11.44 MPa,測點的最大水平主應力均大于垂直主應力,應力場應力特點為σH＞σV＞σh型應力場。且頂板和幫部煤體強度較低,節理、裂隙比較發育。

(2)從金莊礦巷道失穩破壞機理可以看出,巷道圍巖強度低、節理、裂隙發育是導致巷道失穩破壞的地質原因;而錨桿強度低、支護剛度不夠、支護系統只重視支護,不重視讓壓是導致巷道失穩破壞的主觀原因。

(3)提出了高預緊力讓壓支護技術,并在5201回風巷進行了現場應用,掘進完成到巷道穩定,巷道兩幫移近量為19 mm;8202工作面回采期間,巷道兩幫移近量為405 mm;頂底板移近量為252 mm,巷道整體完整性好,可以滿足工作面的正常生產。

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(責任編輯 張毅玲)

Study on failure mechanism and supporting technology of roadway with dynamic pressure in extra thick and broken seam

Lu Xinfei1,Lu Chengfei2
(1.Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037101,China; 2.Liuta Coal Mine,Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017200,China)

In order to solve the difficult problem of supporting in roadway with dynamic pressure in extra thick and broken seam of Jinzhuang Mine,buckling failure mechanism of the roadway was analyzed basing upon geological mechanics test of the roadway surrounding rock.By means of numerical simulation,theoretical analysis,engineering analogy,and so on,a rock bolting scheme with high strength,high rigidity,high pre-tightening force and strong yielding was put forward.The supporting scheme was applied in 5201 return airway,application results showed that the yielding supporting technology with high pre-tightening force could effectively control the buckling failure of the roadway.During mining in 8202 working face,two-sided displacement of roadway was 405 mm and the convergence between roof and floor was 252 mm,the roadway supporting effect was good.

extra thick seam,roadway in seam,roadway with dynamic pressure,rock bolting,high pre-tightening force

TD353

A

蘆新飛(1974-),男,山西省右玉縣人,本科學歷,工程師,主要從事煤礦井下巷道掘進和支護方面的工作。