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“两软一硬”煤层巷道支护技术应用研究

来源:用户上传      作者: 许进军

  【摘 要】“两软一硬”煤层是指煤层比较坚硬,但是顶板和底板比较软,是一种特殊的地质现象,由于其地质条件的复杂性,巷道支护往往整体强度难以满足,造成安全生产事故。本文在锚杆支护机理研究的基础上,探讨了“两软一硬”煤层巷道“两软一硬”煤层巷道支护技术,旨在为同行提供参考。
  【关键词】煤矿采矿;两软一硬;支护机理;支护设计
  煤炭在我国一次能源结构中占70%左右,2012年我国煤炭产量达到35多亿t,其中大部分为井工开采。井工开采需要再地下开挖大量的巷道,“两软一硬”煤层是指煤层比较坚硬,但是顶板和底板比较软,是一种特殊的地质现象。某矿7#煤层开采过程中,周期来压步距为12m,其工作面老顶属于坚硬顶板,底板属于松软岩层,属于典型的“两软一硬”煤层。现场支护密度很高的情况下,开采工程中仍然出现采面整体支护强度偏低的情况,给煤矿巷道掘进安全生产带来了很大的隐患,影响了采面的正常接替,是该矿当前亟需解决的问题。
  1 工程概况
  某煤矿7#煤层位于-420m水平,煤层直接顶板多为厚而坚硬的灰白色中粒岩屑石英砂岩(K1大占砂岩),东北端及中部零星部位直接顶板为深灰色粉砂岩和砂质泥岩;底板为深灰色砂质泥岩,伪底为炭质泥岩和灰色根土泥岩。煤厚0~11.57m,平均3.73m。煤层结构简单,属较稳定偏不稳定型厚煤层。煤层赋存标高+250m~-430m,埋深90~755m。原采用Φ22mm×1800mm的锚杆全长水泥药卷锚固,间距0.4m,排距0.8m,特种加固措施为在顶部布置3根Φ14mm×6m的钢绞线锚索,排距2.5m。该支护方式在巷道开掘后60d就出现较大变形,难以维护。
  2 锚杆联合支护机理
  锚杆支护的形式主要有锚网、锚梁、锚钢带和锚网梁等等,是一种主动支护方式。锚网支护系统涉及到支护设计、掘进施工、支护材料等多个方面,是一个系统工程。巷道锚杆支护设计的基础是对锚杆支护机理有一个正确的认识。井下的开挖工程,破坏了岩体的原始应力状态,由静水围压状态变为临空自由面的法向受力,引起了巷道周边的岩体产生法向位移,于是巷道进入被持续破坏的过程,破坏首先是从巷道临空自由面开始向巷道内层层剥落。巷道位移产生后,破碎岩体又产生反向弹性应力,然后再次形成应力平衡。要形成这种应力平衡,就必须保证煤岩体的完整性。锚杆主动支护效果恰恰是体现在锚杆的预应力,当锚杆置入围岩体内时,预应力能够使破碎岩体承受一定的弹性变形,形成具有支护作用的应力拱。前人研究的组合梁理论、松动圈理论、锚杆桁架理论的核心思想都是在失去稳定的围岩上,通过锚杆等施加一个约束力,结合锚梁网等整体提高破碎围岩的抗剪切、抗压强度。锚杆对围岩体的约束作用主要体现在一下方面:①锚杆对围岩体施加的预应力,提高了围岩的完整性,增加了围岩的抗变形能力;②锚杆锚固于岩体深部,锚杆具有一定拉力,可以悬吊不稳定岩层;③锚杆阻止了岩层间的相对滑动,增加了破碎岩体之间摩擦力,形成组合梁。
  3 “两软一硬”工作面顺槽巷道支护设计
  3.1 工作面顺槽支护方案及参数设计
  机巷顶锚杆设计参数:锚杆选择:顶板锚杆杆材选用螺纹钢等强预拉力锚杆,加M型钢带、金属菱形网联合支护,锚杆规格为:M24-Φ22×2400mm。考虑巷道宽度、围岩岩性等,设计取锚杆间排距为900×800mm。锚杆预紧力不小于60kN,锚固力不低于120kN。
  煤巷帮锚杆设计参数:巷道两帮采用螺纹钢等强预拉力锚杆、金属菱形网,锚杆规格:上帮M24-Φ22×2400mm,下帮M22-Φ20×1800mm,σb=420MPa。帮锚杆间排距为900mm×800mm,加π2型钢带和金属托盘,每根锚杆采用两节Z2550型中速树脂药卷加长锚固,锚杆预紧力不小于30kN。锚固力不低于40kN。
  锚索设计参数:锚索的长度取为6.5m,锚索间距为2.2米,距巷道中心线1.1m各安设一根锚索,锚索排距与锚杆排距相同为800mm,见图1。
  3.2 回采期间的巷道支护效果
  0114工作面机巷在回采期间的总体变形量较小,根据巷道内观测点的观测,一般两帮变形在300mm左右,底臌量一般在400mm左右。巷道各段变形量不一,根据巷道内设的变形观测点的观测,巷道U型棚支护段两帮变形一般在1000mm,底臌量在600mm左右,顶板下沉量在300mm左右;巷道锚网支护段两帮变形量在900mm左右,底臌量在600mm左右,顶板下沉量在200mm左右。矿压观测表明,采用锚网索支护有效的维护了巷道的稳定,“两软一硬”煤层工作面顺槽适于采用锚网索这一主动支护方式。
  4 结束语
  目前我国矿区的锚杆使用量达占到了巷道支护的90%以上。锚杆支护是我国煤矿支护方式中使用最为广泛的支护方式,锚杆支护技术能够显著提高破碎围岩的支护效果,同时能够减轻工人的支护工作量,是一种高效、经济、安全的支护技术。现场实测的数据表明:锚网带索联合支护从技术和效益两方面都明显优于单一支护,能够满足“两软一硬”煤层支护要求,控制了高地应力复合顶板突出煤层巷道的强烈变形,提高了巷道围岩的稳定性,抑制了冒顶和片帮等情况的发生,保证了巷道安全性。
  【参考文献】
  [1]马念杰,贾明魁,赵庆彪,刘少伟.煤巷锚杆支护新技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006.
  [2]康红普.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2009.
  [责任编辑:丁艳]
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