复合支护技术在“三软”煤层综放回采巷道中的应用

张建华,赵 军,赵贵彬

(1.呼伦贝尔学院,内蒙古海拉尔 021008;2.大雁二矿,内蒙古大雁 021122)

复合支护技术在“三软”煤层综放回采巷道中的应用

张建华1,赵 军2,赵贵彬2

(1.呼伦贝尔学院,内蒙古海拉尔 021008;2.大雁二矿,内蒙古大雁 021122)

Application of Combined Supporting Technology in Roadway of Fully-mechan ized Caving M in ing Face with Soft Roof,Soft Coal and Soft Floor

随着开采深度的不断增加,“三软”煤层综放回采巷道失稳现象越来越严重,巷道维护非常困难。大雁二矿经过不断探索与实践,利用预应力锚索复合支护技术,在“三软”煤层综放回采巷道支护方面取得了成功。

复合支护;“三软”煤层;预应力锚索

1 工作面概况

大雁二矿现已采至三水平 (50m水平),开采深度为 540～600m,30号煤层为该水平的主采煤层,褐煤,属白垩系下统大磨拐河组中部含煤岩段,其煤层走向为 215～244°,倾向为 305～334°。三水平二段综放工作面位于第 12勘探线至第 18勘探线之间,煤层平均厚 13.85m;两巷高 2.5m,宽3.5m;端口处断面高 3.05m,宽 4.0m;顶煤平均厚度 8.96m,底煤平均厚度为 2.39m;煤层倾角最大 21°,最小 15°,平均 17°;煤层结构为:3.75 (0.25)m,8.63(0.08)m,1.14m。煤质硬度系数 f=2～3,直接顶为 0.93m厚的粉砂质泥岩,固结性较差,较软;基本顶为 4.8m厚的中砂岩,胶结程度较差,较松散;直接底为 1.45m厚的泥岩,固结性较好。属典型的“三软”煤层工作面。由于综放工作面两巷断面大,围岩又不稳定,采用棚式支架、“锚杆 +金属网”等支护形式,经常出现前掘后翻的现象,都不能达到有效维护巷道的目的。

2 回采巷道失稳因素分析

2.1 围岩性质

三水平二段综放面煤层顶底板均为泥质岩层,胶结程度较差、比较松软,岩层的风化、泥化、吸水潮解、流变等性能较强,导致煤层围岩的抗压强度极低,只有 1.01～9.06MPa;煤层层理较发育,含有 2层软弱夹层,夹层面较光滑;夹层和围岩中均含有伊利石和高岭石等吸水矿物,吸水导致煤体和岩体膨胀,膨胀率为 0.15%～11.39%。这些性质的存在,对综放工作面回采巷道的稳定造成了不同程度的影响。

2.2 水文地质条件

三水平二段综放工作面受向斜褶曲影响,煤层节理裂隙发育,煤层含有少量的裂隙水;在本工作面上部是三水平一段采空区,有采空区积水;煤层顶板砂岩中含水等。由于受采动影响,将使这些水沿煤岩裂隙向下流动,使煤层富水。又由于煤层夹层及围岩中含有伊利石和高岭石等,当煤层和岩层中含水时,伊利石和高岭石等将吸水膨胀,导致岩层潮解、泥化和流变,使煤层和围岩的强度大大减弱、自承力大大降低,从而引起回采巷道失稳。

另外,煤层富水,也会使煤层底板泥岩吸水膨胀,造成底鼓使巷道失稳。

2.3 地质构造

三水平二段综放工作面呈宽缓向斜构造赋存,向斜轴位于第 13勘探线附近,并且该工作面内有5条三维地震断层,断层落差平均为 0～4m。由于向斜构造和断层的存在,导致煤层破碎、节理裂隙发育、压力增大,造成综放工作面回采巷道顶板冒落,底板鼓起。

2.4 开采深度

随着开采深度的增加,矿山压力也越来越大,回采巷道的稳定性也越来越差。三水平二段综放工作面开采深度为 540～600m,根据计算可知,由上部岩体重量引起的垂直应力为 12.38～14.02MPa,而煤层和顶板泥岩的抗压强度分别为 9.13MPa和3.91MPa,所以,在岩体自重作用下,回采巷道会受到破坏。

2.5 煤层中软弱夹层

三水平二段综放工作面煤层中含有 2层软弱夹层,厚度分别为 0.08m和 0.25m。在煤层及围岩原始应力状态破坏后,煤层及围岩的应力重新分布,在煤岩应力的重新分布过程中,煤层受剪切应力作用后,将沿软弱夹层面移动,促使回采巷道也沿软弱夹层错移,进而导致回采巷道失稳。

3 预应力锚索复合支护技术的应用

3.1 预应力锚索复合支护作用机理

随着开采深度的增加,围岩压力越来越大,矿压显现越来越强烈,原先采用的棚式支架或“锚杆 +金属网”支护已不能有效地支护巷道。经过大量的试验研究,在围岩压力大、矿压显现强烈的“三软”煤层巷道,采用“锚索 +锚杆 +金属网”的支护形式是行之有效的。

锚杆长度小,形成的压力圈薄且离巷道壁近,这个压力圈的自承载能力较小。在开采深度浅,巷道矿压小、围岩松动圈薄时,锚杆的支护作用很明显;而在开采深度大,巷道矿压大、围岩松动圈厚度大时,锚杆的支护作用很难发挥。锚索的长度远远大于锚杆,承载能力强,在预应力作用下形成的围岩压力圈厚度大而且向巷道周围纵深发展较远,在围岩破碎、矿压较大的情况下,锚索形成的压力圈恰好给锚杆提供了一个可靠的支护依托,形成大小 2个围岩压力圈共同作用支护的状况。此时,锚索形成的大压力圈除自承能力外,还承受巷道深部围岩的重量及压力,并将压力转移到深部围岩,大大减小锚杆形成的小压力圈的压力,成为小压力圈的保护圈。

由于锚索长度大,间距也很大,在预应力作用下形成压力区的同时,两锚索之间还会形成较大的拉应力区。而锚杆短,间距小,当锚杆的长度适当时,可基本消除锚索之间的拉应力,锚索压力区和锚杆压力区组合成厚度更大的压力圈。

锚索可以把大块的松动岩石悬吊于深部岩层中,对小块危岩则发挥不了作用;而锚杆可把小块危岩悬吊于锚索压力圈上。

金属网可保护锚杆之间的围岩,形成 “锚索+锚杆 +金属网”支护体系。

3.2 预应力锚索复合支护技术参数的确定

针对“三软”煤层综放回采巷道断面大、围岩应力大等特点,经反复试验,确定巷道支护参数,每 3.2m打 2根锚索,配 2m长的钢带,在端口大断面处及局部破碎段改为每 1.6m打 2根锚索。预应力锚索 +锚杆 +金属网复合支护方案如图1所示。

图1 锚索锚杆支护断面

锚杆为 <16×1800mm树脂锚杆,1个树脂药卷锚固;锚索为 <15.24×5500mm,3个树脂药卷锚固;锚杆托盘为 120mm×120mm×8mm铁托盘;锚索托盘为 200mm×200mm×8mm铁托盘;钢带为2000mm×10mm×5mm;锚杆间排距为 750mm ×800mm;锚索间排距为 1500mm×3200mm; 1500mm×1600mm(端口大断面处及局部破碎段);金属网规格为 6000mm×900mm,用12号镀锌铁丝编制;锚杆锚固力为 60～70kN;锚索预紧力为 60～80kN。

锚索垂直顶板向上打眼;顶板两侧的锚杆向外倾斜 70～80°打眼,两帮的上下锚杆分别向上、向下倾斜 70～80°打眼。

3.3 矿压观测分析

在三水平二段综放工作面运输平巷掘进和回采期间布置了 4个观测断面,每个断面设置顶、底板和两帮 4个观测点,对巷道表面变形量进行了观测,观测结果见表 1。

表1 运输平巷表面位移观测结果

从三水平二段综放工作面运输平巷表面位移观测结果可以看出,“锚索 +锚杆 +金属网”支护在掘进期间的矿压显现不明显,巷道围岩变形在 14d左右逐渐稳定;而在回采期间,由于巷道受超前采动支承压力的影响,矿压显现比掘进期间明显增大,但不影响巷道的使用,巷道受超前采动支承压力的影响范围为 50m左右。支护效果显著。

3.4 经济效益

二矿每年用预应力锚索复合支护技术支护的回采巷道约 3200m,按翻修费用 900元/m计算,可节省翻修费 288万元,按每年平均翻修 2次计算,可节省翻修费 576万元。另外,又节省了一个翻修队 (组)。同时,保证了回采工作面的正常生产。

4 结束语

采用棚式支架或“锚杆 +金属网”支护“三软”煤层综放工作面回采巷道,巷道出现前掘后翻的占 50%以上,巷道维护十分困难,严重影响了综放工作面的正常生产。采用预应力锚索复合支护技术 (锚索 +锚杆 +金属网)后,在整个掘进和回采期间,巷道稳定性非常好,没有发生前掘后翻及冒顶事故,有效地解决了“三软”煤层综放回采巷道维护困难的问题,具有很高的推广应用价值,经济效益和社会效益十分显著。

[1]东兆星,吴士良.井巷工程 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[2]杜善周 .回采巷道矿压规律与锚杆支护技术研究 [J].煤炭工程,2006(2):58-60.

[责任编辑:王兴库]

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2010-05-25

张建华 (1961-),男,黑龙江双鸭山人,教授,现主要从事煤矿开采及安全技术的教学、研究工作。