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技术文章 |
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| 2016-4-12 点击次数：[913] |
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１•概述
西山煤电集团官地煤矿井田煤系地层属石炭二迭纪，煤层自上而下属山西组和太原组，井田内可采煤层共六层分３组，上组煤属山西组，包括２＃和３＃ 煤层，中下组煤属太原组，中组煤包括６＃ 和７＃ 煤层，下组煤包括８＃ 和９＃ 煤层，可采煤层累计平均厚度１５．６６ｍ，井田内煤层比较稳定。
官地煤矿自建矿以来，由于矿井开采煤层地质条件相对较好，巷道支护难度系数不大，但随着矿区巷道延伸、开采深度增加和大量采空区的影响，局部巷道开始出现压力显现，巷道变形严重。由于矿井开采煤层瓦斯赋存含量高，为高瓦斯矿井，以前采用Ｙ 型通风方式，通过优化矿井通风模式，改用Ｕ型通风方式。矿井２＃ 煤层和３＃ 煤层属于近距离煤层，为了兼顾上下煤层瓦斯的抽放，在３＃ 煤层布置巷道抽放２＃ 煤层、３＃ 煤层内的瓦斯，同时兼作３＃ 煤层回采巷道使用。中六区第一条３＃煤层底抽巷布置在２２６０７工作面外侧，２２６０７工作面回采过程引起的动压对３＃ 煤层底抽巷影响非常大，巷道变形和破坏非常严重，底抽巷基本处于报废状态。从中六采区底抽巷支护状况看，现有支护方式很难保证巷道的二次复用要求，要想确保底抽巷在开采３＃ 煤层二次使用，必须探索新的支护方式。
官地矿设置底抽巷的主要用途是抽放上部２＃煤层及３＃ 煤层内瓦斯，同时兼做３＃ 煤层回采巷道使用。根据瓦斯抽放、３＃ 煤层工作面布置、围岩应力等情况，底抽巷选择布置在２＃ 煤层工作面下方３＃ 煤层中。由于３＃ 煤层底抽巷在上部２＃ 煤层未采时就提前掘送，上部２＃ 煤层回采时，底抽巷必然要受到强烈采动的影响，巷道支护难度非常大。针对上述情况，巷道围岩支护必须从寻求新的支护理念、新的支护方法、新的支护材料入手，才能从本质上彻底解决该类条件煤巷支护难题。
２•近距离煤层地质特征
２．１ 地质力学综合评估
根据地质力学测试，影响巷道围岩稳定的因素有地应力、围岩强度和围岩结构，其分布特征：
（１）中六采区地应力量值属于中等水平，原岩应力场主要以自重应力为主，构造应力次之，静压状态下，巷道两帮压力显现要大于顶板，支护重点是控制两帮的变形。中六采区埋深较大，达到６００ｍ以上，进入深部开采的范畴，上部２＃ 煤层工作面回采引起的超前支承压力对下部３＃ 煤层底抽巷的作用影响更大。
（２）中六采区最大主应力的方向在Ｎ３３．３!Ｗ～ Ｎ７３．６!Ｗ 之间，由此初步判断所测区域最大水平主应力方向为ＮＷＷ－ＳＥＥ，巷道布置方向由北向南布置。对于垂直主应力＞最大水平主应力＞最小水平主应力型应力场，巷道轴线方向垂直于最大水平主应力方向为最佳布置方向。因此，底抽巷布置位置为最佳布置方向，受到水平主应力的影响很小。
（３）中六采区钻孔结构窥视表明，顶板岩层岩性分布不稳定，存在大量的软弱夹层，且岩层水平层理发育，易发生离层，必须设计高的预应力控制围岩的初期变形和离层。
（４）中六采区３＃ 煤层顶板主要有泥岩和细砂岩组成，岩层强度受到弱面和层理的影响，易上下波动，支护需要根据岩层变化适当调整。根据３＃ 煤层已有巷道支护技术及回采工作面的采动影响，并利用地质力学测试基础数据，对下部３＃ 煤层底抽巷进行支护设计研究。
２．２ ２２６１１工作面赋存特征
２＃ 煤层２２６１１工作面结构复杂，煤层平均厚度２．８９ｍ，距顶板０．２０～０．４０ｍ处含１层平均厚度为０．２５ｍ 的泥岩夹石层。煤层倾角２°～１６°。２２６１１工作面位于中六采区北配巷西北部，工作面东北部为２２６０９工作面，与本工作面相距３０ｍ，西南部为未采区。工作面中部由向斜－背斜－向斜组成褶曲构造，其延伸范围高差起伏较小。
３•近距离煤层巷道支护技术
３．１ 底抽巷围岩变形情况
（１）３＃ 煤层中的底抽巷位置标高为９８４～１０５９ｍ。３＃ 煤层结构简单，煤层平均厚度２．２ｍ，煤层倾角３°～１０°。底抽巷四周均未采，与２＃ 煤层间距约１６．７９ｍ。３＃ 煤层顶板为２．４７ｍ的砂质泥岩，容易破碎，掘送过程中巷道稳定时间短，来压快，掘送一周后，前期掘送巷道就发生了变形，很难控制。
（２）底抽巷掘送完毕需打钻抽放瓦斯，破坏巷道围岩整体稳定性，放置时间长，造成巷道变更量加大，主要表现在顶板破碎下沉、帮部煤质松软滚帮、底板变形。
（３）３＃ 煤层应在上部２＃ 煤层回采后且动压释放完才能开始掘送，但由于底抽巷提前掘送，受上部２＃ 煤层回采动压影响严重，造成巷道变形量加大。
３．２ 底抽巷围岩支护难点
３＃ 煤层巷道主要采用全锚支护、锚棚联合支护等技术，但这些支护方案对底抽巷的围岩稳定性控制效果较差，不能有效控制顶板下沉、帮部变形、底臌等现象，等到回采３＃ 煤层利用底抽巷时，巷道断面变小，需重新进行支护，增加了成本，影响了正常衔接。
３．３ 底抽巷围岩支护关键技术
针对支护复杂、围岩不稳定巷道的支护设计，主要有两种不同理论。
（１）二次支护理论。该理论认为，第一次支护在保证巷道围岩稳定的前提下，允许巷道有一定的变形量以释放采动压力，待压力释放完毕，围岩变形稳定之后进行二次支护，保证巷道使用时围岩基本保持稳定。这种理论在一定条件下已取得良好成果，也得到了广泛的认可。但是在强烈动压影响、地质构造复杂及围岩破碎不稳定等煤层进行掘送时，采用二次支护整修巷道后，巷道仍有变形，有时为了保证巷道服务年限需要多次支护，不能有效控制围岩变形。
（２）高预应力强力一次支护理论。该理论由煤炭科学研究总院开采设计分院提出，强力一次支护理论是指大大提高巷道初期支护的刚度和强度，有效控制围岩变形，保持围岩的稳定性，保证围岩在服务年限内基本无变形。采用高预紧力强力支护，一次支护基本上就能满足生产要求，避免二次支护和巷道维修。
针对底抽巷受到强烈动压影响，巷道变形和破坏严重，本设计采用高预应力强力一次支护理论。高预应力强力一次支护系统可以改善围岩应力环境，提高围岩残余强度，阻止围岩出现张开裂隙和裂纹、结构面出现离层与滑动，最大限度地保持围岩的完整性，避免有害变形出现。强力一次支护系统分２大类型：强力锚杆、锚索联合支护系统和全断面强力锚索支护系统。
３．４ 全断面锚索支护技术
初始设计采用井下实测和经验法相结合的方法进行，根据井下实测数据和已有经验确定出比较合理的初始设计。将初始设计实施于井下，并进行围岩位移和锚杆（索）受力监测，根据监测结果验证或修正初始设计。本设计包括试验点调查和地质力学评估，锚索支护初始设计，井下施工所需材料、设备和工艺，矿压监测设计和仪器等内容。
３．５ 支护参数设计原则
针对官地矿中六采区２２６１１工作面下部３＃ 煤层底抽巷地质条件，并充分发挥锚索承载能力大的特点，提出以下设计原则：
（１）一次支护原则。锚索支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。
（２）高预应力原则。初始预应力是锚索支护中的关键因素，只有高预紧力锚索才能发挥强力锚索的作用。设计通过采用钢筋托梁、加强菱形网和钢筋网等构件实现锚索预应力的延伸，加大锚索预应力的作用范围，提高锚固围岩的整体刚度与完整性。
（３）“三高一低”原则。在提高锚索强度和刚度，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚索数量，提高掘进速度。
（４）相互匹配原则。锚索各构件，包括钢筋托梁、加强菱形网和钢筋网等的参数与力学性能应相互匹配，锚索的参数与力学性能应相互匹配，最大限度地发挥锚索支护的整体支护作用。
（５）可操作性原则。提供的支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。根据底抽巷现有巷道支护现状、地质资料、掘进过程中设备尺寸、通风要求和巷道围岩变形预留量进行底抽巷围岩支护技术研究，巷道采用全断面高预应力强力短锚索组合系统。强力锚索支护系统包括锚索、钢筋托梁、托板、锁具和钢筋网。
４•底抽巷支护设计参数 低抽煤巷采用全断面锚索支护，巷道断面为矩形，宽４２００ｍｍ，高３０００ｍｍ。顶板、两帮采用锚索、钢筋托梁、加强菱形网联合支护。顶上铺加强菱形网，每排布置１根４个孔的钢筋托梁，４个孔内分别安装１ 根锚索，间排距１２００ ｍｍ×１２００ｍｍ；两帮挂加强菱形网，每排各布置１根３个孔的钢筋托梁，每个孔内分别安装１根锚索，间排距１１００ｍｍ×１２００ｍｍ，第一排距顶４００ｍｍ；预计底抽巷有８００ｍ掘进埋深超过７００ｍ （盖山厚度大于７００ｍ），此段施工时锚索排距由１２００ｍｍ缩小到１０００ｍｍ，间距保持不变。
过特殊地质构造、穿层时采用锚杆、锚索联合支护。顶板、两帮采用锚杆锚索、Ｗ 钢带，钢筋网联合支护。顶上铺钢筋网，每排布置１根５个孔的Ｗ 钢带，５个孔内分别安装１根锚杆，间排距９００ｍｍ×９００ｍｍ，每隔两排在两钢带中间布置２根锚索，间排距１４００ｍｍ×１８００ｍｍ，两帮挂钢筋网，每排各布置３根１个孔的Ｗ 钢带护板，每个孔内分别安装１根锚杆，锚杆间排距１０００ｍｍ×９０ｍｍ，第一排距顶５００ｍ，顶板破碎时加棚子加强支护。
本支护设计将原用的Ｗ 钢带变为钢筋托梁，钢筋托梁采用直径１８ｍｍ或２１ｍｍ的螺纹钢焊接而成，宽度２１０ ｍｍ，顶板上的钢筋托梁长度４０００ｍｍ，两帮上的钢筋托梁长度２５５０ｍｍ；全断面布置锚索，锚索规格为Φ２１．６ｍｍ×４３００ｍｍ，锚索预紧力由１００ｋＮ提高到２５０ｋＮ；钢筋网变为加强菱形网，采用８＃ 铁丝编织而成。
５•矿压监测
底抽巷设２个综合测站。其中掘进约５０ｍ 安设第一个测站，掘进１００ｍ 后安装第二个测站。巷道每隔５０ｍ，安设１个顶板离层指示仪，观测顶板离层情况。
监测表明本支护设计减少了巷道围岩变形量，顶板下沉量几乎为零，两帮轻微变形，变形量最大２００ｍｍ，底臌变形量为０．１～０．３ｍｍ，均满足使用要求。
６•结论
采用新的支护理念、新的支护形式、新型支护材料及改进的支护工艺，加强了支护强度，减弱了近距离上部煤层采动对下部底抽巷影响，减少了底抽巷围岩变形量。中六区３＃ 煤层回采时底抽巷仅需采取少量的维修就可二次使用，保证了矿井抽、掘、采衔接正常，具有显著的经济效益和社会效益，适合在井工煤矿进行推广应用。 |
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