特厚煤层软岩巷道支护技术研究

特厚煤层软岩巷道支护技术研究

刘进晓1,2，景继东2，赵国会1，尚玉强2，刘伟韬1

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制教育部重点实验室，山东 青岛 266590；

2.新汶矿业集团(伊犁)能源开发有限责任公司，新疆 伊犁 835000)

[摘要]基于新疆伊犁一矿3煤层为特厚煤层及顶底板强度低、胶结性差、易崩解、遇水易软化的工程实况，分析了伊犁一矿马头门两侧巷道围岩的变形破坏特征，得出伊犁一矿软岩巷道围岩失稳机制，指出原有支护系统护表和主动支护强度低、地应力大是导致巷道破坏和支护失效的主要原因。提出了副立井马头门两侧巷道采用“强护表+锚网索+架棚”联合支护技术方案。现场监测结果表明：该支护技术基本能够避免软岩巷道的多次翻修，实现支护一次到位。

[关键词]特厚煤层；软岩；联合支护；副立井；马头门

[中图分类号]TD353[文献标识码]A

[收稿日期]2014-06-27

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.020

[基金项目]山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目(BS2011SF016)

[作者简介]刘进晓(1977-)，男，山东青岛人，博士，主要从事软岩支护及充填开采等方面的研究与教学工作。

Supporting Technology of Soft Rock Roadway in Extremely-thick Coal-seam

LIU Jin-xiao1,2, JING Ji-dong2, ZHAO Guo-hui1, SHANG Yu-qiang2, LIU Wei-tao1

(1.Education Ministry's Key Laboratory Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science & Technology, Qingdao 266590, China;

2.Yili Energy Development Co., Ltd., Xinwen Mining Group, Yili 835000, China)

Abstract:Coal and its roof and floor in 3rd coal-seam of Yili 1st Mine has low strength and bad cementing property and is liable to disintegration and soften.By analyzing deformation and failure characteristic of roadway surrounding rock at two sides of ingate, surrounding rock instability mechanism was obtained.It was indicated that low active supporting strength of former supporting system and large geo-stress were main cause of roadway failure and supporting invalidation.Applying combined supporting of“strong protecting surface+anchored mesh and cable+shed”for roadways of two sides of auxiliary shaft ingate was put forward.On-the-spot observation showed that this supporting technology could avoid multi-time rebuilding of soft roadway and realize one-time supporting.

Keywords:extremely-thick coal-seam; soft rock; combined supporting; auxiliary shaft; ingate

[引用格式]刘进晓，景继东，赵国会，等.特厚煤层软岩巷道支护技术研究[J].煤矿开采，2015，20(1)：68-70，11.

随着煤炭资源开采，东部煤炭资源越来越少，伴随着西北部大开发战略的实施，西部煤炭资源的开采被提上日程。由于西北部地区地质条件不同于东部地区，在煤炭开采中经常遇到强度低、胶结差、易风化、遇水崩解的软岩。导致巷道支护采用传统施工方法不能有效维持长期稳定，严重威胁矿井的生产进度和安全[1-5]。

1工程概况

伊犁一矿位于新疆察布查尔锡伯族自治县南部，行政区划隶属新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州察布查尔锡伯自治县琼博拉乡管辖。

伊犁一矿副立井位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州察布查尔锡伯自治县东南部，隶属于伊南煤田。井田东西长23km，南北宽10km，面积约207.91km2。采用主井、斜井混合开拓方式，设2个工业广场，北工业广场设主、副井2个井筒，其中副立井井口设计标高为+1123.5m，净直径7.2m，井筒深度为473.5m，表土段厚度159m左右。副立井，主要担负全矿井人员、材料、设备升降及矸石提升，并兼作主进风井。井田内主要可采煤层为3煤层和5煤层，平均厚度分别为12.42m和19.21m，设计生产能力10Mt/a。

2013年10月底副立井施工至马头门，并逐步开掘马头门东侧的巷道。由于煤层顶底板砂岩含水，因此将马头门布置于3煤层中，此处煤层埋深650m。副立井马头门位于3煤层底部，该处3煤层厚度为18.5m，马头门与煤层之间的位置关系见图1所示。

图1　马头门与煤层的位置关系

2巷道围岩特性及地应力分析

伊南煤田软岩成岩年代较短，多为黏土岩类，广泛分布于白垩系、侏罗系地层中，形成了其独特的物理力学性质。

经试验测定伊犁一矿3煤上山顶板泥岩波速为2.164km/s，抗拉强度0.69MPa，单轴抗压强度5.43MPa；泥岩轴向膨胀率0.37%，径向膨胀率0.13%；泥岩的耐崩解性指数99.63%；泥岩的天然密度2.19g/cm3。3煤层波速为1.733km/s，抗拉强度0.21MPa，单轴抗压强度6.20MPa；3煤层的轴向膨胀率0.54%，径向膨胀率0.31%；3煤崩解成散粒状；3煤层的天然密度1.31g/cm3。因此伊犁一矿3煤层及其顶底板为低强度、胶结差、易崩解、遇水软化的软岩。

由伊犁一矿3煤辅助上山1号联络巷往北40m位置(海拔+946m，采深247m)的原始地应力测试结果可知，此处的最大水平应力σ1为16.68MPa(方位角190.1°)，中间主应力σ2为11.14MPa(方位角为102°)，最小主应力σ3为10.47MPa(方位角为327.4°)。而此处的采深仅为247m，因此伊犁一矿属于高地应力矿井。

3特厚煤层软岩巷道变形特征

伊犁一矿马头门两侧巷道原有支护方式中采用MGφ22mm×2400mm的螺纹钢锚杆，锚固长度1200mm，锚固力120kN，锚杆间距×排距为800mm×800mm。采用φ17.8mm×4400mm的锚索，间排距2400mm×3200mm。

根据伊犁一矿高应力弱胶结软岩巷道现场观测数据分析，发现该类软岩巷道主要变形特征为：

(1)围岩自稳时间极短，来压快。往往在开挖过程中迎头便有滑塌、冒落、片帮，如不及时支护可能导致大范围冒顶。

(2)围岩非线性大变形、速度快、流变性强。持续时间长，可达30～60d，甚至0.5a。

(3)顶板容易形成“网兜”现象，其原因主要是煤体强度低、脆性大，再加上地应力大，锚杆与锚杆之间的煤体容易破碎，锚杆易被各个击破。

(4)存在底鼓现象。现场测试表明，底板变形时间长，但不至于因底鼓致整个巷道失稳。

4特厚煤层软岩巷道支护关键技术

根据伊犁一矿软岩巷道物理力学试验结果和软岩巷道变形特征，提出“强护表+锚网索+架棚”的控制特厚煤层软岩巷道关键技术。

4.1　加强护“表”能力

由于3煤的强度低、性脆等特点使得单根锚杆极易失效，从目前φ8mm焊接的钢筋网来看也难以保证巷道表面的完整性，这就需要极强的护“表”能力。针对这种情况必须采取多项措施并举的方法，可以采用缩小锚杆间排距(布置五花锚杆)+钢筋网+钢带的方法加强护表能力。

4.2　加强主动支护

对于一般巷道来说，要求锚杆的长度最少为巷道宽度的1/2，软岩巷道锚杆的长度要超过这个尺寸。伊犁一矿井底车场巷道宽度为5200m，原支护方案中采用MGφ22mm×2400mm的锚杆和φ17.8mm×4400mm的锚索，对于高应力软岩巷道来说，锚杆和锚索的长度是不够的，因此建议增加锚杆和锚索的长度；此外，矿方原来的锚杆预紧力矩仅为300N·m，从现场来看，φ8mm钢筋网不能完全接触巷道表面，因此，建议将锚杆预紧力矩增大为400N·m

4.3　增加被动支护

从目前3煤层7号联络巷以下的上山巷道变形来看，仅锚杆锚索的主动支护已经不能完全控制住高应力软岩巷道的变形，因此在副立井马头门两侧巷道架设36U型钢，增加被动支护。

4.4　二次支护原则

从地应力观测结果来看，伊犁一矿属于高地应力矿井，并且地应力方向以水平方向为主。因此可以先采用锚网索支护，释放一定压力后再架设36U型棚和处理底鼓。

5特厚煤层软岩巷道支护方案

从施工现场来看，巷道拱部围岩比较破碎，因此对巷道拱部进行了加强支护。根据伊犁一矿软岩巷道支护理念，马头门东侧巷道设计方案如下：

在迎头采用MGφ22mm×3000mm的全螺纹锚杆，锚杆间排距800mm×800mm，五花布置，五花锚杆和锚索在迎头紧接施工，五花锚杆布置于巷道拱部，锚杆的间排距同样为800mm×800mm，锚索材料为φ17.8mm，长度8000mm，锚索每排布置3根，排距2400mm。采用厚度为10mm，宽度为150mm的平钢带，钢带仅布置于巷道拱部，两帮完整性好，因此仅采用托盘。在锚网索联合支护施工后进行喷浆，喷浆厚度为150mm。U36型钢滞后于迎头30m进行架设，排距800mm，3节式。在架设U36型钢时，同时硬化底板。

锚杆采用树脂加长锚固，采用2支低黏度树脂药卷，规格分别为K2360，Z2360。钻孔直径为30mm。要求锚杆预紧力矩不低于400N·m。采用高强托板配合调心球垫和尼龙垫圈，托盘规格为150mm×150mm×10mm。采用钢筋网护顶，网孔规格80mm×80mm，采用φ8mm钢筋焊接而成。

锚索采用1支K2360和2支Z2360低黏度树脂药卷锚固。锚索采用300mm×300mm×16mm高强度拱型可调心托板及配套锁具。要求锚索张拉后锁定吨位不低于300kN。

特厚煤层软岩巷道支护方案剖面图和平面图见图2和图3。

图2　支护方案布置

图3　支护方案布置平面

6特厚煤层软岩巷道矿压数据分析

测站布置于马头门东侧巷道，该处巷道断面设计净宽5200mm，净高4000mm，巷道支护方案见图2和图3。共设3个测站，测站1距副立井井筒中心35m，测站2距副立井井筒中心45m，测站3距副立井井筒中心55m。各测站主要观测巷道表面位移收敛量，详见图4～图6。

图4　各测站巷道顶板下沉量

图5　各测站巷道两帮移近量

图6　各测站巷道底鼓量

从图4、图5和图6可知，在监测期间，各测站顶板下沉量趋势基本一致，都是在30d左右趋于稳定，累计下沉量为120mm左右。各测站两帮移近量在30d左右趋于稳定，累计移近量为120～170mm，两帮移近量明显比顶板下沉量要大，其主要原因是高地应力与巷道轴向近乎垂直所致。底鼓变形趋势与两帮和顶板的趋势基本一致，同样是在30d左右趋于稳定，累计底鼓量为80～110mm，因此，伊犁一矿特厚煤层软岩整体巷道趋于稳定的时间为30d左右，两帮变形量要大于顶板下沉量。

7结论

通过理论分析和现场观测，得出了以下结论：

(1)通过现场实测，分析了伊犁一矿马头门[11]

两侧巷道围岩失稳的机制，指出原有支护系统护表和主动支护强度低、地应力大是导致巷道破坏和支护失效的主要原因。

(2)从加强主动支护和被动支护两方面综合研究入手，提出了“强护表+锚网索+架棚”的联合支护技术。

(3)两帮、顶底板收敛量及底鼓量数据表明，该支护方式能够达到提高支护强度和维持围岩稳定的目的。

[参考文献]

[1]姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底臌问题的研究.岩石力学与工程学报，2004，23(7).

[2]姜耀东，刘文岗，赵毅鑫，等.开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究.岩石力学与工程学报，2005，24(11)：1857-1862.

[3]何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究.岩石力学与工程学报，2005，24(16).

[4]冯豫.我国软岩巷道支护的研究.矿山压力与顶板管理，1990(2)：1-5.

[5]杨建平，陈卫忠，郑希红.含软弱夹层深部软岩巷道稳定性研究.岩土力学，2008(10)：2864-2870.

[6]何满潮，吕晓俭，景海河.深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念.岩石力学与工程学报，2002(8).

[7]柏建彪，王襄禹，贾明魁，等.深部软岩巷道支护原理及应用.岩土工程学报，2008，30(5)：632-634.

[8]王昌琪，刘玉成，帅亮乾，等.高预应力锚梁网索联合支护在五凤煤矿煤巷中的应用.煤矿安全，2012(9).

[9]林健，赵英利，吴拥政，等.松软破碎煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用.煤矿开采，2007，12(3)：47-50.

[责任编辑：姜鹏飞]