双鸭山东荣二矿动压巷道破坏分析及支护技术

宋发生,孙喜庆

(双鸭山矿业集团有限公司生产技术部,黑龙江双鸭山 155100)

双鸭山东荣二矿动压巷道破坏分析及支护技术

宋发生,孙喜庆

(双鸭山矿业集团有限公司生产技术部,黑龙江双鸭山 155100)

Supporting Design and Optim ization for Roadway with Dynam ic Pressure in Dongrong 2nd Colliery in Shuangyashan

东荣二矿 17煤层围岩强度低,原设计支护形式不合理,在深井自重应力、构造应力及上位煤层开采引起的采动集中应力的叠加作用下,巷道围岩载荷超过其极限强度而破坏失稳。采用“锚杆 +钢带 +锚索 +金属网 +喷浆”的联合支护方案,有效控制了巷道的变形破坏,取得了良好的技术经济效果。

煤层巷道;采动应力;巷道失稳;锚杆支护

东荣二矿位于黑龙江省集贤煤田东南端,处在绥滨 -集贤拗陷带东荣向斜的东翼。井田内构造特征以 F9断层为界,北部为轴向北东 30～75°的八队向斜构造;南部为地层走向呈北西 10°,倾角 15～25°的单斜构造,并有次一级缓波状褶曲。主要可采煤层为16,17,18煤。16煤厚 1.45～1.94m,平均为 1.53m,17煤厚 3.55～4.33m,平均为3.76m,与 16煤层间距为 11.8～20.3m。18煤厚为 1.93～2.64m,平均为 1.99m,18煤与 17煤层间距为 12.55～15.81m。

井田内各煤层顶、底板均以粉砂岩、细砂岩和粉细砂岩互层为主,部分为中、粗砂岩。单向抗压强度范围为 58.8～153.5MPa。

东荣二矿在开采 16煤 7面时,位于其下方的17煤 8面材料道围岩变形严重,金属棚压弯变形失去承载能力,巷道断面收缩率大,最高超过50%,需要多次刷大巷道断面,重新架设密集金属棚、支设点柱,才能维持使用。如图 1所示。

图 1 东荣二矿 17号煤层巷道变形破坏形式

东荣二矿在 17号煤层回采巷道中,先后采用了多种支护方式,但均未有效地控制巷道的破坏失稳。由此可见,常规方法不能解决 17号煤层巷道支护问题,有必要对巷道破坏的原因进行深入研究,在此基础上提出有效的支护技术。

1 东荣二矿 17煤层巷道破坏原因分析

研究认为东荣二矿 17煤层巷道破坏受以下因素影响:

(1)高原岩应力 世界范围内地应力测量结果表明:垂直方向地应力值与埋藏深度成正比,即等于 Hγ(H为埋深,γ为岩石的密度)。矿井开采深度加大,使煤岩体中的原岩应力增加。东荣二矿浅部开采时,巷道支护难度不大,随着采深增加,支护越来越困难。东荣二矿开采深度已达 600m,超过了矿井围岩自稳的临界深度,表现出深井开采的矿压特征。

(2)地质构造因素 煤岩体中的应力条件是影响冲击矿压的最主要因素,而煤岩体中的应力状态直接受煤岩体中的地质构造的影响。地层的多次运动形成了各种各样的地质构造,如断层、褶曲、背向斜、煤层厚度变化带及岩性变化带等。在这些地质构造区附近,由于存在着地质构造应力场,通常使煤岩体的构造应力尤其是水平构造应力增加,直接导致巷道维护困难。在褶曲边缘部位、煤层走向和倾向变化处,特别是向斜轴升起的煤层转折处,是冲击矿压易发区。对于褶曲区域,由于褶曲是岩层在水平应力作用下挤压形成的,因此,通常情况下,该区域具有较高的水平应力,其受力特点如图 2所示。在图 2中,Ⅰ区为褶曲向斜部分,其垂直应力为压应力,水平应力为拉应力,最容易发生冒顶和冲击矿压;Ⅱ区为褶曲翼部,其垂直应力和水平应力均表现为压应力,也易发生冲击矿压;Ⅲ区为褶曲背斜部分,其应力状态为垂直受拉,水平受压,这部分通常是矿山压力最大的区域。

图 2 褶曲部分的受力状态及危险性

从东荣二矿的地质资料看,井田内存在大的断层、褶曲,岩层处于压缩状态,应力集中程度高,并在煤岩体中积聚了大量的弹性能,巷道开挖时,达到极限的弹性能向开采空间释放,就会造成巷道破坏。

(3)上层采动影响 在开采煤层群时,特别是近距离煤层群和特厚煤层分层开采时,不同煤岩层之间存在相互影响。这种相互影响在一定条件下就会导致煤岩体处于极限应力状态或高度的应力集中,最终引起巷道的破坏。

煤层的开采引起回采空间周围岩层应力重新分布,不仅在工作面前方煤体和采空区周围的煤柱上造成应力集中,而且该应力会向底板深部传递。所以,下位煤岩层内的巷道的稳定性会受到上方煤层开采的影响,影响的程度与开采煤层的厚度、层间距离、煤岩力学特性等有关。

图 3是东荣二矿 17煤层 8面材料道与 16煤层7面位置关系,可以看出,17煤层与 16煤层间距只有 20m,17煤层 8面材料道必然会受到上部 16煤层回采工作面采动应力及 16煤层留设的保护煤柱所产生的应力影响。

图 3 17煤层 8面材料道与 16煤层 7面空间关系

由于在不同时期 17层巷道与 16层工作面的位置关系均不同,所以所受的影响也不同。为了便于分析不同阶段时 16煤层工作面对 17煤层采准巷道的影响,将 16煤层工作面与 17煤层巷道掘进位置分为 4个不同阶段,如图 4所示。

图 4 16煤层采动对 17煤层巷道不同区段的影响

阶段Ⅰ:近原岩应力阶段,在该阶段内不受16煤层工作面采动支承压力影响,只受 16煤层保护煤柱所引起的应力变化影响,但是相对较小且随着距离的增大而减小。在该阶段内 17层采准巷道几乎不受影响。

阶段Ⅱ:工作面前方支承压力影响阶段,在该阶段内 16煤层工作面超前支承压力与煤柱应力叠加对 17煤层采准巷道共同影响。此阶段内应力比较集中,对 17煤层采准巷道的影响最大,应在此阶段内进行加强支护。

阶段Ⅲ:未稳定采空区阶段,在该阶段内由于16煤工作面刚采过后顶板并未完全垮落,采空区内的应力变化明显且不稳定,随时都在变化。而且此后煤柱的集中应力增大,向下传送的应力增大。此阶段内 17煤巷道不仅需要加强支护而且应随时观测巷道围岩变化,以便随时对其进行治理。

阶段Ⅳ:稳定采空区阶段,在该阶段内 16煤工作面采过后顶板已完全垮落,采空区内应力降低到最小值。在此以后的范围内巷道所受各影响应力已基本稳定,巷道中的加强支护可视情况减少。

(4)支护形式不合理 受采动影响严重的巷道,支护上应使用即有一定的可缩量又能保证足够的支撑力的支架。该巷道使用的工字钢金属支架是一种落后的被动支护形式,支护能力不足,没有可缩的性能,所以在压力突然增大时金属支架就发生变形破坏而失去支撑作用。

2 支护方案设计

2.1 支护方式选择

目前在煤矿采准巷道支护主要有 2类:一类是架设在巷道表面的棚式支架,另一类是植入巷道围岩内的锚杆支护。

棚式支架主要有木棚、工字钢支架、U型钢可缩支架等。其中木棚、工字钢支架为一梁两腿的支撑结构,支护强度低,不具备可缩性,在受到外载后,梁和腿比较容易弯曲或折断,从而导致整架失稳,不适合用于困难巷道的支护。U型钢可缩支架是由几段搭接而成,可以做成封闭的环状,靠搭接段的滑动可以有一定的缩量,由于其相对于其他棚式支架有较高的强度和一定的可缩量,在国内外某些困难巷道条件下被使用,取得较好支护效果。尽管如此,U型钢支架与锚杆支护相比,还有许多不足,如被动支护,其提供的支护强度有限,在冲击载荷的作用下,往往 U型钢的可缩性未来得及动作就被冲毁。

锚杆支护原理与传统的棚式支护不同,是一种主动支护形式,通过施加预紧力,可以实现早期承载,提高围岩的整体强度,符合有效利用围岩的自承能力的现代支护理念。近年来研究成功的超高强锚杆、强力锚索等支护材料使锚杆支护可以达到很高的支护强度。锚杆安装在钻孔中,和围岩锚固成一体,作为一种内在的支护形式,有非常好的自身稳定性,在与围岩协调变形中持续地发挥着支护作用。另外,锚杆主要利用了金属杆件的抗拉性能,而棚式支架主要应用了金属梁的抗弯性能,而金属构件的抗拉性能是远远高于其抗弯性能的,在同样用钢量下,锚杆支护的效率是棚式支架的几十倍。锚杆支护具有良好的延伸性,与围岩同步协调变形,不易失稳,相对于石材、型钢支架,锚杆支护的延伸量为其可缩量的几倍到几十倍。

锚杆支护由金属网、钢带、托盘等支护附件与锚杆、锚索一起形成立体的支护体系:锚固剂、锚杆、锚索与围岩粘结成一体,形式一定厚度和强度的加固体;由金属网、钢带、托盘等在巷道表面形成了一个封闭的柔性金属护表层。柔性金属护表层可以控制围岩变形,阻止围岩的破碎和冒落。锚杆、锚索支护必须施加预应力,实现主动支护。

根据以上分析,确定 17煤材料巷基本支护方案为:锚杆 +钢带 +锚索 +金属网 +喷浆联合支护,如图 5所示。在采动影响严重阶段要采用架工字钢梁、液压单体支柱支护作为加强支护。

2.2 支护参数确定

动压巷道采用锚杆支护结构,锚杆密度应相应增大,用增大均匀压缩带厚度的办法提高锚杆支护抗力。同时,锚杆密度增大,减少了锚杆间围岩的跨度,使锚杆支护抗力分布更均匀,减少了锚杆间岩体的应力变形,防止其开裂、剥落。这样,既促进围岩更加稳定,适应动压的变形位移作用,又防止了锚空现象,发挥了锚杆的应有作用。

图 5 17煤层材料道基本支护方案

在集中压力大、围岩强度低的情况下,最好采用全长锚固锚杆,使锚杆在较大位移下仍能保持有足够的锚固力;也可以采用可伸缩锚杆,以适应围岩的变形,有效地调整和控制围岩的压力和位移。

锚杆必须有足够的强度,托板、金属网等附件应与锚杆相匹配。锚杆支护必须施加预紧力,锚杆、锚索的预紧力应达到破断强度的 40%～60%,以便使锚杆锚固力能更均匀地分布在围岩中,更好地控制锚杆间岩体的稳定。托板的规格应稍大一些,尤其是在煤层中的动压巷道,起到护表和传力作用。在使用中发现锚杆支护强度不足或失效时,应及时采取补打锚杆或其他加强措施。

基本支护方案的支护参数:

高强度锚杆:间距 800mm;排距 800mm;长2000mm;直径 20mm;锚索:间距 1600mm;排距1600mm;长6000mm;直径 15mm;托梁:W型钢带长 2800mm,宽 250mm;树脂药卷:锚杆CK2335,K2835;锚索 CK2335,K2335;托板:锚杆顶板采用 <150mm铸铁托板;两帮采用木托盘,规格 300mm×150mm;锚索托板采用钢板,规格150mm×150mm×12mm;金属网:菱形钢筋网;顶板1000mm×5000mm;帮部 1000mm×3000mm;加强支护参数为:工字钢梁 +单体液压支柱,柱距0.5～1.0m。

巷道围岩稳定性观测表明,优化后的支护方案达到了预期的支护效果。在巷道形成 2个月后围岩变形小,巷道稳定、完整,基本保持原有状态。

3 结论

(1)东荣二矿 17煤层围岩强度低,支护形式不合理。矿井开采深度大,断层、褶曲等地质构造内存在着构造应力场,自重应力和构造应力的叠加,导致巷道围岩原始应力水平较高。上位煤层的开采引起的采动集中应力向下传递,与原始地应力再次叠加,致使巷道的受力超过其极限强度,造成巷道的破坏失稳。

(2)东荣二矿采用“锚杆 +钢带 +锚索 +金属网 +喷浆”的联合支护方案,有效控制了受上层采动影响巷道的变形破坏,现场观测结果表明该支护方案科学合理,满足了生产要求,巷道局部地段需采取加强支护措施。

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[责任编辑:于海湧]

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1006-6225(2010)03-0070-03

2009-07-21

宋发生 (1955-),男,辽宁宽店人,工程师,现任双鸭山矿业集团生产技术部副部长。