深井大断面煤巷底鼓防治技术

郭军杰,高新春,王国际

(河南工程学院安全工程系,河南郑州 451191)

深井大断面煤巷底鼓防治技术

郭军杰,高新春,王国际

(河南工程学院安全工程系,河南郑州 451191)

通过矿压测量和分析焦煤集团赵固一矿地质条件,采用分二次支护的方案,综合运用高强锚杆锚索、整体U型钢架和排柱的支护技术,解决了深井大断面巷道底鼓、变形严重的问题,为类似巷道的施工提供了成功的施工经验。

大断面巷道;底鼓;二次支护;锚杆锚索

Technology of Floor Heave Prevention of Coal Roadway with Large Section in Deep Mine

河南煤业化工集团焦作公司赵固一矿位于焦作煤田东部,为新建矿井,属于深井开采,设计能力2.4Mt/a。11011工作面区段平巷沿煤层布置,巷道宽 6m,高 3.5m,开采深度大于 800m,巷道底板条件差,容易鼓起,区段平巷断面变形严重,阻碍运输、通风和行人,如不采取有效地控制措施,不仅巷道维修成本大幅增加,严重影响矿井正常生产,甚至无法保证职工的生命安全。针对该矿具体条件,分析产生底鼓的原因,并探索出一套控制巷道底鼓的综合措施,达到了较好地支护效果。

1 工作面区段平巷底鼓机理分析

1.1 11011工作面煤层赋存条件

该矿井初期开采的二1煤层,赋存于山西组下部,全层厚度 1.21～7.1m,平均 6.29m,11011工作面平均煤厚 6.14m,采煤方法为分层综合机械化开采。二1煤层倾角一般为 2～5°,埋深 780～860m,其层位稳定,厚度变化不大,节理不发育,结构比较简单,变化规律较明显。

二1煤直接顶厚 3～8m,岩石完整性与稳定性均较好,易于控制,岩性有砂质泥岩及粉砂岩、泥岩和少部分砂岩,砂质泥岩抗压强度 8.5～23.4MPa,属半坚硬岩类。零星分布的伪顶厚 0.3～0.5m,随采随落。基本顶多为 8～12m中粗粒砂岩 (大占砂岩),局部变相为砂质泥岩,吸水后抗压强度 15.4～80.5MPa,岩石坚硬,稳定性较好。

二1煤层底板以泥岩、砂质泥岩为主,二1煤下部到第一层石灰岩之间厚度 8.32～27.8m,一般10～15m,底板岩层总体完整性较好,但部分泥岩底板有泥化现象。与顶板大占砂岩相对应,底板有中细粒砂岩,厚 7.8m左右。

泥岩和砂质泥岩吸水后强度明显降低,泥岩干燥状态下抗压强度 24.3～30MPa,吸水后 3.9～12.8MPa,砂质泥岩干燥状态下强度 13～36MPa,吸水后 6～24MPa。但在长达 10～30d的岩石浸水实验观测中,各类岩块有泥化、崩解现象,显示了煤层底板岩石遇水发生变化的特点。

1.2 巷道底鼓原因分析

引起巷道底鼓机理的原因归纳起来主要有：巷道埋深 800m,巷道围岩应力高,巷道掘进后,巷道底板处于自由面状态,受围岩应力作用,向巷道上方鼓起;岩石具有流变性,底鼓量随时间延长增加,且变形量大;巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板,使底板受水平应力作用从而导致巷道底鼓;水对底板的作用,尤其底板为黏土类岩石,遇水后体积膨胀,导致围岩强度降低、易崩解、破碎;巷道净宽大,围岩支承应力高。

2 控制底鼓技术措施

在控制深部大断面煤巷底鼓技术中,采取二次支护技术措施。即,在综掘机开挖巷道后,就进行第 1次支护,采用锚网、钢梁、锚索支护;然后在第 1次支护的基础上,再进行第 2次支护,主要采用U型钢 (U型钢用连接件连接成近似椭圆形)+排柱 +矸石进行支护。第 1次支护是关键,通过锚网、钢梁、锚索的主动支护作用,使两帮和顶板分别保持各自的整体性,提高顶板和两帮围岩的自承能力,并保证第 2次支护的空间。第 2次支护是通过U型钢架把顶板、两帮和底板形成一个整体,防止巷道出现底鼓、片帮和冒顶现象。2次支护结合了主动支护和被动支护各自优点,并都有各自的关键的支护技术,这是保证巷道工程质量及支护效果良好的关键。巷道支护见图 1。

图1 防治底鼓支护

2.1 第 1次支护的关键技术

(1)巷道两帮采用高强锚杆 +钢丝网 +大托盘支护技术 采用直径为 22mm专用螺纹钢加工而成的高强度锚杆,长度为2200mm,间排距为700mm×700mm,托盘采用 350mm×350mm×10mm大托盘。用 2支树脂锚固剂,型号为 K2335。锚杆使用配套标准螺母紧固,螺母扭矩150～200N·m。预紧力 80～100kN。大托盘可以增大护帮面积,充分发挥锚杆支护性能,从而提高两帮岩体强度。

(2)顶板采用高强锚杆 +大托盘 +锚索 +钢梁支护技术 为了提高顶板的承载能力,不仅采用了高强锚杆 +大托盘支护技术,而且采用锚索 +钢梁支护技术。锚杆支护参数同两帮一样。锚索 +钢梁支护参数为：锚索采用高强度低松弛 7芯钢绞线,公称直径为 15.24mm,长度为 6300mm,延伸率≥3.5%,间排距为 1500mm×2100mm,采用 3支锚固剂,1支 K2335,2支 Z2360,预紧力达到100 kN以上,外露长度不超过 300mm;钢梁采用11号矿用工字钢,每根钢梁带 4根锚索。该支护方式增大顶板支护强度和支护表面积,减少顶板压力通过两帮向底板传递。

2.2 第 2次支护的关键技术

由于主要运输大巷煤层底板岩石是泥岩和砂质泥岩,吸水后强度明显降低,岩块有泥化、崩解现象。如果不对巷道底板进行处理,巷道掘成不久,就会发生底鼓现象,导致巷道断面缩小,阻碍运输和行人,妨碍矿井通风。因此,不得不投入大量人力、物力和资金进行巷道维修工作,甚至造成整条巷道报废,严重影响正常生产与安全。为了避免正常生产期间大量的巷道维修工作量,需对巷道底板进行处理。主要采用 U29型钢 (U型钢用连接件连接成近似椭圆形)+排柱 +矸石进行支护。

(1)整体 U29型钢支护技术 U29型钢通过连接件形成一个近似椭圆形的钢架结构,即包括顶部弧形拱、底部弧形拱和中间的柱腿。顶部弧形拱支护顶板不下沉,底部弧形拱防止底板鼓起,中间柱腿防止两帮片帮。U29型钢架外侧与围岩空隙部分用装有矸石和煤炭的编织袋充填,为了防止编织袋从钢架之间垮落,在 U29型钢架外侧附有一层大孔眼的钢丝网。底部弧形拱上方也是充填装有矸石和煤炭的编织袋,编织袋上方再铺一层厚厚的矸石,矸石和煤炭可以就地取材。

(2)增加排柱技术 由于巷道断面比较大,巷道的跨度也较大,同时也为了提高 U29型钢架的支护强度,因此,在巷道中间增加 1排单体液压支柱,单体液压柱间距与 U29型钢架间距一致,单体液压支柱穿有钢鞋。

3 矿压监测结果及分析

为监测巷道围岩的变形,建立监测站进行矿压观测,巷道表面位移累计变化曲线如图 2所示。经连续观测 75d后,测站处巷道已趋于稳定,测得顶板下沉最大值为 135mm,底鼓最大值为 154mm,两帮移近量最大值 215mm。变形量在设计要求范围之内,说明二次支护技术措施是科学、可行的。

图2 巷道表面位移累计量

4 结论

通过使用二次支护控制底鼓的措施,巷道底鼓现象得到明显地控制,断面变形小,能够满足行人、通风、运输和安装设施的需要。矿压观测表明二次支护措施是正确的,并取得了预期效果。总结经验如下：

(1)加强对巷道应力、变形、破坏的监测。

(2)通过采用大托盘,钢梁,高强锚杆,锚索和锚网联合支护,增强深部巷道顶帮锚杆锚索联合支护强度,提高巷道顶板和两帮的自承能力,减弱矿压对底板岩层的破坏作用。

(3)采用U型钢架 +金属网 +充填编织袋支护方法工效高,底板控制效果好,而且减少了处理矸石的费用。

(4)单体液压排柱是防治大断面巷道底鼓、变形的关键技术。单体液压排柱不仅提高了 U型钢架的整体强度,还有效地抵消了使底板鼓起的围岩应力。另外,单体液压排柱虽然把大断面巷道分成 2个区域,但对巷道的有效断面影响却很小。

(5)根据巷道的地质条件、施工工艺以及有关因素因地制宜地合理选择二次支护方式,有效地控制巷道底鼓难题,为类似巷道施工提供成功的施工经验。

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[责任编辑：于海湧 ]

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1006-6225(2011)01-0074-02

2010-09-20

郭军杰 (1978-),男,河南唐河人,硕士,讲师,从事煤矿方面教学和科研。