含水软弱夹层顶板煤巷梯次支护技术应用研究.pdf
第4 9 卷 第9 期 煤炭工程 C0 AL ENGI N EE RI NG Vo 1 . 4 9, No . 9 do i 1 0.1 1 7 99 /c e 2 01 7 O 9 O1 8 含水软 弱夹层顶 板煤 巷梯次支护技术应 用研 究 谢 志红 ,施现 院 ,李 向阳 1 .淄博矿业集团有限责任公司 许厂煤矿,山东 济宁2 7 2 0 7 3 ; 2 .淄博矿业集团有限责任公司,山东 淄博2 5 5 0 0 0; 3 .山东省充填开采工程技术研究中心 ,山东 淄博2 5 5 0 0 0 摘要为 了研 究梯次支护对煤巷软弱夹层顶板 的支护效果 ,以许厂煤矿 为工程 背景 ,分 析 了梯 次支护机理 ,开展 了顶板 泥岩的耐崩 解性试验 和膨 胀性试验 ,重点研 究 了梯 次支护在 3 3 1 5运输巷的应用效果。结果表明泥岩耐崩解性指数平均大小为 7 7 . 9 2 % ,最大膨胀应 力为 0 . 9 5 MP a ,最大膨胀率为 3 . 5 %,水对软弱夹层弱化作用较强。在巷道掘进和 回采期间,巷道 两 帮最大收敛量分别为 8 2 m m和 1 4 9 mm,顶底板最大移近量分别为 1 0 m m和 5 4 9 m m,顶板最大离层 量 7 mm。这充分表明梯次支护用于煤巷含水软弱夹层顶板支护是科 学合理的,可 以在工程 中推 髓 。 关键词 软弱夹层 ;复合顶板;梯 次支护 ;软岩 ;深部开采 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 7 0 9 0 0 6 7 0 5 Ap pl i c a t i o n o f mul ti l e n gt h s u pp o r t t e c hn o l o g y i n c o a l r o a dwa y wi t h a q ui f e r o us s o f t a n d we a k i nt e r l a y e r r o o f XI E Z h i h o n g , S HI Xi a ny u a n , L I Xi a n gy a n g ’ 1 . X u c h a n g C o a l Mi n e ,S h a n d o n g E n e r g y Z i b o Mi n i n g G r o u p C o . ,L t d . ,J i n i n g 2 7 2 0 7 3 ,C h i n a ; 2 . S h a n d o n g En e r gy Z i b o Mi n i n g Grou p C o ., L t d ., Zi b o 2 5 5 0 0 0, Ch i n a ; 3 . S h a n d o n g P rov i n c i a l R e s e a r c h C e n t e r o f B a c k fi l l Mi n i n g E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ,Z i b o 2 5 5 0 0 0,C h i n a Ab s t r a c t T o s t u d y t h e e f f e c t o f mu l t i l e n g t h s u p p o r t t e c h n o l o g y i n c o a l r o a d wa y w i t h a q u i f e r o u s s o f t a n d w e a k i n t e r l a y e r r o o f . F i r s t l y ,we t o o k t h e e n g i n e e ri n g b a c k g r o u n d o f Xu c h a n g Co a l Mi n e t o a n a l y z e t h e me c h a n i c al me c h a n i s m o f mu l t i l e n g t h s u p p o r t ; t h e n,we c a r r i e d o u t t h e d i s i n t e g r a t i o n t o l e r a n c e e x p e ri me n t a n d e x p a n s i o n e x p e rime n t o f r o o f mu d s t o n e ; an d f o c u s e d o n t h e a p p l i c a t i o n e f f e c t s o f t h e s u p p o rt t e c h n o l o g y i n t r a n s p o rt a t i o n r o a d wa y o f 3 3 1 5 wo r k i n g f a c e . A s a r e s u l t , t h e a v e r a g e d i s i n t e gra t i o n t o l e r a n c e i n d e x o f r o o f mu d s t o n e i S 7 7 . 9 2 % t h e ma x i mu m e x p a n s i o n s t r e s s a n d r a t i o a r e 0 . 9 5 MP a a n d 3 . 5 % . r e s p e c t i v e l y . I t p r o v e s t h a t t h e w a t e r h a s a we a k e n i n g e f f e c t o n the s t r e n gth o f s o ft an d w e a k i n t e r l a y e r . F u rt h e r mo r e , d u ri n g r o a d w a y t u n n e l i n g a n d e x c a v a t i o n, t h e max i mu m c o n v e r g e n c e o f r o a d w a y ri b s a y e 8 2 ram a n d 1 4 9 mm,t h a t o f r o o f a n d fl o o r a r e l O mm a n d 5 4 9 mm, r e s p e c t i v e l y,a n d t h e ma x i mu m r o a d wa y r o o f s a p a r a t i o n d i s p l a c e me n t i s 7 mm. Ob v i o u s l y,t h e r e s u l t s p r o v e t h a t t h e mu l t i l e n gth s u p p o rt t e c h n o l o gy h a s a g o o d s u p p o rt i n g e f f e c t f o r c o al r o a d w a y c o a l r o a d wa y w i t h a q u i f e r o u s s o f t a n d we a k i n t e r l a y e r r o o f. Ke y wo r d ss o ft a n d w e a k i n t e r l a y e r ;c o mp o s i t e r o o f ;mu l t i l e n gth s u p p o rt;s o ft r o c k;d e e p mi n i n g 软弱夹层顶板是煤矿最显著的地层特征之一 ,加之易 受 顶板裂隙水 损伤 影响 ,其 支护 一直是 个难 题 。随 着开 采 强度和深度的加大,巷道布置形式由简单地质条件下的浅 埋拱形巷道向复杂地质条件下深埋矩形巷道发展,无疑对 支护提出了更高的要求 。鉴于此 ,国内外学者对软弱夹 层顶板支护 开展 了大 量 的研 究 ,如李 长 权 等 采用 R F P A 软件模拟了软弱夹层对巷道稳定性的影响;崔希鹏等 给 出了复合顶板破坏机理,由此对葛亭矿复合顶板巷道支护 设计进行了优化;王卫军等⋯解释了厚层软弱顶板锚索失 效原因,并提出了锚索参数设计新方法;宋斌 针对软弱 收稿 日期 2 0 1 6 0 9 0 5 基金项 目山东省泰山学者专项经费资助项 目 2 0 1 3 0 9 作者简介谢志红 1 9 8 2 一 ,男,山东泰安人,主要从事矿井安全生产与技术管理工作,E m a i l a u s t c s u 0 7 1 1 1 6 3 . c o n。 引用格式谢志红,施现院,李向阳.含水软弱夹层顶板煤巷梯次支护技术应用研究 [ J ] .煤炭工程,2 0 1 7,4 9 9 6 7 71 . 6 7 煤炭工程 2 0 1 7年第9 期 煤层碎胀顶板提出短锚索支护技术 ,取得了很好的应用效 果 ;刘安秀等 研究了软弱夹层本构模型及其分布层位对 巷道稳定性的影响;陈军 针对软弱复合顶板提出了锚 网 索梁支护技术;李东伟等 提出了 “ 锚杆 长锚杆 5 m ” 联合支护方案。此外 ,张农等 研究 了顶板软弱夹层渗水 泥化对 巷道稳定性 的影响 ;姚强 岭等 。 。 提 出 了富水巷道 概 念,阐述了其特征 、类别和分顶控制思路,对含水软弱顶 板失稳变形规律进行了研究 ;康红普等 对水岩作用开 展了深入研究 ,取得了丰硕的成果。实践表明,梯次支护 技术针对软弱夹层顶板支护效果较好 。对此 ,作者尝试 将其用于优化许厂煤矿支护方式。 l 软弱夹层顶板梯次支护力学分析 梯次支护分三个阶段 ①一阶造壳阶段 ,利用预应力锚 杆、金属网、M型钢带及相关配件及时对掘出巷道进行主动 支护,根据顶板淋水和破碎情况决定是否注浆加固,该阶段 作用是改善围岩性能和应力状态,发挥围岩 自承作用,在巷 道表面一定范围形成一定承载结构 ,可防止局部 冒顶、片帮 和控制裂隙的扩展;②二阶强化阶段,采用中长锚杆或短锚 索配合槽钢等构件锚固下部软弱岩层 ,强化锚固承载机构; ③三阶组合阶段 ,采用高强预应力长锚索、大托盘等构件将 软弱夹层组合悬吊起来,形成类刚性梁,锚固在顶部稳定岩 层中,调动深部稳定岩层的承载能力,减小各阶段岩层间离 层和变形。梯次支护力学模型示 意图如 图 1 所示。 ‘。 _ _ _ . . _ _ ‘ ‘ 。 _ - 7 | - 『t ‘ ‘ 0 ‘ ’ 。 0 f ,l三 阶 支 护 一、- - 一 - - 一 - 一 ,- f l , , 阶支护 ⋯一一■一一■一一- Ⅲ●一-■一●一一-_ 一 I I I J 一 卜 阶哀护 L , _一 I 一-一一 - 一_ 、 J 口 1 6 图 1 软弱夹层顶板巷道梯次 支护力学模型 H 1 i 3 2 1 设巷道跨度为 b ,顶板破断梁的跨度向巷道外偏移距离 为 a ,巷帮为非稳定 围岩,显然,顶板破断岩梁长度 2 2 。6 。 直接顶受覆岩载荷为 g , ,巷帮对直接顶岩梁的反作 用力载荷服从三 角形 分布 ,记为 g 0 ,覆岩岩层 容重记 为 0 , 厚度记为 ,第 n 层位为关键层,则有 g 1 ∑0 I 2 由竖直方向上的力学平衡条件可得 1 } d q 0 2‘ g l r l h 1 z 2 以巷道顶板中点为原点建立直角坐标系, 轴方向为巷 道跨度方向,Y 方向为巷道覆岩方向,直接顶岩梁在不同位 置 一0 . 5 l 0 . 5 1 处的剪力和弯矩分别为 6 8 f 2盟 a 2 , 2 等 , 一 一 告 { 一 一 啪 lf 一 号 告 【 q l 、I 12 一 2 。 譬 一 ,告 3 q l I 一 q l I l , 一 1 一 告 警 一 q2l 2l_L 一 了q lla , 一 告 告 筹 一 一 q l I 1 . .. 2 b 一 当直接顶岩梁宽度为单位宽度 1时 ,任意截面上的剪 应力 rF / h ,则巷道边帮上的剪应力最大,为 f I 一 rI z 5 _ 巷道直 接顶顶板 中部下边界处拉 应力最大 ,为 o r 一 1 6 了 _ q o 采用梯次支护时,锚固范围内为组合类刚性梁,其厚 度显然比一般锚 网索支护时大的多,此时直接顶可近似为 刚性梁,假设组合层个数为 ,则类刚性梁厚度为 h , 其 受的 竖向 载 荷 为q i ∑ h , 最 大 剪 力在 巷 帮 处 为o . 5 b q i 。 同样,计算刚性梁最大弯矩和拉应力分别为 { , 2 口 6 3 6 2 。 7 【 “ 一 由力学分析可知,采用梯次支护形成类刚性梁后 ,破 断岩梁承受的竖向载荷变小。同时,破断岩梁的厚度大大 增加,极惯性矩增大,拉应力 自然变小。巷帮顶板上方剪 应力最大 ,比锚 网索支护的最大剪应力小约 0 . 5 b q / h . 一 q /h ,拉应力在巷道中部顶板下边界处最大 ,与常规锚 索网支护的最大应力值之比为 砰q / 一 g 。 。显然,采用梯 次支护 围岩 应力变小 ,有利于 围岩变形 的控制 。 2工 程概 况 许厂煤矿开采3 煤层 3 3 0 5 、3 3 0 3工作面时,发现巷道 顶板类型为软弱复合顶板 ,巷道掘进中顶板有滴水和淋水 现象,受复杂构造应力和采矿 活动影响,巷道变形剧烈 , 现有支护难以有效控制围岩。鉴于此,矿山采用梯次支护 技术优化现有支护方式,并在 3 3 1 5预备工作面轨道巷开展 工业试验。3 3 1 5工作面为一宽缓背斜,外部呈 向斜构造 , 面内三维地震勘探有九条大断层,最大的 D F 6 1落差 9 m, 局部地区还有火成岩侵蚀区,地质条件较复杂。3 3 1 5工作 面煤 层 均 厚 6 . 5 m,平 均 倾 角 1 8 。 ,埋 深 一1 7 6 . 3一 2 0 1 7年第9 期 煤炭工程 一 3 4 4 . 0 m。巷道断面似矩形,尺寸为4 . 4 mx 2 . 8 m 净宽 中 层存在,直接顶含软弱夹层,厚度约 3 . 1 m,基本顶厚度约 高 ,顶板岩性主要为泥岩、细砂岩、粉砂岩,且有泥化夹4 9 . 4 1 m。经室内测试,折减后的煤岩物理力学参数见表 1 。 表 1 煤岩 物理力学参数 3 基 础 实验 3 . 1 耐 崩 解试验 黏土类岩石和风化岩石在水岩和风化作用下 ,容易发 生崩解剥落现象。岩石耐崩解性指数 则可表示该类岩石 遇水软化及崩解时所表现出的抵抗能力指标 ,通过耐崩解 性试 验可 以测 出 ~ , , l a 1 0 0 % 8 一 m 式中, 为岩石二次循环耐崩解性指数;m” 为二次循 环崩解后残 留试件烘干质量,g ;m为试件实验前烘干质 量 ,g 。通过 现 场 顶 板 泥 岩 取 样 ,在 室 内加 工 成 5 0 mm 5 0 ra m X 5 0 ra m试件 2 O组,采用 S C L一1耐崩解性试验仪进 行耐崩解试验。挑选 1 0个有代表性的试件实验结果进行分 析 ,见表 2 。 表 2 耐崩解性指数 测定 结果 注 m 为一次循环后试件烘干质量 。 由试验结果可知,顶板泥岩试件的耐崩解性指数大小 平均为7 7 . 9 2 %,根据甘布尔崩解耐久性分类法可知,工作 面顶板泥岩崩解性属中等耐久性。 3 . 2膨胀 性试 验 试验采用 Hu d e rA m b e r g试验方法进行,主要考察泥 岩浸水后体积不变时的最大膨胀应力及不同应力路径有侧 限条件下的膨胀率。现场采用干钻法对顶板泥岩取样 ,在 室内加工成 F S 0 m m X 2 0 m m的圆柱体试件 3组。实验仪器采 用 Y P一1 型岩石膨胀 压力机 测定岩 石 的膨 胀应 变。膨胀 试 验结 束 后,施 加 载 荷 测 量 膨 胀 率。最 大膨 胀 应 力 为 0 . 9 5 M P a ,最大膨胀率为3 . 5 %,见表 3 。 由结果可知 ,软弱夹层的结构和矿物成分致使其与水 长期作用会使岩体弱化,导致岩体强度降低 ,极不利于顶 板的稳定。因此,针对含水顶板必须要对顶板施加足够的 支护强度和较大的预紧力,根据顶板渗水情况必要时要进 行疏排水,从而减轻顶板水对岩层的弱化。 表 3 膨胀性试验结 果 4 工 程应 用 4 . 1 原有支护方案 矿山原针对 3 3采区 3 . F 煤层工作面巷道支护采用锚 网 索支护。顶板锚杆为高强度螺纹钢锚杆,尺寸为 2 0 m m 2 0 0 0 m m,间排距 均为 8 0 0 mm,锚杆结合金属 网和 M型钢 带,然后再辅助 3根锚索加强支护,锚索尺寸为 1 8 . 9 m m 7 2 0 0 ram,间 排距 为 2 0 0 0 ra m x 1 6 0 0 ra m。巷道 两 帮 采 用 1 8 m m 2 2 0 0 mm锚杆支护,间排距均为 8 0 0 m m。 4 . 2 梯 次 支护 方案 原先锚网索支护不能形成有效承载结构,顶板出现台 阶下沉,两帮收敛量大,巷道矿压显现剧烈。尤其是在采 动期间,巷道必须挑棚刷断面。现采用梯次支护方案对 3 3 1 5下巷进行支护 。 针对顶板采用梯次支护一阶支护,采用锚杆、钢筋 网和 M5型钢带支护,锚杆规格为 2 2 m m 2 5 0 0 ra m的左旋 螺纹钢,间排距为 7 0 0 mm,托盘型号为 M1 0型 ,钢筋网用 q b 6 mm钢 筋 加 工,规 格 2 0 0 0 m m X 1 0 0 0 ra m,网孔 规 格 6 9 煤炭工程 2 0 1 7 年第9期 7 0 ram 7 0 m m, 搭接长度不小于 1 0 0 mm,采用双股 1 4 铁丝 链接;二 阶支护,在 两钢 带 2 、5 孔 采用 西1 8 . 9 m m 4 0 0 0 m m短锚索强化承载机构 ,通过 “ 一梁二索”形式链 接 ,眼距 1 . 8 m,钢梁采用矿用 l 6 槽钢 ,长 2 . 2 m。三阶支 护,采用 2~3根单体长锚索组合承载结构,形成类刚性 梁,锚 索 规 格 q b l 8 . 9 m m 7 5 0 0 ram,间排 距 1 8 0 0 ra m 7 0 0 ra m,单体大托盘规格 4 0 0 m m 4 0 0 ra m1 2 m m。 巷帮支护巷帮支护形式如同顶板一阶支护。此外, 为了控制两帮部变 形 ,沿 巷道 轴 向在边 帮 中央采 用锚 索梁 加固支护,锚索规格 1 8 . 9 ram7 5 0 0 m m,钢梁采用矿用 1 6 槽钢,长 2 . 2 m,锚索眼距 1 . 8 m。 4 . 3梯 次 支护效 果分 析 3 3 1 5下巷梯次支护效果试验段 自巷道通尺牌 3 0 0 m至 8 5 0 m结束 ,布置 3个测站,位于巷道通尺牌 4 0 0 m、5 5 0 m 和7 0 0 m处,分别记为 1 、2 、3 ,测点布置示意图如图2 所示 。 l f 。一一一 一一一一 I I 图 2 测点布置示意 图 对测站定 期观测 ,主要 包 括巷 道两 帮 A B收 敛 量和 顶 底板 C D移近量,掘进期间测站观测结果如图 3所示 ,回 采期间距工作面不同距离测站观测到的巷道变形量如图 4 所 示 。 里 删 O 观测时间 图 3 掘进期 间巷道变形量 观测结果 由图 3 、4可知 ,掘进期 间巷道变形较小 ,两帮 A B 最大移近量为 8 2 ra m,顶底板 C D 最大移近量 1 0 ra m,在三 个月后巷道变形基本趋于稳定。回采期间,顶底板 C O 最 大移近量 5 4 9 mm,两帮 A B 最大移近量为 1 4 9 m m,距离工 作面越近,巷道受采动影响越剧烈,变形量越大。回采期 间,巷道不需要成规模进行超前支护,对个别 区域顶板进 行单体加强支护即可。此外 ,为进一步检测梯次支护效果, 在下巷 3 测站处布置 L B Y一3型顶板离层仪监测在掘进期 70 鞍 图 4 回采期 间巷道变 形量 观测结果 间顶板离层情况 ,发现锚杆锚固范围内没有离层 ,只有锚 杆锚 固范围外出现离层 ,最大离层量为 7 m m,三个月后趋 于稳定 ,与巷道变形持续时间相符 ,离层变化情况如图 5 所示。以上监测结果说明,梯次支护技术的巷道围岩变形 量小,软岩离层值较小,基本无淋水,不需疏排水措施。 主要是因为梯次支护锚 固力大 ,顶板受到的拉剪应力变 小 ,相当于增大了岩层轴压,减小 了围岩的渗透系数 ,抑 制了顶板泥 岩 的崩 解和膨 胀。此外,梯 次支 护排距 为 7 0 0 mm,多工序分段作业不窝工,每班 5排循环进尺,同 比原支护 8 0 0 m m排距每班 4排进尺变大 ,且支护密度同 比变大 ,也是梯次支护方式有效控制巷道围岩变形 的原 因 之 一 。 图 5 掘进 期间巷道顶板离层观测 结果 5结论 1 阐述了梯次支护机理,梯次三阶支护将锚固体组合 成一个类刚性梁,同比普通锚杆 索 支护 ,梯次支护方式 下破断岩梁承受 的竖 向载荷大大变小 ,岩梁厚度 等效 增大 , 极惯性矩变大 ,受的拉应力和剪应力大大减小 ,围岩二次 应力变小,可以有效控制顶板变形。 2 针对许厂煤矿顶板含水特征,针对顶板泥岩开展了 耐崩解试验和膨胀性试验,得 出泥岩耐崩解性指数大小平 均为 7 7 . 9 2 % ,最大膨胀应力为 0 . 9 5 M P a ,最大膨胀率 为 3 . 5 %。可见,水对软弱夹层弱化作用较强 ,工程中必须制 定可靠的疏排水措施 ,梯次支护在一阶造壳阶段可以通过 注浆有效封堵顶板淋水。 3 梯次支护技术在许厂煤矿 3 3 1 5运输巷的应用结果表 明,掘进 和回采期 间,两帮最 大收敛 量分别为 8 2 mm和 gⅡ / 迥啮龆 ∞∞鲫 ∞∞ 蛳∞∞ m 2 0 1 7年第9 期 煤炭工程 1 4 9 ram,顶底板最大移近量分别为 1 0 mm和 5 4 9 mm,顶板 最大离层量 7 m m。梯次支护针对软弱夹层顶板支护效果较 好 ,可 以在 工程中推广应用 。 参考文 献 [ 1 ] 康 红 普 ,王 金 华,林健.煤 矿 巷道 锚杆 支 护应 用实 例 分 析 [ J ] .岩石 力学 与工 程学 报 ,2 0 1 0,2 9 4 6 4 9 6 6 4. 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