特厚破碎煤层动压巷道失稳破坏机理及支护技术研究

芦新飞卢成飞

(1.大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司,山西省大同市,037101; 2.中国神华神东煤炭集团柳塔煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017200)

特厚破碎煤层动压巷道失稳破坏机理及支护技术研究

芦新飞1卢成飞2

(1.大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司,山西省大同市,037101; 2.中国神华神东煤炭集团柳塔煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017200)

为解决金庄矿特厚破碎煤层动压巷道的支护难题,在巷道围岩地质力学测试的基础上,分析了特厚破碎煤层动压巷道失稳破坏机理;采用数值模拟、理论分析、工程类比等综合试验手段,提出了高强度、高刚度、高预紧力及强让压的锚杆支护方案,支护方案在5201回风巷进行了现场应用,应用结果表明高预紧力让压支护技术有效控制了特厚破碎煤层动压巷道的失稳破坏,5201回风巷在8202工作面回采期间巷道两帮移近量为405 mm,顶底板移近量为252 mm,巷道完整性好。

特厚煤层 煤层巷道 动压巷道 锚杆支护 高预紧力

1 工程概况

金庄煤矿位于大同煤田西南部,地处左云县境内。金庄煤矿主采3#、5(3-5)#、8#煤层。8201工作面开采5(3-5)#煤层,煤层平均厚度15.3 m,为特厚煤层,煤层倾角3°～6°。地质构造简单,节理、裂隙较发育,顶煤硬度f＝2～3,能够及时垮落。8201工作面为一进一回两巷布置,见图1所示。

8201工作面的5201回风巷与8202工作面2202进风巷之间留有宽35 m煤柱。在8202工作面回采期间,5201回风巷会受到动压影响,在巷道掘进时,巷道变形不大,而当8202工作面回采时,由于回采形成的集中垂直应力使5201回风巷塑性区显著增大,局部出现片帮、冒顶现象,巷道控制维护非常困难,给巷道的稳定性控制带来了严重的挑战。

图1 8201工作面布置示意图

对于动压巷道的围岩控制,采用注浆加固和锚网索联合支护技术进行控制,取得了一定的效果。但由于注浆成本高,限制了注浆加固技术的推广。近几年来,研发了高预应力让压支护技术,该技术支护初期可以施加高预紧力,并能在动压影响下支护结构整体让压,在动压巷道支护加固中得到了广泛的应用。本文针对金庄煤矿5201回风巷受强烈动压影响巷道的支护难题,分析了其破坏机理和控制机理,提出了合理的巷道支护加固方案,并进行了工程实践。

2 特厚破碎煤层动压巷道失稳破坏机理分析

2.1 地质力学测试

采用水压致裂测试方法分别在5201回风巷附近进行了地应力测试,3个测试点分别位于辅助北二回风巷口50 m位置、2201进风巷150 m处和5201回风巷350 m处,测试结果见表1。

表1 地应力测试结果表

3个地点的地应力最大水平主应力σH达到12.90 MPa,最小水平主应力σh为6.40 MPa,垂直主应力σV为11.44 MPa,测点的最大水平主应力均大于垂直主应力,应力场类型为σH＞σV＞σh型应力场,初步判断所测区域以构造应力场为主。由于水平主应力大于垂直主应力,最大水平主应力对巷道两帮变形影响较大。

采用WQCZ-56型围岩原位强度测试设备对3个地点(与地应力测试点相同)的围岩强度进行了现场测试,测试结果发现帮部煤体的最大强度为17.85 MPa,最小强度仅为7.65 MPa,顶板煤体强度最大值为13.43 MPa,顶部煤体最小强度为12.43 MPa,与直接顶、老顶等砂岩、砂质泥岩相比,煤体强度整体性较低。

采用钻孔摄像仪对井下巷道(与地应力测试点相同)煤体节理裂隙发育情况进行现场窥视,从窥视结果可以看出,巷道顶板煤体内部存在着大量的离层,并且随着距掘进头距离的增大,离层有向巷道围岩深部发展的趋势,尤其在巷道掘进初期,离层发育迅速。为了及时控制离层向围岩深部发展,必须及时进行支护。

2.2 巷道围岩破坏机理分析

结合8201工作面的地质条件、开采情况以及地质力学测试结果,5201回风巷变形破坏的主要原因有以下几个方面：

(1)动压影响。正在回采的8202工作面位于5201回风巷北部,与5201回风巷之间的煤柱尺寸35 m,采动影响非常明显,巷道变形破坏主要是由北部的8202工作面采动导致的,8202工作面回采会在5201回风巷与煤柱之间形成2～3倍原岩垂直集中应力,高的集中应力进一步破坏了巷道围岩的完整性,从而使巷道维护困难。

(2)煤体松软破碎。由于煤层厚度达到15.3 m,5201回风巷沿煤层底板掘进,巷道两帮及其顶板均为实体煤,煤体节理、裂隙发育,松软破碎,与砂质泥岩、泥岩相比,煤体抗压强度较低,所以巷道两帮和顶板变形大。尤其巷道采用普通锚杆和锚索支护时,由于支护结构没有让压功能,当支护结构产生较大变形时,锚固体或支护结构就会发生破坏,从而巷道产生大变形,且巷道还易发生冒顶。

(3)高水平应力。5201回风巷埋深达到467 m,埋深较大,最大水平应力达到12.90MPa,高的水平应力使巷道顶板和底板出现应力集中,进一步加剧了巷道顶底板变形破坏。

(4)原有支护不合理。5201回风巷原支护锚杆和锚索预紧力施加的较低,很多托板和梯梁不贴煤壁,并且没有使用让压环,一旦巷道出现变形,支护构件,如托板、梯梁、钢带、工字钢等构件就出现大量破坏或失效,支护效果差。

2.3 巷道围岩加固理论

根据5201回风巷巷道围岩破坏机理,提出了高预应力让压支护理论,高预应力可以大幅度提高支护系统初期的支护强度和支护刚度,有效控制围岩初期的不连续变形,从而保持围岩的整体性和完整性,大大减少围岩的破坏范围。且由于5201回风巷受邻近工作面回采期间动压的影响,动压影响会使巷道出现高的应力集中,从而使围岩内部出现大的裂隙和裂纹,围岩结构面发生离层和滑动,巷道变形通常较大,因此,在进行高预应力支护的同时还必须注重支护结构的让压能力,那么就需要支护系统必须同时满足两个基本条件。

(1)支护结构应有足够的支护刚度和支护强度。普通的锚杆和锚索强度较低,无法施加围岩足够的支护强度,这就需要采用高强度锚杆和高强度锚索,并在支护初期施加高预紧力以提高支护结构的支护刚度和强度,从而有效控制围岩的裂隙、离层,避免围岩产生不连续的有害变形。

(2)支护结构应有足够的延伸率。为了避免围岩变形时支护结构出现破坏,支护结构要有一定的变形能力,从而允许巷道围岩产生一定的连续变形和整体位移,连续变形和整体围岩可以释放围岩内部的高集中应力,从而使围岩受力更加均衡。这就要求支护构件,如钢带、锚杆、托盘、梯梁以及让压环等构件相互匹配,既能施加高预紧力,还能在高预紧力的作用下整体让压变形,从而改善围岩应力状态,提高支护围岩的强度,防止支护围岩出现离层,从而达到控制动压巷道失稳破坏的目的。

3 高预紧力让压支护技术在金庄矿的应用

3.1 高预紧力让压支护技术

针对金庄矿的地质条件,提出了高预紧力让压支护技术,即高强度、高刚度、强让压为一体的支护技术。在施工时,采用高强度锚杆施加高预紧力,以提高巷道围岩的支护刚度和支护强度,并安装让压环,在巷道发生大变形时,使巷道围岩在高支护阻力下横阻让压,从而避免支护系统的失效,最终有效控制巷道围岩的变形破坏。

3.2 巷道支护形式

通过优化设计,最终确定了5201回风巷支护参数及支护材料,采用金属网＋钢带＋锚杆＋锚索＋11#工字钢钢梁联合支护。

5201回风巷为矩形断面,巷道净宽5400 mm,净高3500 mm,巷道顶板采用左旋无纵筋锚杆支护,锚杆规格为ø22 mm×2400 mm,每排7根锚杆,锚杆间排距800 mm×900 mm,锚杆配合钢托盘和钢带使用,托盘规格为130 mm×130 mm ×10 mm,钢带规格为5100 mm×250 mm×3 W型钢带。

顶板打设2根锚索,锚索规格为17.8 mm× 8300 mm,张拉力250 kN,间排距1800 mm× 1800 mm,锚索配合钢托盘、让压环和11#工字钢使用,托盘规格为250 mm×250 mm×16mm,工字钢长1 m,每根锚索使用1根。

巷道两帮采用左旋无纵筋锚杆支护,锚杆规格为ø22 mm×2400 mm,每排3根锚杆,锚杆间排距1200 mm×900 mm,锚杆配合钢托盘、菱形网和钢筋梯梁使用,每排1根钢筋梯梁,规格为3200 mm×6 mm,菱形网网格尺寸100 mm× 100 mm。

4 矿压监测

在5201回风巷掘进期间,在回风巷550 m处设置了测站,监测了巷道左帮中部的变形量(左中)、巷道两帮移近量(两帮)、巷道顶板下沉量(顶中)和巷道顶底板移近量(顶底),掘进期间表面位移变化曲线如图2所示。

图2 5201回风巷掘进期间巷道表面位移变化曲线

由表面位移监测结果可以看出：巷道表面位移大概都在距掘进头65 m以后,趋于稳定。巷道由掘进完成到巷道稳定,巷道两帮移近量为19 mm,为初始巷道两帮宽度的0.3%,其中左帮移近量为11 mm;巷道顶底移近量为22 mm,为巷道初始高度的0.6%,其中,巷道顶板下沉量为8 mm,底鼓量为14 mm,底鼓量占巷道顶底总移近量的63.6%。从巷道表面位移监测结果看,掘进期间5201回风巷围岩变形量很小。

8202工作面回采期间,又对5201回风巷550 m处的测站进行监测,从工作面超前于测站200 m时开始观测巷道表面变形情况,回采期间5201回风巷表面位移观测曲线如图3所示。

图3 8202工作面回采期间5201回风巷表面位移变化曲线

监测结果发现,在工作面超前于5201回风巷测站116 m范围外,巷道稳定,移近量未增加,在70～116 m范围内,巷道变形略有变化,但变化不大。当距工作面17～70 m时,巷道变形量显著增加,两帮移近量405 mm;顶底板移近量为252 mm。从回风巷支护整体效果来看,高强度、高预紧力、让压支护技术在金庄矿特厚破碎煤层动压巷道中的运用是非常成功的。

5 结论

(1)金庄矿的地质力学测试结果最大水平主应力为12.90 MPa,最小水平主应力为6.40 MPa,垂直主应力11.44 MPa,测点的最大水平主应力均大于垂直主应力,应力场应力特点为σH＞σV＞σh型应力场。且顶板和帮部煤体强度较低,节理、裂隙比较发育。

(2)从金庄矿巷道失稳破坏机理可以看出,巷道围岩强度低、节理、裂隙发育是导致巷道失稳破坏的地质原因;而锚杆强度低、支护刚度不够、支护系统只重视支护,不重视让压是导致巷道失稳破坏的主观原因。

(3)提出了高预紧力让压支护技术,并在5201回风巷进行了现场应用,掘进完成到巷道稳定,巷道两帮移近量为19 mm;8202工作面回采期间,巷道两帮移近量为405 mm;顶底板移近量为252 mm,巷道整体完整性好,可以满足工作面的正常生产。

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(责任编辑 张毅玲)

Study on failure mechanism and supporting technology of roadway with dynamic pressure in extra thick and broken seam

Lu Xinfei1,Lu Chengfei2
(1.Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037101,China; 2.Liuta Coal Mine,Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017200,China)

In order to solve the difficult problem of supporting in roadway with dynamic pressure in extra thick and broken seam of Jinzhuang Mine,buckling failure mechanism of the roadway was analyzed basing upon geological mechanics test of the roadway surrounding rock.By means of numerical simulation,theoretical analysis,engineering analogy,and so on,a rock bolting scheme with high strength,high rigidity,high pre-tightening force and strong yielding was put forward.The supporting scheme was applied in 5201 return airway,application results showed that the yielding supporting technology with high pre-tightening force could effectively control the buckling failure of the roadway.During mining in 8202 working face,two-sided displacement of roadway was 405 mm and the convergence between roof and floor was 252 mm,the roadway supporting effect was good.

extra thick seam,roadway in seam,roadway with dynamic pressure,rock bolting,high pre-tightening force

TD353

A

芦新飞(1974-),男,山西省右玉县人,本科学历,工程师,主要从事煤矿井下巷道掘进和支护方面的工作。