B080206 高应力区薄煤层巷道支护技术与实践.doc

高应力区薄煤层巷道支护技术与实践高有存【兖州矿业集团公司北宿煤矿，山东 邹城 273516】摘 要 针对双翼布置工作面的采区回采对采区上下山及其巷道片口的动压影响，利用实验和数值模拟计算，对巷道围岩强度、支护机理进行了深入的分析，找出了巷道支护的薄弱部位，确定了合理的支护方式。关键词 高应力 薄煤层 数值模拟计算 支护形式-1 地质概况矿井井田内煤层埋藏平缓，煤层较薄，煤层厚度0.851.0m，属于缓倾斜薄煤层，采深为地表以下170480m。主采煤层有两层，分别为16上煤和17煤。采区内无大的断裂构造，小构造发育，煤层无尖灭现象，矿井涌水量较小，水文地质条件较简单。 16上层煤顶板为十下灰岩，厚度3.887.48m，平均厚度5.18m，全区稳定。灰岩致密、坚硬、富有韧性，单轴抗压强度101.9MPa。灰岩以上为泥岩，厚度2.2m；再上为粉沙岩，厚度3.6m。十下灰岩底部0.61.0 m波状层理发育，形成层内弱结合面。底板为铝质泥岩，稳定、层薄、遇水变软，单轴抗压强度由32.73MPa降至5MPa。 17层煤顶板为十一灰岩，厚度02.66m，平均厚度1.18m，坚硬、韧性大，单轴抗压强度98.6MPa，岩性不稳定，相变频繁，常相变为粉砂岩和页岩。单轴抗压强度36.3MPa。岩性脆弱、节理发育。底板泥砂岩，平均厚度2.2m，底板岩层单轴抗压强度13MPa，遇水膨胀、松软，不利于支护。2 巷道布置井田走向尺寸大、倾向尺寸小，单个水平内采区按走向划分。一般为双翼采区布置。上下山沿煤层倾向布置于采区的中央，由于两层煤顶板岩层的抗压强度远大于底板岩层，选择巷道沿煤层顶板布置。分别沿16煤和17煤布置轨道运输巷，担负辅助运输。位于16层底板与17层煤顶板之间布置共用胶带运输巷，担负两层煤的煤炭运输。工作面巷道按接近煤层走向全部沿煤层布置，由于单层煤层的厚度仅有1m，沿煤层布置的巷道都采取破底板岩层掘进施工成巷。3 原支护设计及效果矿井分为两个水平，到2000年止，第一水平煤炭资源已全部回采完毕，开始转入第二水平开采。原支护方式为对拱形巷道顶板采取锚杆、加挂金属网、喷射混凝土支护；对半煤岩采区上下山页岩顶板采取锚杆、加挂金属梯支护；石灰岩顶板不支护。两帮采取点状布置锚杆支护。当转入深部回采后，采动应力变化明显，压力增大，巷道破坏严重。矿井第一个深部采区集中材料运输下山巷道顶板出现大面积明显下沉，局部发生冒顶现象，两帮喷层开裂脱落，底臌严重，铁路变形。扩修后的巷道大面积出现木棚支架折损，钢棚支架严重变形，影响正常运料和行人。工作面回采巷道两帮片帮严重，顺槽巷道片口部分受采动破坏尤其明显。4 应力分析通过对两层煤进行数值模拟计算，16层煤无支护条件下的主应力表现为巷道的破坏先从煤层的两帮下位发生，然后逐渐向深部和低部发展。开始，由于两帮附近小区域受压发生破坏，导致煤层及顶板对破坏区域压实，并在此积聚了大量的弹性能。当弹性能超过该岩层的极限强度后，由于得不到有效释放，该岩层就会瞬间发生破坏，释放大量的弹性能和势能，最终导致巷道失稳。声发射范围集中在煤层巷道两帮和底板，巷道在无支护条件下，边缘区域声发射激烈，声发射密度较大，能量相对较小，但巷道积聚的能量先从煤层两帮逐渐释放，进而影响到底板。由于该岩层强度比较低，随着能量在此不断积聚，当超出其强度时，能量瞬间释放，造成巷道发生破坏。17层煤无支护条件下的主应力表现为巷道破坏集中在巷道边缘部位，逐渐向底板转移。巷道边缘部位由于受支撑压力的影响，该处岩层由弹性状态转变为塑性状态，近而发生破坏。巷道边缘声发射异常激烈，巷道两帮下位积聚较大能量，支撑压力比较大。由于巷道两帮下位为较软的铝质砂岩，强度比较低。开挖初期，由于原岩应力受到破坏，巷道边缘处的铝质砂岩处于弹性状态，并在此积聚大量弹性能。但随着时间的延长，巷道两帮受到支撑压力和构造应力的作用，将释放大量的弹性能，巷道两帮的岩层由弹性状态转变为塑性状态，导致帮部岩层挤压破坏。5 支护设计考虑综合巷道服务年限和巷道布置两个因素，工作面巷道全部采用梯形断面；采区轨道上下山沿煤层布置时，采用梯形断面，穿层时采用拱形断面；采区胶带上下山布置于岩层，全部采用拱形断面。采煤方式为采区内分层开采，采区中部上下山及停采线以内的片口巷道多次受工作面回采与巷道开掘带来的动压影响。为满足安全生产的需要，依据煤层顶板的抗压强度数值和巷道围岩强度理论分析，除两层煤坚硬石灰岩顶板岩层部分不需要任何支护外，其它岩性的巷道围岩部分都进行复合支护。为了解决重复动压对已掘巷道带来的破坏，复合支护选择两种形式。拱形巷道采用全断面锚杆、金属网、喷浆支护；梯形巷道靠近采区上下山的回采巷道片口采用顶板锚杆、金属梯+锚索联合支护，两帮锚杆、金属网、喷浆支护；一般回采巷道两帮采用锚杆、金属梯支护。巷道支护断面分别如图1、图2、图3所示。图1 全岩拱形巷道加强支护断面示意图图2 顺槽片口巷道加强支护断面示意图图3顺槽防片帮加强支护断面示意图锚、网、喷支护选用直径20mm、长2000mm的左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，间排距10001000（mm）。用一卷CK2545型树脂锚固剂端头锚固，锚固长度不少于450mm。锚杆外露长度不大于50mm，托板规格为1001008（mm）。锚杆均使用配套标准螺母紧固。每根锚杆锚固力不小于100kN。金属网为直径不小于6mm的钢筋制作成的经纬网，网的规格为1300900（mm），网格尺寸为100100（mm），网与网压茬连接，搭接长度不小于100mm，相邻两片网之间要用10#铁丝扭接牢固，连接点要均匀布置，间距300 mm。喷浆材料为水泥、沙子，水泥标号为425#，配比为水泥沙=12.5。喷浆时掺J85型速凝剂，掺入量为水泥重量的35%，喷拱时取掺入量的上限，在喷淋水区时，可酌情加大速凝剂掺入量。喷层厚度拱形巷道一般选择80100mm，梯形巷道一般选择3050mm。锚、梯+锚索联合支护选用直径18mm、长1500mm的左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，间排距为9001000（mm）。锚索为直径15.5 mm、长5500mm的钢绞线，锚索间距4000 mm，单排布置。6 支护机理在巷道顶底板与帮部接茬处的三角地带，将锚杆按一定角度倾斜安装，使锚杆的锚固端深入到两帮煤体，使组合平衡拱纵深到煤帮有效支撑范围内加强组合梁的的支撑强度，提高巷道煤帮角处的岩体抗剪能力。梯形巷道顶板采用锚索加强支护，把组合梁悬吊在巷道顶板上部稳定的岩层中，由于锚索可施加较大预紧力，可在锚杆加固的基础上进一步挤压严密岩层中的层理、节理、裂隙等不连接面，增加不连接面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。钢筋网和金属梯能使组合梁下方不受锚杆组合作用而容易脱落的煤岩体连成整体，不仅可以保证组合平衡拱的完整性，而且又可以增加支护强度。水泥沙浆主要用于封闭围岩表层，隔绝外部空气和水分，防止围岩风化，提高岩层的完整性，维护锚杆的围岩稳定。7 支护效果近几年来我们对巷道支护方式进行了探索，彻底取消了架棚支护，在锚喷支护的基础上引进了锚索，按上述设计对采区中部上下山及其附近主要片口巷道进行了支护，工作面回采后，巷道表面无明显的变化，巷道受采动破坏较小，支护取得成功，满足安全生产需要。采用锚网喷支护后，巷道支护成本比工字钢支架降低56%，比木支架降低90%。结束了原来每回采一个工作面就要对采区集中上下山反复维护