水浸煤柱沿空掘巷的锚梁网索支护.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0019- 03 水 浸 煤 柱 沿 空 掘 巷 的 锚 梁 网 索 支 护 赵焕中 1,刘永庆1,何炳银2,杨张杰2 1. 淮 南矿 业集团 ,安徽 淮南 232000; 2. 合肥 煤研 所,安徽 合 肥 230001 摘 要文章介绍了水浸煤柱沿空掘巷锚梁网索联合支护的试验情况及矿压显现特点,并就该类巷道的 锚梁网索支护,分析了存在的问题,提出了进一步改进的技术措施。 关键词沿空巷道;水浸煤柱;锚杆支护 中图分类号T D 353.6 文献标识码B 淮南煤田的煤层属易燃煤层。 采煤面回采收作 后,为防止采空区遗煤自然发火,淮南矿区各矿均 采用了向采空区大量灌注黄泥浆的预防措施。 黄泥 浆沉淀析水后造成采空区大量积水,使采空区边缘 的煤体及煤层顶底板遭水浸泡,煤岩体强度弱化。 煤柱及煤层顶底板被水长期浸泡后,下阶段巷道沿 空掘进能否采用锚梁网支护,如何进行锚梁网支 护 淮南矿业集团潘一矿对此进行了试验,并取得 了成功。 1 试验巷道的地质条件 试验巷道为 13- 1煤层 26113综采面上顺槽。 巷道顶板是复合顶板。煤层直接顶由泥岩、 砂质泥 岩 及 13- 2煤 层 构 成, 厚 3. 05 ～ 7. 55 m, 平 均 4.65 m,其中,13- 2煤厚 0.5～0.9 m。直接顶中的 砂质泥岩性脆,裂隙发育;泥岩遇水膨胀变形。 老顶 是砂质泥岩及砂岩,厚 3.78～7.15 m。底板是泥 岩,厚 1.9～3.1 m。老顶中的砂岩为泥钙质胶结, 单向抗压强度约为 50 M Pa 。 试验巷道长 910 m,埋深 550 m,巷道煤柱宽 7 m。巷道上部是 2 个月前收作的 16173综采面 采空区。16713综采面,煤厚 4.5～5.0 m,采高 3.0 m,采空区底板遗煤厚 1.5～2.0 m。由于采取 注 浆 防 灭 火 措 施, 该 采 空 区 因 灌 浆 而 积 水 达 560764 m 3。 因断层构造的破坏和影响,试验巷道高 低起伏,其最大高程差达 18 m。根据预计,试验巷 道上部采空区积水的最大水头高度达到 18 m,见 图 1。巷道掘出后,煤柱巷帮普遍潮湿、 挂汗、 渗水, 甚至出现涓状流水。为防止采空区积水压溃煤柱, 掘进中,在巷道低洼处布置并施工了 3 组放水孔。 在放水孔内安装可控放水管。 放水一直持续到工作 面回采结束。 在放水孔处采取了加强支护措施。顺 便指出,在类似条件的巷道中,因放水孔封堵不严 实和未采取加强支护措施,曾发生放水冲溃放水孔 的事故,淹没了整条巷道。 2 试验的基本情况 2.1 巷道支护设计 巷道掘进分两部分,一部分沿煤层顶板掘进, 煤厚 4.38～5.0 m,平均 4.6 m,煤层倾角 6 ,巷道 底板煤厚 1.8 m左右;另一部分沿顶煤掘进,顶煤 厚 1 m左右,底板煤厚 0.8 m左右。巷道掘进断面 形状为斜矩形,中高 2.8 m,宽 3.6 m,掘进断面积 10.08 m 2。巷道采用锚梁网索联合支护。每 3 棚支 架为 1 组,每组中第 1、 2 棚由 1 根槽钢梁、 1 根锚 索和 4 根锚杆组成,第 3 棚由 1 根槽钢梁、 2 根锚 图 1 试验巷道水浸纵向剖面图 收 稿日 期2003- 04- 18 作 者简 介U赵焕中 1959- ,男,高 级工程 师,现任 淮南潘 一矿矿 长。 91矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1 图 2 试验巷道锚梁网索支护设计方案 索和 3 根锚杆组成,简称 “1-1-2” 布置。 锚杆和锚索 均穿过槽钢梁锚入顶板。 在槽钢梁与顶板之间铺设 金属网。 巷帮采用锚带网支护金属网紧贴煤帮,用 扁钢加工而成的钢带水平铺设,并压紧金属网,锚 杆穿过钢带锚入煤帮。 巷道上帮每棚布置 4 根和下 帮每棚布置 3 根锚杆。支架棚距 0.8 m,见图 2。 2.2 顶板支护方式的调整 在试验过程中,发现巷道矿压显现剧烈,锚杆 与锚索发生损坏。为加强顶板支护,提高顶板支护 强度,对顶板支护方式进行了两次调整。 第 1 次,将 顶板支护方式由 “112” 调整为 “122” ,即每 组支架中增加 1 根锚索。 第 2 次将顶板支护方式由 “122” 调整为 “222” ,即每棚支架布置 2 根 锚索,并将支架棚距缩小为 0.7 m。支护方式调整 后,巷道的支护状况显著好转。 2.3 煤柱侧煤帮渗透水的处理 巷道掘进及回采期间,尽管采取了放水措施, 但巷道仍有约 2/3 长度的沿空侧煤帮潮湿、 渗水, 甚至淋水,局部区段的顶板还有滴水、 淋水,甚至呈 柱状从钻孔中流出。在巷道的低洼处和断层附近, 煤柱侧巷帮因淋水片帮塌落成坡面状,随时有坍塌 可能。为防止煤柱完全破坏以至坍塌,试验中先后 对几处危险地段进行了加强支护;在空顶处增打单 体锚杆。通过采取这些措施后,避免了片帮的继续 发展,保证了巷道危险区段的安全。 2.4 巷道的矿压显现 试验巷道的矿压显现表现如图 3。 1 掘进初期围岩变形量大。特别是掘进后 1 星期内,围岩变形速度最高达到 120 mm/d 。 2 掘进影响时间长。围岩剧烈变形阶段长 2 个月左右,掘进期间,围岩变形量达 500 mm以上。 3 围岩变形无稳定阶段。掘进影响阶段过 后,围岩变形并没有进入相对稳定阶段,而是进入 缓慢匀速发展阶段。巷道等待时间越长,变形量越 大。巷道围岩变形速度 1.5 mm/d左右。 4 巷道两帮移近量与顶底板移近量基本相 等,两者呈同步增长发展态势。 5 巷道采动变形剧烈。工作面回采时,围岩 发生剧烈变形。在采取超前加强支护的情况下,巷 道围岩采动变形量高达 1000 mm左右。临近工作 面时,围岩变形速度高达 200 mm/d ;巷道断面收 敛率达到 50 ～80 。 6 采 动影响范围大。工 作面回采 时,超 前 200 m左右,巷道受到采动影响;超前 150 m,巷道 受到显著影响;超前 100 m,巷道受到剧烈影响。 图 3 巷道围岩位移曲线 3 存在问题与分析 3.1 水浸煤柱的破坏与坍塌 由于上阶段采空区大量积水,煤柱经水浸泡后 的强度大大降低,尽管煤柱宽度 7 m,但在顶板压 力特别是支承压力作用下,煤柱基本上被破坏,局 部呈坍塌状。水浸的煤柱被破坏后,其可锚固性严 重降低,锚杆难以发挥支护作用。7 m煤柱尚且如 此,如果继续缩小煤柱,其情况将更加严重;如果增 加煤柱宽度,煤柱的煤炭损坏加大。如何提高水浸 煤柱的可锚固性,从而提高煤柱的承载能力和巷帮 锚杆的支护效果,成为水浸煤柱沿空掘巷锚梁网支 护的一大难题。 3.2 锚杆与锚索的损坏 相当数量的顶板锚杆与锚索的损坏,是试验中 存在的突出问题。 在沿顶煤掘进区段,情况更严重。 为保证巷道安全,其间,不得不对部分损坏的锚杆 和锚索进行补打。 锚杆与锚索损坏的形式主要是杆 体破断。 断裂的部位,锚杆杆体均位于螺纹段,钢绞 线大多数位于孔口内不远处。 断裂的发展过程一般 为 2～3 周。 特别是掘进后第 2 周,锚杆与锚索损坏 最多,反映出这期间顶板压力处于发展活跃期。锚 02 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理 杆与锚索的损坏具有以下规律 1 锚杆、 锚索的损坏率与巷道位置有关。巷 道底板越低,即采空区水头高度越高,损坏率越高。 2 锚杆、 锚索的损坏率与巷道顶板岩性有 关。 沿顶煤区段的损坏率远高于跟煤层顶板掘进的 区段。 3 锚杆损坏在先,锚索损坏在后。 部分区段, 锚杆安装后第 2 d就被拉断,而锚索一般在安装 1 星期左右开始有损坏。 这也反映出顶板压力是由浅 入深逐渐向上发展的。 4 锚杆与锚索损坏具有相关性。从整体上 看,锚杆损坏较多的地方,锚索损坏也较多。 但从某 个时间段或某个区段来看,锚杆损坏较多时,锚索 损坏较少;相反,锚索损坏较多时,锚杆损坏较小。 分析认为,锚杆与锚索损坏的主要原因是 1 水浸煤柱承载能力低,甚至基本丧失可锚 固性。 顶板压力基本上由工作面侧煤体和支护结构 体承担,增大了顶反锚杆与锚索的载荷。 2 巷道顶板岩层遇水产生膨胀变形和形变 压力。 采空区积水,不仅使煤柱受到浸泡,也使一定 高度范围内的煤层顶板岩层受到浸泡。 煤层顶板中 的泥岩经水浸泡后,一旦掘进揭露,便产生严重膨 胀变形;伴随着岩层的膨胀变形,在锚杆与锚索伸 长率很小的情况下,势必产生很大的形变压力。 3 锚杆与锚索联合支护不协调。 锚杆与锚索 联合支护的支护效果并非等于它们两者简单的叠 加。 锚杆与锚索联合支护,只有在布置方式、 支护参 数及支护工艺上充分协调,才能取得较好的总体支 护效果;否则,其有可能蜕变为锚杆单独支护或锚 索单独支护。 试验中,部分区段发生先锚杆损坏、 后 锚索损坏的情况,不能不说与协调性有关。 3.3 巷道围岩严重变形 巷道围岩变形量一般为 1400～1600 mm,局 部区 段达到 1700 mm 左 右;巷道 断面 收敛 率为 50 左右,局部区段达到 80 。巷道围岩变形量, 掘进期与回采期大体上各占一半,为保证巷道正常 使用,不得不大量卧底,在部分变形严重区段,还重 新套架 U 型钢支架。 应该说,该类水浸煤柱沿空掘 巷的围岩变形,并非由于采用锚梁网索支护而变得 更加严重;相反,在采用 U 型钢支架支护时,情况 更加糟糕支架几乎全部损坏,巷道断面收敛率普 遍达 80 以上,巷道在回采前都要重新返修,重新 涮大,重新架棚。其次,采用锚梁网索支护时,对于 减小巷道的变形,煤柱的承载能力显得更加重要, 而煤柱的破坏以至于基本失去承载能力,加剧了巷 道的变形。 第三,巷道的变形,特别是回采期间巷道 的变形,主要受到采动的影响,即受到采场整个上 覆岩层下沉、 弯曲、 运动的影响。锚杆、 锚索支护只 能控制其锚固深度范围内岩层的下沉和弯曲,但难 以阻止采场整个上覆岩层的下沉和弯曲。 在煤柱基 本丧失承载力、 煤柱侧巷帮锚杆的支护作用严重减 弱的情况下,采场整个上覆岩层的下沉和弯曲就几 乎变成自由的了。 第四,少量锚杆和锚索的损坏,并 没有及时补打,也减弱了对巷道围岩变形的控制。 4 结论 1 在水浸煤柱沿空巷道中采用锚杆与锚索 联合支护,在技术上是可行的。 试验表明,与架棚支 护相比,可以减小巷道围岩变形量,改善巷道的支 护状况,有利于工作面的快速推进。 2 水浸煤柱沿空巷道采用锚杆与锚索联合 支护时的矿压显现特点主要表现为煤柱被水浸破 坏甚至坍塌;顶板岩层产生较大的膨胀变形和较大 的形变压力;巷道围岩变形无稳定期;巷道围岩变 形、 特别是回采期间的变形剧烈,变形量大。 3 在水浸煤柱沿空巷道中采用锚梁网索支 护,应该增大锚杆与锚索的可伸长量,或采用可伸 长锚杆和锚索,以适应顶板岩层膨胀变形的特点; 应该加强锚杆与锚索联合支护的协调性,以提高联 合支护的总体支护效果;应该扩大回采期间超前加 强支护的范围,以减小回采期间巷道的变形量,必 要时,可适当套架金属支架。 4 如何合理留设水浸煤柱的宽度,防止水浸 煤柱的破坏和坍塌,提高水浸煤柱的可锚固性和承 载能力,是水浸煤柱沿空巷道锚梁网索支护需要继 续研究的问题。 上接第 18 页 4 锚索作为补强支护,它能将锚网梁形成的 支护结构紧紧地锚到深部坚硬岩石或原岩区,不仅 承担了锚杆支护的一部分支护阻力,使锚杆能长期 有效地发挥其支护作用,且能避免围岩松动圈的进 一步扩大,从而阻止了围岩进一步变形和膨胀应力 的增大,有利于保持巷道的长久稳定。 5 该种支护结构具有一定的柔性,能允许巷 道产生少量位移和变形,使围岩内聚能得以充分释 放,从而可缓解和避免支护体与围岩强对抗作用下 引起巷道的破坏。 12矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1