楊莊煤礦深部火成巖侵蝕復(fù)合頂板下“三軟”煤層支護(hù)研究與應(yīng)用

1、楊莊煤礦深部火成巖侵蝕復(fù)合頂板下“三軟”煤層支護(hù)研究與應(yīng)用安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)楊莊煤礦摘要：隨著煤礦開(kāi)采深度的增大，復(fù)合頂板的離層破碎問(wèn)題越來(lái)越突出。 如何消除冒頂、片幫，有效維護(hù)復(fù)合頂板和兩幫穩(wěn)定，控制圍巖變形，提高圍巖 整體穩(wěn)定性，已成為確保煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。楊莊煤礦iv5210工作面巷道埋 深已近800米，屬深部典型的“三軟”煤層，通過(guò)巖體分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)測(cè)，提出了“強(qiáng)頂、固幫”的支護(hù)對(duì)策和新的支護(hù)形式，以錨索支護(hù)為主，巷 道頂板采用“212”布置，頂板松軟巖層較厚及破碎地段，錨索適當(dāng)加長(zhǎng)。結(jié) 果表明，該支護(hù)方案有效控制了巷道圍巖變形，滿足了“三軟”煤層巷道支護(hù)的 需要。關(guān)鍵詞：

2、深部 復(fù)合頂板 “三軟”煤層 支護(hù)1. 工程概況1.1iv5210工作面概況楊莊煤礦位于淮北市南約8km處，礦井可釆煤層共有四層，分別為6 層、5層、4層及3層。本次項(xiàng)目研究的iv5210工作面位于5煤層，工作面 標(biāo)高范圉715512m,地面標(biāo)高+31.5mo據(jù)已有資料分析該面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜， 煤層傾角變化大，在921°z間，平均15°,局部煤層受火成巖侵蝕， 且存在變薄現(xiàn)彖，面內(nèi)共有7條斷層，最大斷層落差達(dá)8m。iv5210工作面機(jī)風(fēng)巷沿煤層走向布置，跟5煤層頂板施工，直接頂為 灰黑色泥巖，裂隙發(fā)育，厚度不穩(wěn)定，平均厚度為3.9m；老頂為4煤，4煤大 部分被火

3、成巖侵蝕，厚度不穩(wěn)定，平均厚度為6.8m；直接底為灰黑色泥巖，平 均厚度為6.7m,老底為淺灰色砂巖，平均厚4.8m。1.2現(xiàn)存主要問(wèn)題根據(jù)工程類比法，iv5210工作面機(jī)、風(fēng)巷支護(hù)形式采用錨帶網(wǎng)連鎖棚 支護(hù)。為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，楊莊煤礦在iv5210工作面冋采巷道掘進(jìn)期間 及吋布置了礦壓顯觀測(cè)點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，目前存在以下問(wèn)題：(1) 圍巖變形量大。為對(duì)原方案的支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在1v5210工作 面機(jī)巷試驗(yàn)段每個(gè)30m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，共兩個(gè)測(cè)站，在50d的觀測(cè)吋間內(nèi)，兩 幫移近總量最大約為459mm,平均移近速率為9.18mm/d,頂?shù)装逡平偭窟_(dá) 349.3mm,平均移近速率6.98m

4、m/do(2) 網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯。由于機(jī)巷頂板為復(fù)合頂板且老頂被火成巖侵蝕，離 層量大，采用原支護(hù)方案的巷道近一半以上顯現(xiàn)出網(wǎng)兜的現(xiàn)象，一些錨桿和錨索 發(fā)生彎曲變形，失去了組合支護(hù)抵抗圍巖變形的能力。(3) 支護(hù)體實(shí)效嚴(yán)重。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，在使用原支護(hù)方案的近120m的 巷道范圍內(nèi)，錨桿、錨索多處掉落，鋼帶發(fā)生剪斷，失去承載能力。以上問(wèn)題給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)了較大隱患，因此，有必要對(duì)該礦現(xiàn)有 的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。2. iv5210i作面圍巖破壞機(jī)理分析2.1巷道頂板裂隙帶分布特征本次利用ysz (b)鉆孔窺視儀對(duì)巷道圍巖狀態(tài)進(jìn)行成像分析，分析巷 道圍巖裂隙分布特征，確定圍巖松動(dòng)圈分布范圍，機(jī)巷和風(fēng)巷

5、分別設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn), 共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)共布置三個(gè)窺視孔，孔徑為42mm,兩幫孔深5m,頂 板孔深6m。緊跟掘進(jìn)迎頭進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的分段布置，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為30m,鉆孔 布置圖如圖所示。圖1-1觀測(cè)點(diǎn)窺視孔布置圖通過(guò)對(duì)機(jī)風(fēng)巷頂板局部巖層觀測(cè)結(jié)果分析，可得機(jī)巷和風(fēng)巷分別在現(xiàn)有支護(hù)方案下，巷道圍巖裂隙分布成像圖如圖12所示。頂板孔深:0.5-1.3m頂板孔深：頂板孔深：2.04.5m頂板孔深：456.0m圖1-2：機(jī)巷頂板裂隙分布成像圖根據(jù)巷道圍巖裂隙分布成像圖可知巷道圍巖裂隙帶分布主要特征為：孔 壁裂隙以上下震蕩的形式由孔底向孔口呈連續(xù)不均勻分布，相鄰裂隙最大間距 0.5m,最小裂隙間距為0.1m, 口

6、距孔口 04m范圍內(nèi)，裂隙分布間距變化幅度 較大，由孔底向孔口裂隙沿孔壁呈不均勻分布，裂隙分布集中區(qū)段范圍大致位于 0.1m-4.0m,裂隙間距多為0.1m,往深部發(fā)展裂隙分布間距逐漸增大，裂隙發(fā) 育趨于穩(wěn)定。2.2巷道頂板裂隙帶成因分析(1) 巷道處于大埋深、高地應(yīng)力、仰山掘進(jìn)，所處的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境較復(fù) 雜，口受地質(zhì)構(gòu)造影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象較普遍。(2) 老頂4煤受火成巖侵蝕后，巖層層間分布不穩(wěn)定，有巖層缺失現(xiàn) 象，且層間粘結(jié)性差，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，易岀現(xiàn)層間離層顯現(xiàn)，致使頂板淺部 產(chǎn)生較大離層量，鉆孔窺視儀觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道離層與巖層層間裂隙帶分布有關(guān)。(3) 支護(hù)不及吋，支護(hù)參數(shù)和施工過(guò)程不能實(shí)

7、現(xiàn)耦合支護(hù)。2.3深部煤巷底臓嚴(yán)重因素分析深部煤巷影響底鼓的因素往往較為復(fù)雜，其主要影響因素有：圍巖應(yīng)力、 底板巖性、巷道支護(hù)、巷道布置及斷面等。(1) 高圍巖應(yīng)力:iv5210機(jī)巷與風(fēng)巷埋深約800m,處于高地應(yīng)力環(huán)境, 巷道開(kāi)挖后原巖應(yīng)力受到破壞，圍巖內(nèi)應(yīng)力重新分布，圍巖受力狀態(tài)發(fā)生變化, 使得圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)域。巷道圍巖所受應(yīng)力超過(guò)了巷道圍巖的極限承載強(qiáng)度，致 使底臓嚴(yán)重。（2）底板為煤層：該工作面機(jī)巷和風(fēng)巷不僅所處高地應(yīng)力環(huán)境，老頂受 火成巖侵襲嚴(yán)重，老頂自身承載能力降低，兩幫為煤幫，裂隙發(fā)育程度高，且底 板為煤巖層，致使兩幫的垂直應(yīng)力使得底板煤巖層發(fā)生剪切破壞，底板穩(wěn)定性降 低，底板底

8、月鼓量增大。（3）未實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)：該工作面機(jī)巷與風(fēng)巷的現(xiàn)有支護(hù)形式的支護(hù)參數(shù) 不合理，出現(xiàn)所需支護(hù)強(qiáng)度與圍巖壓力不相匹配，巷道掘進(jìn)速度與支護(hù)吋機(jī)不 匹配等現(xiàn)象，間接引起底板底13鼓的發(fā)生。3.iv5210工作面機(jī)、風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1機(jī)、風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及理論分析，在不增加煤礦支護(hù)成本即不改變?cè)ёo(hù)方案（方案一）中錨桿（索）材質(zhì)、直徑、長(zhǎng)度及錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，針對(duì)錨桿（索） 布置方式，提出了以下支護(hù)方案：（1）方案一（原支護(hù)方案）巷道高2550mm寬4000mm,巷道頂板錨桿選用φ22×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿配合l4000m

9、4型鋼帶進(jìn)行支 護(hù)，同吋加掛菱形網(wǎng)，間距800mm,排距800mm,頂板兩邊錨桿各向外傾斜 10°；幫部錨桿選用φ22×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿配合 l2800m4型鋼帶進(jìn)行支護(hù)，同吋加掛菱形網(wǎng)，間距800mm,排距800mm；頂板 錨索選用φ17.8×6300mm 鋼絞線，間距 2000mm,排距 2400mm,每 孔采用一節(jié)k2535樹(shù)脂卷（置于孔底）和兩節(jié)z2550樹(shù)脂卷加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力80 kn-100kno（2）方案二巷道高2550mm 寬4000mm,巷道頂板錨桿選用φ

10、22×2200mm的左旋無(wú)縱 筋螺紋鋼錨桿，間距800mm,排距800mm, 頂板兩邊錨桿各向外傾斜10°；幫部錨桿選用φ22×2200mm的 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm,排距800mm；頂板錨索選用φ17.8×6300mm 鋼絞線，間距 1600mm,排距 800mm,呈 布置。(3) 方案三巷道高2550mm 寬4000mm,巷道頂板錨桿選用φ22×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm,排距800mm； 幫部錨桿選用&

11、;phi;22×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距 800mm,排距800mm,左右?guī)筒康族^桿各向下傾斜30°；頂板錨索選用 φ17.8×6300mm 鋼絞線，間距 2000mm,排距 2400mmo3.2支護(hù)效果分析1、根據(jù)巷道變形云圖分析，無(wú)支護(hù)時(shí)巷道變形主要以巷道底板下沉為 主，最大下層量達(dá)到70cm,且其直接導(dǎo)致巷道兩幫上部的圍巖變形也顯著增 大，這與楊莊煤礦iv5210工作面機(jī)巷的現(xiàn)場(chǎng)變形情況基本相符，且其底板的 變形破壞特征是以兩底角的變形而帶動(dòng)整個(gè)底板鼓起為特點(diǎn)。從控制巷道頂板下 沉量的角度考慮，方案二

12、更為合理。2、通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，從表1中可以看岀，方案二在控制巷道 頂?shù)装逡平糠矫嬉詢?yōu)于其他方案，方案三能較好的控制巷道底鼓量。表1不同支護(hù)方案下巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟?單位：m)3、由于支護(hù)重點(diǎn)是如何控制巷道頂?shù)装宓淖冃瘟?，方案二更加適合 iv5210工作面巷道的圍巖頂板變形控制。方案三中兩根底幫錨桿在控制巷道底 板鼓起方面起到了一定的作用，分析其原因是由于其兩底幫處的兩根錨桿向下傾 斜，更好的限制了巷道底板的變形，因此在采用方案二的同吋，將其兩底幫處的 錨桿向下傾斜一定角度。3.3小結(jié)通過(guò)分析，提出了 “強(qiáng)頂、固幫”的支護(hù)對(duì)策和新的支護(hù)形式，采用 錨索采用布置，安全經(jīng)濟(jì)性較高。具體

13、支護(hù)形式如圖3-1所示，巷道 高 2550mm > 寬 4000mm,頂板錨索選用 φ17.8×6300mm 鋼絞線，間 距1600mm,排距800mm,呈布置，每孔采用一節(jié)k2535樹(shù)脂卷(置 于孔底)和兩節(jié)z2550樹(shù)脂卷加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力80 kn -lookno(a)巷道支護(hù)主視圖單位：mm(b)巷道支護(hù)俯視圖3-1支護(hù)方案4 主要結(jié)論(1) 分析認(rèn)為該類巷道圍巖的破壞類型以剪切破壞為主，提出了“強(qiáng)頂、 固幫”的支護(hù)對(duì)策?！皬?qiáng)頂”，即加強(qiáng)頂板支護(hù)，控制頂板變形；“固幫”，即加 固兩幫，確保圍巖穩(wěn)定；(2) iv5210工作面巷道成分區(qū)破裂現(xiàn)象，且深度越深其巖層的完整性 越好。機(jī)巷與風(fēng)巷采用新支護(hù)方案后，錨桿起到組合梁的支護(hù)效果，錨索深入 堅(jiān)固圍巖中