三软煤巷支护技术研究
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摘要:我国煤矿软岩巷道支护问题是煤矿开采等地下工程维护中的一大技术难题,从对新义煤矿的现场观察来看,巷道围岩应力较大,变形严重,顶梁压弯,棚腿倾斜,而巷道底鼓也尤为突出,因此支护难度很大。文章结合该矿具体地质条件,通过对软岩巷道的变形破坏规律分析,提出了一些有效的支护技术方案,对现场巷道支护具有一定的指导意义。
关键词:软岩巷道;支护技术;三软煤巷;新义煤矿
中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0169-02
一、巷道基本地质条件
新义煤矿煤层顶板岩性:直接顶为泥岩、砂质泥岩,夹少量碳质泥岩,厚度1.52～4.96m,平均3.71m;老顶为大占砂岩,厚度4.97～15.54m,平均8.95m。大占砂岩与二1煤之间,局部发育一层泥岩或砂质泥岩,厚0～13.20m,偶有炭质泥岩伪顶。底板岩性:粉砂岩、泥岩,厚度4.65～14.03m,平均8.95m。在煤层与底板砂岩之间有一层泥岩或砂质泥岩伪底。煤层,该工作面煤层厚度变化较大,厚度0.76～5.10m,平均2.74m。有自北西向南东增厚趋势,煤层结构简单,局部含夹矸层。
二、三软煤巷变形破坏特征
为了得到受回采影响的三软煤巷的变形特点,在该矿首产面的轨道顺槽和皮带顺槽分别进行巷道变形量的观测,并在顶板安装顶板离层仪传感器和锚杆应力传感器,在左帮安装钻孔应力传感器。这样可以分别得到巷道围岩变形的相关数据。在工作面顺槽共布置七个观测断面,现对轨道顺槽的某测点进行分析。为了直观地将测点的位移及应力随时间、空间的变化趋势反映出来,依据观测资料,分别对巷道变形量、顶板离层仪传感器、锚杆应力传感器和钻孔应力传感器数据整理分析得到一定的规律。
1.因煤层巷道一般在非均质成层岩层中掘进,巷道两帮围岩一般是煤,其强度通常比较低,开巷后在二次应力的作用下,围岩塑性破坏首先发生在强度最低的巷道两帮和应力集中的角部,随着帮、角部位的塑性破坏,其它部位的塑性破坏也逐渐发展。但最终仍以帮角部位的塑性破坏范围最大。
2.巷道底鼓量最大,两帮收敛变形值次之,顶板下沉量最小。
3.对于三软煤巷而言,在开挖期间急剧变形,而且在应力分布趋于稳定后仍保持快速流变,围岩累计变形量大,巷道维护困难。根据巷道变形的实测和规律分析,可以有效地对巷道支护采取超前措施,变被动支护为主动支护,使掘进速度和支护强度很好地结合起来。
三、三软煤巷支护方案
由顶板、底板岩石力学性能测试结果可知,巷道所处层位的岩石强度较低、易变形破坏,特别是煤层中,煤体较松软,使得在使用锚杆支护时,锚固剂与钻孔壁的粘结力很低,锚杆支护效果不理想,因此针对不同的煤岩组合结构,提出了不同的支护方案。
(一)软顶、煤帮、软底巷道支护方案设计
根据巷道两帮移近量、顶板下沉量、顶板离层测试、锚杆应力测试及钻孔应力测试结果,分析了在该围岩条件下,巷道的变形及应力分布。由于巷道围岩为典型的三软煤岩层(软煤帮、软顶、软底),在原有支护条件下,顶板仍有离层产生,锚杆应力也不稳定,不仅造成顶板下沉,同时巷道也产生了底臌现象,因此原有支护方式不能满足安全生产的需要。对于软岩巷道支护,由于顶板岩层松软破碎,其松散应力经巷道顶板传到巷帮,再经巷帮传给底板,若底板不采取措施,则在巷道顶板下沉的同时,出现底臌现象,因此该类围岩条件下巷道支护的关键是围岩的综合控制,使巷道顶、帮、底板的支护形成一个整体,为此提出了采用封闭型工字钢加点柱支护,支护形式见图1。
顶帮支护方式按原工字钢支护形式,底梁采用带靴的工字钢,在底梁两端焊接直径为152 mm的钢管,使棚腿的工字钢可插入钢管内;在巷道中部位置上加焊点柱的柱靴,靠单体支柱的撑力,使顶梁及底梁的受力更加合理,既对顶梁起到了支撑的作用,又控制了巷道底板的变形。点柱将巷道分成两个空间:通风行人区间和溜子运输区间。巷道断面布置较合理,相互间的干扰减少,可提高工作效率。
(二)冲击倾向明显性时全软煤巷支护方案设计
当煤层冲击倾向性明显时前述几种支护方案不能保证巷道稳定时,采用环形封闭U型钢支护,全断面控制围岩变形,通过U型钢的可缩性释放围岩应力,而在U型钢受压变形的同时聚集在U型钢内部的弹性能反作用于围岩保持巷道稳定。同时采用深孔注水防止冲击矿压。
四、结论
1.通过现场采取岩石力学试样,实验室进行了新义煤矿岩石物理力学特性的研究。研究表明,新义煤矿巷道围岩属于Ⅳ类不稳定围岩,巷道支护方案选择时应考虑让压及二次支护方案。
2.根据巷道顶板离层仪监测、巷道顶底板移动量实测及巷道两帮移动量实测,可知开巷后巷道初始位移量较大,变形稳定期一般在开巷后7天左右。据此巷道初始支护应考虑巷道应力及变形较大的特点,采用柔性支护(可缩性支护)及松帮卸压的措施,同时要保证巷道初始支护期间的稳定;巷道加强支护在开巷后5天开始,保证巷道的有效断面。
3.工作面为三软煤层,采深大、冲击地压显现、煤炮声不断、瓦斯含量高,为了确保生产安全,防治冲击地压、瓦斯超限发生,应做好正规循环,每循环要深孔注水防冲,浅孔注水防片冒。水压控制在5～10MPa之间。当顶板破碎或沿底煤中间掘进时,还要采取顶部注浆办法加固,确保快速安全掘进。
4.由于工作面沿伪倾斜方向,因此要根据煤层底板等高线的变化调整工字钢支护平面与煤层走向方向,以消除工字钢受到的偏向应力,棚与棚之间用拉杆连接,同时采用“松帮卸压”措施控制巷道两帮变形。
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作者简介:吕磊(1983-),男,河南南阳人,河南理工大学能源学院采矿工程硕士研究生。