高应力开拓巷道底鼓控制技术

·试验研究·

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高应力开拓巷道底鼓控制技术

李鹏，李磊

(洛阳义安矿业有限公司，河南 新安 471800)

摘要义安矿西翼开拓大巷埋深大，同时受断层的集中影响，巷道底鼓问题突出，严重影响巷道的掘进速度，为控制其稳定性，针对西翼大巷周围的围岩力学环境及地质条件对底鼓原因进行深入分析，依据该区域底鼓机理及成因，在全锚网索一次支护的基础上，制定二次长环形支架刚性支护。通过该方案的工业性试验，西翼大巷应力分布状况明显改善，有效控制了该区域的底鼓问题，煤巷顶板下沉量为50 mm，而巷道两帮的移近量<15 mm.

关键词高应力；开拓巷道；二次支护；底鼓控制

收稿日期：2015-01-29

作者简介：李鹏(1988—)，男，河南新安人，2012年毕业于平顶山工业职业技术学院，助理工程师，主要从事煤矿采煤掘进生产管理工作

中图分类号：TD327.3

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)03-0036-03

AbstractBecause the burial depth of Yi'an coal mine westside developing roadway is large and of which centrally affected by fault, the floor heave issues is outstanding, it seriously affects the roadway driving speed. In order to control the stability of surrounding rock, deeply analyzes the reason of floor heave aiming at the surrounding rock mechanics environment and geological conditions around the westside alleys. According to the mechanism and cause of floor heave, formulates the secondary long ring support rigid supporting on the basis of first supporting of full-time anchor net cables. Through the industrial test of the program, the stress distribution of westside roadway obviously improves, effectively controls the heaving floor in the region, the subsidence quantity of roadway roof is 50 mm, and the displacement of roadway two sides is less than 15 mm.

洛阳义安矿为新建矿井，为适应沿煤掘进巷道支护的发展趋势，该矿西翼大巷沿煤层顶板掘进，但面临着采深大、地应力高的问题，巷道掘进过程中底鼓问题突出，严重影响巷道掘进速度[1-2]，因此，有必要对该区域围岩力学环境及地质条件进行调研分析，查明底鼓原因，寻找合理的巷道支护方式，维持巷道长期稳定，减小巷道维护成本，同时为类似开拓巷道支护及底鼓控制提供参考。

1工程概况

义安矿西翼大巷开拓过程中，巷道沿煤层顶板进行掘进，巷道设计宽度为5 m，高度为4 m，上距砂锅窑砂岩49.10～75.33 m，平均58.20 m，下距L8石灰岩24.09～39.89 m，平均31.94 m，层位稳定。二1煤赋存标高为-800～-300 m，埋藏深度410～860 m，巷道断面为矩形。原支护参数：帮、顶为锚杆(索)支护，底板无支护，锚杆为d20 mm×2 400 mm无纵筋左旋螺纹钢高强伐套锚杆(强度500 MPa)，帮、顶的间排距均为900 mm×900 mm，锚索为17.8 mm×5 000 mm高强度低松弛钢绞线制，锚索排距1 400 mm，见图1.

巷道变形特征为：1) 胶带大巷两帮最大移近量

图1　巷道一次支护示意图

为1 668 mm，给行人运输造成不便。2) 轨道大巷底鼓量达到1 500 mm，严重影响正常运输。

2巷道底鼓原因分析

2.1构造的影响

义安矿井田断层较发育，断层位置存在有摆动性且多为导水断层。东翼大巷附近的巷道可能受F16、DF41、DF43三条断层的影响，尤其受落差15~150 m的F16毛屯大断层影响较大，巷道的最大水平主应力方向与F16毛屯断层面成45°-φ/2. 假定断层的内摩擦角为12°~20°，则最大的水平主应力方向与F16毛屯断层面成35°~39°. 根据目前对地应力的研究成果[3-5]，垂直应力与上覆岩层的重量成正比，且比例系数为上覆岩层的平均容重，水平应力与地质构造影响的程度有关。在地质构造复杂时，水平应力大于垂直应力，矿井最大水平应力与主要构造应力方向成一定夹角。对义安矿开拓巷道地应力分布进行估算。

义安矿开拓巷道埋深在600 m左右，假设上覆岩层的平均容重取27 kN/m3.

σv=γH=16.2 MPa

考虑到义安矿西翼开拓大巷附近有3条倾角为70°的断层，DF41落差为0～8 m，DF43落差为0～3 m，DF44落差为0～9 m，开拓巷道可能存在较大的构造应力的影响。从巷道严重的变形，可以看出，开拓巷道存在较大的构造应力，其值可能是垂直应力的数倍。

2.2岩性的分析

钻孔资料显示，巷道基本处于煤、泥岩、砂质泥岩等较软层位。底板中存在一薄层中、细砂岩，厚度不一，节理发育，而且完整性差。距离1 m之外的砂质泥岩完整性较差，节理、裂隙较为发育。在距离煤层14 m处存在富含水层的L9灰岩。因此，巷道底板岩层完整性并不好，节理、裂隙较为发育，容易引起底鼓。

2.3支护的影响

西翼大巷属于高应力巷道，由于一次支护对顶板和两帮进行锚网索支护，巷道底板没有进行支护，所以，巷道容易产生底鼓。

从巷道底鼓的地点和频率来看，局部地质技术条件变化和支护质量是引起急速底鼓的主要原因。如开拓巷道与回采巷道的交叉口，局部应力集中就非常严重。因此，有必要加强岩性和构造探测。

3工业性试验

根据义安矿主采煤层围岩结构特点以及围岩支护要求，开拓巷道围岩控制采用在一次支护锚杆锚索网喷支护的基础上，二次长环形支架刚性支护。

3.1一次支护效果分析

经过锚网索一次支护后，巷道变形情况见表1.

表1西翼大巷变形量表

由表1可以得出，经过锚网索一次支护后，西翼大巷的变形规律如下：

1) 多数巷道的变形在3~4个月后变形仍有增加，但并不能达到完全稳定，因此，进行二次支护是非常必要的。

2) 若以变形速率基本趋于稳定为基准进行判断，西大巷在一个半月能基本达到稳定，可以作为二次支护的支护时机。

3) 每条巷道内变形量差异较大，在各种复杂条件的作用下，巷道的局部地段两帮和底板都有快速发生变形的可能。对于局部巷道变形严重的巷道段，应进行加强支护，对锚杆或锚索破断的巷道段应进行破碎围岩并重新补打锚杆和锚索的工作。

总体来看，西翼大巷开掘以后，巷道整体表现为四周来压，经过锚网索一次支护两个月以后，巷道并未达到完全稳定。底鼓现象在整个大巷几乎全线发生，并在局部巷道地段有急速底鼓的现象。这些都充分说明，仅靠高强度锚网索一次支护难以维持大巷的长期稳定，有必要进行针对底板治理的全封闭金属支架的二次支护。

3.2二次支护方案效果考察

综合考虑巷道底鼓和两帮移近十分强烈，需选用圆形或方环形支架，见图2.

图2　长环形支架的形状参数图

采用应变片法长期监测支架的受力。试验架Ⅰ应变片测试的2012年12月13日—2013年3月9日周边应力分布情况见图3，试验架Ⅱ应变片测试的2012年12月13日—2013年3月9日周边应力分布情况见图4.

由图3，图4可以看出：支架上所有测点的轴向应力小于弹性极限350 MPa，大部分应力值并未超过弹性极限的30%，支架受力安全。但是第二个支架右上部分支架2月2日后也存在应力较高现象，其应力最高达到了弹性极限的80%，但随着时间推移，其应力有所降低；到3月9日时，应力降低到弹性极限的57%.从应力的正负情况来看，基本上在靠近长环形金属支架两帮处的U型钢承受压缩载荷，在靠近支架顶底板处的U型钢承受拉伸载荷。观测期间，尽管支架的受力并没有达到稳定，但试验支架测试的环形支架的轴向应力增加的幅度已经减慢。目前支架的受力是处于安全的范围，基本上是合理的。

图3　试验架Ⅰ应变片测试的周边应力分布图

图4　试验架Ⅱ应变片测试的周边应力分布图

此外，对二次支护后的长环形支架进行“十字”布点法的巷道变形监测，变形监测结果见表2.

表2长环形支架二次支护后巷道变形监测结果表

从表2中可以看出，在连续3个月的监测过程中发现，巷道顶底板的移近量为50 mm，而巷道两帮的移近量<15 mm. 在支架架设1个月后，支架四周巷道顶底板和两帮变形速率基本保持为零，大巷不再发生变形，这也说明全封闭长环形支架二次支护保证了巷道的稳定，取得了显著的效果。

4 结论

1) 西翼大巷原先采用的单纯锚网索支护方式，巷道变形相当严重；通过对西翼大巷围岩性质分析制定出二次支护方案。2) 通过应变片法对2个试验支架近4个月的测试数据，得到大部分应力值并未超过弹性极限的30%，支架受力安全。支架的受力是处于安全的范围，基本上是合理的。3) 巷道变形观测数据显示，巷道顶底板的移近量为50 mm，巷道两帮的移近量<15 mm，效果明显。

参考文献

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High Stress Developing Roadway Floor Heave Control Technology

LI Peng, LI Lei

Key wordsHigh stress; Development roadway; Secondary support; Floor heave control