楊文忠

(1．河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454150;2．霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西霍州031400)

李雅莊礦深部松散煤層巷道支護技術研究

楊文忠1，2

(1．河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454150;2．霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西霍州031400)

李雅莊礦2－6081巷道屬于深部松散煤層巷道，支護困難。在該巷內(nèi)進行了地應力測試，分析了巷道變形特征，提出了“強護表、快支護、高預緊力”的支護技術，采用新材料支護并進行井下試驗，結(jié)果表明:地應力以垂直應力為主，屬于中等應力區(qū);巷道變形特征為幫部移近速度快、變形持續(xù)時間長、變形量大，兩幫移近促進底鼓，導致底鼓嚴重;新支護在巷道淺部圍巖形成強度較高的預應力承載結(jié)構(gòu)，巷幫錨桿受力較小，兩幫移近量在200 mm以內(nèi)，支護效果顯著。

深部巷道;松散煤層;地應力;支護技術

李雅莊礦開采2#煤層，回采巷道在煤層中沿頂板掘進，2－6081巷埋深超過600 m，屬于深部開采范疇［1］，2－6081巷平行于落差11 m大斷層，距斷層20 m，受大斷層影響煤層松散破碎［2，3］，巷道類型屬于深部松散煤層巷道，巷道維護困難［4－6］．本文在2－6081巷內(nèi)進行了地應力測試，分析了該巷的變形特征，提出了“強護表、快支護、高預緊力”的支護技術，并在井下進行了試驗，取得了顯著的支護效果。

1 工程概況

李雅莊礦是霍州礦區(qū)埋深較大的礦井，六采區(qū)2－6081巷埋深超過600 m，煤層厚度3.26 m，含0.2 m厚的夾矸，煤層傾角5°～16°，平均7°，受臨近斷層影響，煤體松散破碎。直接頂為泥巖，厚度1.3 m，之上依次為1 m厚的細粒砂巖，2.5 m厚的粉砂巖。直接底為泥巖，厚度0.8 m，往下依次為1.4 m厚的細砂巖，5.87 m厚的砂質(zhì)泥巖。巷道在原支護方式下掘進300 m，巷道兩幫移近量超過1 000 mm，底鼓嚴重，已經(jīng)開始起底。

采用SYY－56型水壓致裂地應力測量裝置在2－6081巷內(nèi)進行了地應力測試，最大水平主應力為14.62 MPa，最小水平主應力為8.40 MPa，垂直應力為15.03 MPa;為σV＞σH＞σh型應力場，根據(jù)相關判斷標準:0～10 MPa為低應力區(qū)，10～18 MPa為中等應力區(qū)，18～30 MPa為高應力區(qū)，大于30 MPa為超高應力區(qū)。由此判斷，測試區(qū)域地應力場在量值上屬于中等應力值區(qū)域，水平應力比較低的原因主要是受臨近斷層影響。相關研究結(jié)果表明，水平主應力對巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔么笥趯ο锏纼蓭偷挠绊?，垂直應力主要影響巷道的兩幫受力和變形，地應力場類型不利于巷道幫部煤體保持穩(wěn)定。

2 2－6081巷變形特征

經(jīng)過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)巷道變形特征如下:

1)巷道幫部移近速度快。在掘進后兩幫移近量幾天內(nèi)就超過300 mm，幫部煤體破碎嚴重，出現(xiàn)網(wǎng)兜。

2)巷道幫部移近持續(xù)時間長。巷道距迎頭100 m后幫部變形還在持續(xù)，原因主要是巷道埋深較大，再加上臨近斷層影響地應力場復雜，幫部煤體破碎，巷道圍巖應力穩(wěn)定時間長。

3)巷道幫部移近量大。兩幫移近量最大1 000 mm，原因主要是幫部采用鋼筋托梁護幫，護表能力差，鋼筋托梁與幫部為線接觸，不但不能很好地把錨桿預緊力擴散到幫部煤體中，還使錨桿預緊力集中在與鋼筋托梁接觸的煤體上，使鋼筋托梁附近煤體由于應力集中而破碎，沒能在巷幫淺部形成剛度較高的承載結(jié)構(gòu)，導致巷幫變形持續(xù)增大。

4)底鼓嚴重。巷道掘進1個月后就開始起底，底鼓的原因主要是巷道埋深較大，地應力高，底板沒有支護，再加上兩幫移近量大，導致底鼓嚴重并且持續(xù)時間長。

3 2－6081巷支護設計

3.1 支護技術

根據(jù)巷道變形特征提出如下支護技術:

1)提高護表構(gòu)件強度和剛度，采用W鋼護板護幫。W鋼護板與巷道的接觸面積較大，可以使錨桿預緊力和支護阻力有效地擴散到距錨桿較遠的煤體中，充分發(fā)揮單根錨桿的支護效果，提高錨桿的工效。

2)及時支護。目前巷道掘進后幫部空幫距離較大，由于巷道開挖后幫部由三向受力狀態(tài)變?yōu)槎虬胧芰顟B(tài)，此時幫部最容易產(chǎn)生變形，應該及時支護恢復幫部的三向受力狀態(tài)，減少幫部破碎煤體節(jié)理裂隙的進一步發(fā)育。

3)提高錨桿預緊力。目前幫部錨桿預緊力矩不足200 N·m，預緊力矩較低導致錨桿預緊力偏低，不能充分發(fā)揮錨桿主動的支護能力，應把預緊力矩提高至300 N·m以上，提高預緊力后，預緊力在巷道圍巖中的擴散情況見圖1．由圖1可以看出，預緊力通過W鋼護板的擴散作用幾乎作用于整個巷道圍巖表面，使巷道淺部圍巖恢復至較好的三向應力狀態(tài)，減少幫部煤體強度的降低，在幫部形成承載能力較高的預應力承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮幫部煤體承載能力。

圖1 錨桿預緊力擴散情況圖

4)采用新型錨桿托盤。原托盤為圓形，承載力曲線見圖2，承載力不足130 kN，而錨桿的破斷強度為186 kN，托盤的承載能力與錨桿強度不配套，錨桿受力到一定程度后出現(xiàn)托盤翻轉(zhuǎn)錨桿失效的現(xiàn)象，導致錨桿的支護作用不能充分發(fā)揮，不僅浪費錨桿材料還影響了支護效果。而且圓形托盤不能安裝調(diào)心球墊和減摩墊片，導致錨桿預緊力矩與預緊力轉(zhuǎn)化效率低，錨桿受復合應力嚴重，當錨桿與巷道表面不垂直時，錨桿會受到較大的剪切和彎曲受力而發(fā)生破斷。采用高強度拱形方托盤增加了減摩墊片和調(diào)心球墊，有效解決了上述問題，提高了錨桿與其支護構(gòu)件的配套性。

圖2 錨桿托盤及其承載力曲線圖

3.2 支護設計

1)頂板支護。

錨桿桿體為直徑22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度335 MPa，長度2 400 mm，樹脂加長錨固，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，一支規(guī)格為Z2360。托盤采用拱型高強度托盤，為150 mm× 150 mm×8 mm，配合高強托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈。W鋼護板護頂，厚度4 mm，寬280 mm，長度450 mm．錨桿排距1 000 mm，每排6根錨桿，間距900 mm．錨桿預緊扭矩要達到300 N·m．錨索材料為d22 mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，延伸率7%，長度5 300 mm，鉆孔直徑30 mm，采用3支樹脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，兩支規(guī)格為Z2360.錨索托盤300 mm×300 mm×14 mm高強度可調(diào)心托板。錨索為“二·二間隔”布置，排距2 000 mm，錨索間距1 800 mm．錨索預緊力為250～300 kN．

2)兩幫支護。

錨桿桿體為直徑22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度335 MPa，長度2 400 mm，樹脂加長錨固，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為CK2340，一支規(guī)格為Z2360．錨桿托盤采用拱型高強度托盤，托盤為150 mm×150 mm×8 mm，配合高強托板調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈。W鋼護板護幫，厚度4 mm，寬280 mm，長度450 mm．錨桿排距1 000 mm，每排每幫4根錨桿，間距1 000 mm．錨桿預緊扭矩要達到300 N·m．

錨桿全部垂直巷道頂板和幫部打設，考慮到施工需要，允許5°誤差。支護圖見圖3．

圖3 巷道支護設計圖

4 礦壓監(jiān)測

新支護應用后進行了礦壓監(jiān)測，安裝8個幫部錨桿測力計，左4#及右1#測力計受水影響讀數(shù)不正常，其余幫部錨桿的受力變化情況見圖4，從圖4中可以看出:

1)除頂右2#錨桿預緊力較低為11 kN，其余5根錨桿預緊力在31～52 kN，這5根錨桿的預緊力均達到了桿體屈服強度的30%以上，能達到高預應力支護要求，安裝時錨桿的預緊力矩均在300 N·m以上均符合設計要求。

圖4 兩幫錨桿受力情況圖

2)幫部錨桿受力增加較大，測站距掘進頭15 m左右時錨桿受力開始穩(wěn)定，在60 m左右最大幫部錨桿受力78 kN．

3)幫部錨桿受力整體較小，原因主要是錨桿施加高預緊力后，在巷幫淺部形成了剛度較大的預應力承載結(jié)構(gòu)，減少了兩幫的變形量，也使錨桿受力變小。

巷道兩幫移近量監(jiān)測結(jié)果表明，巷道穩(wěn)定后兩幫移近量不足200 mm，支護效果較好。

5 結(jié)論

1)6081巷最大水平主應力為14.62 MPa，最小水平主應力為8.40 MPa，垂直應力為15.03 MPa;為σV＞σH＞σh型應力場，地應力場在量值上屬于中等應力值區(qū)域，地應力場類型不利于巷道幫部煤體保持穩(wěn)定。

2)巷道變形特征為巷道幫部移近速度快、變形持續(xù)時間長、變形量大，兩幫移近量大促進底鼓，導致底鼓嚴重。

3)“強護表、快支護、高預緊力”的支護技術，在巷道淺部形成強度較高的預應力承載結(jié)構(gòu)，采用與錨桿配套性更好的新型錨桿托盤，充分發(fā)揮錨桿支護能力，礦壓監(jiān)測結(jié)果表明幫部錨桿受力不大，兩幫移近量在200 mm以內(nèi)，巷道變形情況較原支護有明顯降低。

［1］張志康，王連國，單仁亮，等．深部動壓巷道高阻讓壓支護技術研究［J］．采礦與安全工程學報，2012(1):33－37.

［2］余偉健，高謙，靳學奇，等．受斷層構(gòu)造影響的深部巖體現(xiàn)場調(diào)查及力學特征分析［J］．地球物理學進展，2013(1):488－497.

［3］劉武麟．臨近斷層回采巷道圍巖變形特征及支護技術研究［D］．青島:山東科技大學碩士論文，2010.

［4］康紅普．深部煤巷錨桿支護技術的研究與實踐［J］．煤礦開采，2011(1):1－5.

［5］康紅普，王金華，林?。哳A應力強力支護系統(tǒng)及其在深部巷道中的應用［J］．煤炭學報，2007(12):1233－1238.

［6］康紅普，王金華，高富強．掘進工作面圍巖應力分布特征及其與支護的關系［J］．煤炭學報，2009(12):1585－1593.

Research on the Roadway Supporting Technology of Deep Loose Coal Seam in Liyazhuang Coal Mine

YANG W enzhong

2－6081 roadway of Liyazhuang coalmine belongs to deep loose coal seam roadway，and the support is difficult．Ground stress test is conducted in roadway，the deformation characteristics of roadway is analyzed，and the support technology is put forward．New material is adopted to support and the test is carried out undergound．The results show that vertical stress plays a dominant role in ground stress，itbelongs to themedium stress zone．The deformation characteristics of roadway is that two sides approaching speed is fast，the duration of deformation is long，the deformation is high．The approaching of two sides leads to severe heaving floor．The new supporting forms the higher strength prestressed bearing structure in shallow surrounding rock of roadway，the stress of anchor in roadway two sides is lesser，the displacement of two sides is within 200 mm．The supporting effects is remarkable．

Deep roadway;Loose coal seam;Ground stress;Support technology

TD353

B

1672－0652(2015)09－0045－03

2015－08－18

楊文忠(1982—)，男，山西洪洞人，2009年畢業(yè)于太原理工大學，工程師，主要從事礦井生產(chǎn)技術工作(E－mail)908099041@qq．com