全煤开拓大巷联合支护技术研究.doc

全煤开拓大巷联合支护技术研究 李永杰 焦煤集团公司，河南焦作 摘要赵固一矿开拓大巷布置在煤层中，巷道具有应力高、顶底板岩性差、服务时间长、断面大等特点。介绍了该矿采用的高强锚网索一次支护、长环形支架二次支护以及壁后注浆的联合支护技术。测试结果表明，该联合支护方式成功保证了全煤开拓大巷的稳定，具有一定的参考和推广价值。 关键词开拓大巷；联合支护；长环形支架；高应力；软岩 赵固一矿是焦煤集团公司新建矿井，年设计生产能力240万t。主采二1煤层，煤层倾角2--6，平均厚度6．5 m，属近水平发育的稳定性厚煤层。煤系地层上部被巨厚新生界地层覆盖，新生界地层平均厚480 m，煤层埋藏深度平均580 m，具有煤层埋藏较深、松散覆盖层厚、基岩薄等特点。 煤层直接顶厚3--6 m，岩性为砂质泥岩、泥岩和少部分砂岩，泥岩、砂质泥岩抗压强度分别为8．5-23．2，13．0--36．0 MPa；基本顶多为厚8--12 m的中粗粒砂岩大占砂岩，局部相变为砂质泥岩，抗压强度16．4--79．9 MPa。煤层底板以泥岩、砂质泥岩为主。顶底板泥岩和砂质泥岩分化或吸水后强度明显降低，并有泥化、崩解现象。在断层发育处，岩石原生结构遭到破坏，裂隙发育，强度降低严重。 矿井进行单一厚煤层开采，具备煤层厚度稳定、单斜赋存、低瓦斯、无自然发火性、地质构造相对简单等有利条件，为在全矿井范围内实现巷道布置在煤层中奠定了基础。矿井3条开拓大巷均布置在煤层中，缩短了建井周期，降低了采掘费用。但由于开拓巷道服务时间长，将其布置在煤巷中，必然会增加支护成本和维修成本。另外，巷道周围应力较高，煤层顶底板存在较厚的泥岩和砂质泥岩，这些岩石遇裂隙渗水，强度骤然下降，对巷道的稳定极为不利。通过钻孔窥视和声波探测的方法，探明大周围的 松动圈范围在3 m左右。根据资料，该类巷道属于Ⅵ类极软围岩类型，属于大松动圈软岩巷道，必须采用二次支护及联合支护方式。为此，对薄基岩高应力软岩条件下，全煤开拓巷道开采的综合支护方式进行了试验研究。 1、高应力软岩全煤大巷支护理念 赵固一矿高应力开拓巷道大变形围岩稳定控制的理念从以下3个方面进行考虑 1一次支护让压，围岩体达到较低变形速率下的力学平衡，充分发挥围岩承载力；二次大刚度高强度支护，避免巷道周边围岩和瞬时强度高承载位置的围岩体的再次应变软化与蠕变导致的状态恶化、岩体承载力降低，减小巷道围岩体偏应力，促进围岩应力向长期强度和稳定的流变停止、应力状态转化。 2一次支护让压，要进行高强支护，实现深部和浅部围岩体的共同承载。 3大刚度、高强度二次支护，补偿由于流变产生围岩体切向应力降低的部分。 2 联合支护方案选取 根据赵固一矿主采煤层围岩结构特点，开拓巷道围岩控制采用一次支护锚杆锚索网喷支护、二次长环形支架刚性支护，对于局部破碎严重地段，采用壁后深部注浆加固措施。 2．1 锚杆锚索网喷一次支护 一次支护的原则是进行高强支护，及时主动支护围岩，防止围岩破碎范围增大及冒顶事故发生，但允许围岩适当变形，为二次永久支护奠定基础。支护材料采用锚杆、锚索、金属网以及辅助支护材料。支护原理要发挥锚杆和锚索各自的作用，并实现二者的协调支护。以东翼胶带大巷为例，介绍一次支护方式图1。 1锚杆的布置方式。顶板为6根锚杆，间距900mm，两帮为5根锚杆，间距为900mm，锚杆排距参照间距确定为900 mmo顶板和两帮的锚杆均采用无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆强度500 MPa，材质为20MnSi，规格为020 mm、长2 400 mm，配拱形托盘和高强螺母。加长树脂锚固，钻孔φ28 mm，顶锚杆用2支M2360型树脂锚固剂锚固，锚杆预紧力不小于50 kN。顶帮全断面铺φ6．5 mm钢筋网，挂钢筋梯。金属网网片规格1 000 mmx2 000 mm，网孔100mmxl00mm，网片搭接宽度100mm，网片之间用14*铅丝连接，钢筋梯用φ14 mm的Q235圆钢制作。 2两帮锚杆。采用左旋螺纹钢高强锚杆，规格为φ20 mm、长2 400 mm，钻孔φ28 mm，加长锚固，每孔2支M2840型树脂锚固剂锚固。 3锚索的布置方式。顶板锚索顶板锚索为7股高强度低松弛钢绞线制，锚索排距2 000 mm，每排布置2根点锚，锚索规格为φ17．8 mm x 6 300mm；锚索外露长度不大于300mm，用3支M2360型树脂锚固剂锚固；锚索预紧力不小于100 kN，锚固力不低于200 kN；锚索托盘用10 mm钢板制作，规格为250mmxl20mm。帮锚索帮锚索为7股高强度低松弛钢绞线制，锚索排距1 400 mm，每排两帮各布置2根点锚，锚索规格为φ15．24 mm x 5 000mm，锚索外露长度不大于300mm，用3支M2360型树脂锚固剂锚固；锚索紧跟掘进工作面安装，中间垫加与锚索托盘相匹配的厚度80 mm的木板。 2．2 长环形支架二次支护 U型钢可缩性支架具有较高的初撑力，支护强度大。其最大优点是当围岩作用于支架上的压力达到一定值时，支架便产生屈服缩动，缩动的结果使围岩作用于支架上的压力下降，从而避免了围岩的压力大于支架的承载力而导致支架破坏。在大巷掘进约2个月后，巷道变形速度趋缓或基本稳定时进行长环形支架支护。长环形支架图2采用36U型钢加工制作，每棚4节组成，搭接段长度450 mm，用3个标准卡缆连接。棚与棚之间用16 mm钢板制作的拉杆连接，每棚4个拉杆，4个搭接处各1个，棚 500 mmn。 2.3 支架壁后注浆加固技术 赵固一矿大巷二次支护采用长环形U型钢金属支架，架后用钢筋焊网及编织袋内装煤矸石填充，架间距0．5m。由于受到地质条件变化和顶板裂隙水的影响，使得巷道断面成型较差，尤其两帮部分产生片帮现象，使得支架壁后较空，支架不能均衡受力，个别卡箍螺栓绷断，支架支撑失效。同时巷道底板遇水软化膨胀底鼓。鉴于巷道状况，在采用其他支护措施如喷浆、打锚索、支架加强、底部支架、疏水等的同时，对局部巷道较差围岩地段的顶帮进行注浆加固，从而与一次和二次支护共同构成一个联合支护体，以保障巷道较长时间的稳定。 2．4 支护效果评价 为了掌握全煤大巷的变形情况，在东翼胶带大巷建立了3个测点进行长期变形量测，测点间的距离为20 m。观测结果表明，在前1个月内，东翼胶带大巷两帮的变形速率大于4 mm／d，最大达42mm／d；此后，两帮变形速率减小，2个月后，变为2mm／d左右，两帮的最大变形量达到560 mm。 测站所测巷道底板的变形有一定的差异，采掘1个月内，一个测站的底板变形速率从开始的5mm／d减小至2mm／d，底鼓量约在100mm。而另一个测站，在1个月内，其底板的变形速率在4-7mm／d，最大变形速率达到10．33 mm／d；此后，该测站底板变形速率有减小趋势，到2个月后变为2．5mm／d，底板最大变形量达到424 mm。 巷道掘出2个月后，进行长环形金属支架二次支护。二次支护后前1个月内，巷道顶底板和两帮的总变形量都小于15 mm，此后，1．5个月后变形稳定下来。可见，高强锚网索一次支护、长环形支架二次支护以及壁后注浆的联合支护方式，成功地解决了高应力、大断面、软岩煤层大巷的支护难题。 3 结语 赵固一矿结合自身地质条件，将开拓大巷布置在煤层中，减少了联络巷，简化了生产环节和系统，为主、辅运输实现连续化、高效化创造了条件，同时缩短了建井周期，减少了采掘费用，缓解了初期投资的井巷建设费用，也缓解了矸石山占地的矛盾，并且能最大限度地发挥综掘设备效能，为矿井高产高效建设创造十分重要的条件。但是将大巷布置在煤层中，也存在一些不利条件，由于大巷服务年限长，煤巷的支护和维修成本通常比较高。 7