预留变形控制技术在深部巷道支护中的应用探究

2019-08-28元建兵

中国矿山工程 2019年4期

元建兵

(山西阳城阳泰集团小西煤业有限公司，山西阳城 048100)

1 前言

随着开采深度的不断向深部延伸，深部巷道支护问题成为了制约深部煤炭资源开采的重要瓶颈性问题之一。从大量的深部巷道支护实践来看，仅通过增强支护强度，提升支护密度并不能实现对深部巷道围岩变形破坏的有效控制，本文以小西煤矿三阶段胶带下山为研究对象，分析了深部巷道开采中应采取的支护对策，提出了高强度让压锚索槽钢梁+锚网喷支护方案，实现了巷道围岩的有效控制。

2 工程概况

小西煤矿三阶段胶带下山位于轨道下山的南侧，埋深为750～920m，其中顶板以砂质泥岩为主，底板为泥岩、粉砂岩为主，在胶带下山开掘之后，出现了较大的变形，两帮冒落、顶板下沉、底板鼓起，特别是巷道中下部出现严重鼓起，原支护中锚杆、锚索出现了“空腔”“大肚子”现象，均表明原支护方式已经失效，巷道变形破坏图如图1所示。

3 胶带下山严重变形破坏的机理探究

通过现场勘查与理论研究，对导致胶带下山出现大范围严重变形破坏的机理进行了分析，主要是有以下几个方面的原因。

图1 胶带下山巷道局部变形破坏图

(1)支护设计不合理性。胶带下山的埋深已经超过了790m，已经属于深部开采范围，而大量工程实践表明，在深部开采过程中，传统支护方式提供的支护阻力，对巷道围岩出现的塑性区范围、围岩变形所起到的限制作用非常有限。也就是说，在深部高应力巷道中，围岩存在“给定变形”“给定变形”不随现有支护强度的增加而大幅度减少，且“给定变形”随着开采深度的不断增加而不断增加。所以，针对胶带下山所处的实际条件，在返修支护时，应给巷道围岩的“给定变形”留有一定的空间。从胶带下山原有支护结构来看，其过于强调“强力支护”，导致在巷道围岩的高应力作用下，原有支护出现了彻底失效，这也是导致胶带下山出现大范围变形破坏的最为主要的原因[1-3]。

(2)地下水影响。现场勘查得到底板有水体渗出，而底板围岩中包含有蒙脱石等膨胀型岩体，随着水体侵入时间的不断延长，巷道底板岩体强度不断降低，在高应力的作用下，底板向巷道空间挤出。

(3)水平应力较大。从现场地应力测定情况来看，水平主应力是其第一主应力，达到了30.26MPa，在较大的水平应力下，巷道两帮向中间空间挤出，同时在两帮向中间挤出的过程中，巷道底板也被进一步的挤压，带来更大范围的底板变形破坏。

(4)抽采瓦斯与开采扰动影响。由于本矿井总体的瓦斯含量较高，在进行开采之前对瓦斯进行了抽放，同时周边煤层开采的过程中，对胶带下山巷道围岩整体的稳定性带来了较大的影响。特别是随着瓦斯的抽放，巷道围岩中已经存在的裂隙会进一步发展，增加了巷道围岩变形量，巷道围岩松散程度加剧，具体情况如图2所示。

图2 周边采动与瓦斯抽放对巷道围岩应力状态的影响

从图2中可看出，随着采动的影响与瓦斯抽放的影响，胶带下山巷道围岩的应力状态相对于开采有了较大的变化，很多岩体已经由先前的三维应力状态变为了二维应力状态，巷道围岩极限承载能力大幅度下降。

4 胶带下山支护对策研究

4.1 支护机理分析

针对深部高应力软岩巷道在变形过程中存在明显的“给定变形”的情况，在进行胶带下山巷道支护时，应当适应深部围岩变形破坏特点，这就要求在进行胶带下山返修时，设定的支护方案应当为巷道围岩预留出一定变形的空间。同时，不能任由巷道围岩无限制的变形破坏，这就要求设计的支护结构应当在适应巷道围岩变形的过程中，能够提供出巷道支护阻力[4-6]。

为达到上述控制效果，本次支护设计过程中，设计采用了高强度让压锚索槽钢梁+锚网喷支护方式。其中，高强度让压锚索槽钢梁是对传统支护方式的优化，高强度让压槽钢梁如图3所示。

图3 高强度让压槽钢梁

其中让压槽钢梁主要作用是配合锚索进行支护，在锚索支护后，在高应力的作用下，巷道围岩会进入变形阶段，整个支护结构受力也在不断的上升，锚索上承受的压力也在不断增加，随着压力不断增加，锚索会挤压活动板，活动板会向中间靠拢，进而压缩弹簧，整个槽钢会向中部移动，这就实现了对巷道围岩“给定变形”的适应，同时也提供了较高的支护阻力，实现对巷道围岩的变形的有效控制。随着槽钢不断被压缩，其提供的支护阻力将会更高，达到了高阻效果，形成了高强度让压锚索槽钢梁支护系统。该种支护系统，不仅可克服传统仅使用锚索支护情况下，锚索延展率较低存在的弊端，能够有效将巷道深部稳定围岩的支护作用有效调动起来，且实现了与锚网喷支护方式的耦合，提升锚网喷支护的效果。

4.2 具体支护设计

锚杆支护参数：φ20mm×2 600mm，间排距左帮均为750mm，右帮为760mm，锚固力80kN，预紧力为50kN。钢筋网采用高强度钢筋网，参数为100mm×100mm。喷浆混凝土强度为C20。高强度让压锚索槽钢梁支护系统具体设计：两端采用φ17.8mm×4 500mm锚索，中间采用φ17.8mm×6 500mm，锚索预紧力为70kN。支护设计如图4所示。