松软煤层复合顶板切顶留巷帮-顶协同控制方法研究

松软煤层复合顶板切顶留巷帮-顶协同控制方法研究

0切顶留巷加固支护技术无碳开采对于解决煤柱高度集中引起的影响地压和车间开采的替代问题非常重要。当前专家学者针对切顶沿空留巷问题做了诸多有益探索。陈上元等将沿空巷道划分为超前影响区、留巷变形区和留巷稳定区3个维控区域，针对不同分区分别分析其控制机理。李爱军等提出一种新型主、被动结合的切顶留巷补强支护方式。苏夏收等给出了留巷的预裂切缝、恒阻支护和动压期临时支护等关键技术参数的理论公式。陈立军提出集“恒阻大变形锚索+钢带加固、深孔爆破预裂顶板、临时+永久支护相结合及U型钢挡矸”于一体的综合治理方式。袁超峰等确定了未贯穿面拉应力随切顶高度和切顶角度的变化规律。马新根等针对不同分区分别建立对应的力学简化模型，对巷道顶板变形规律及巷内支护需求进行理论力学分析。计庆辉建立了上覆顶板“悬臂梁+铰接岩梁”的结构模型，确定了切顶卸压下巷内支护强度。杨军等运用功能原理讨论了切顶留巷中短臂梁顶板在各变形阶段的敏感性。以上学者丰富了切顶沿空留巷理论及技术的研究内容，以上述研究为基础，本文分析了松软煤层复合顶板切顶留巷的难点，提出了松软煤层复合顶板切顶留巷围岩控制技术体系，并进行现场工业实验，取得较好效果。1煤层上覆隔空板-某矿12104工作面平均埋深537m，平均倾角3.6°，煤层厚度2.9m，煤体松软，其单轴抗压强度为1～4MPa，煤体裂隙发育。煤层上覆10m范围内为煤线、泥岩、炭质泥岩等强度较低的薄层复合顶板，如表1所示。在12104工作面的回风巷进行预裂爆破切顶沿空留巷，如图1所示。2复合顶板留巷难点分析采场顶板安全稳定是保证矿井正常开采的前提条件，而松软煤层复合顶板沿空留巷相较于传统地质条件下的沿空留巷，不论是松软煤体、复合顶板、预裂爆破布孔形式及巷道控制等方面难度均更大，因此十分有必要开展松软煤层复合顶板条件下留巷围岩支护技术研究。2.1关于煤炭开采和松树(1）煤层压力较大时顶板不稳定性增加，导致顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性加大，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性不足,顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳定性增加，顶板不稳在爆破切顶扰动作用下，由于复合顶板的整体刚度和强度较低，自身承载能力较低而不能经受上覆岩层的压力，导致顶板岩层不断下沉、离层，甚至破坏，同时上覆岩层荷载传递到破碎煤帮浅部，煤帮浅部在集中应力作用下进一步破碎而失去承载能力，使两帮极软煤体塑性区、破碎区范围扩大，片帮严重，复合顶板的固定支撑端不断向碎裂煤帮深部转移，导致顶板悬顶面积增大，顶板不稳定性增加。(2）煤帮整体性差，锚固点不稳定由于煤体结构较为松散破碎，且力学强度较低特别是当顶板为复合顶板并受到采掘及爆破扰动影响时，煤帮所受的应力尤为集中，导致煤帮在极短时间内形成大范围破碎区、塑性区，锚杆索锚固基点不牢靠，极易造成锚固失效，从而导致煤帮整体性被极大削弱，最终丧失支撑能力。2.2复合顶板方面该工作面复合顶板由粗砂岩、煤线、页岩及泥岩等厚度较小，层理、节理和裂隙发育、强度低的软弱煤岩层相间构成，各岩层之间有极薄弱的光滑面、刚度和强度差异较大、黏结力较弱甚至无黏结力，弱化了复合顶板的整体承载强度。在爆破切顶扰动作用下，各岩层沿破坏的结构面水平错动，相对错动区域不断增大，同时各分层纵向弯曲位移也不断增加，分层内产生垂直层面裂隙并不断扩大，宏观上造成顶板破碎松散、离层脱落、整体下沉严重甚至大面积冒落等现象，难以形成整体共同承载结构，在此情况下，采用常规锚杆索支护复合顶板难度大、安全可靠性低，变形破坏特征示意图如图2所示。2.3悬吊和拉伸作用松软碎裂煤帮整体性差，锚固点不稳定，复合顶板强度低、易离层、无稳定承载结构且悬顶面积大，进行常规锚杆索支护时，锚杆索没有充分发挥悬吊和拉伸作用，预应力传播区域减小，难以形成协同支护系统。并且锚杆索支护锚固区域都在碎裂煤帮和复合顶板内，煤帮及顶板内不能形成稳定的承载结构，在爆破扰动作用下，支护体无法联动，即使进行了锚、网支护，顶板下沉及煤壁挤出变形也会非常明显，顶板、煤帮变形相互作用，形成恶性循环，造成单体柱弯曲变形、钢筋网撕裂、网兜明显、锚固失效及托盘脱落等矿压现象。3破碎层复合顶板的留下孔理算机3.1采空区侧顶板切顶锚索支护随着爆破切顶及工作面推采工作进行，采空区侧复合顶板容易垮落，垮落过程中矸石运动对挡矸结构有瞬时冲击作用，压实过程对挡矸结构有横向挤压作用，且复合顶板垮落后不易形成短臂梁稳定结构。为此，采空区侧采用切顶长锚索支护顶板，切顶锚索发挥较好的悬吊作用，并确保锚固端位于较稳定岩层内，防止顶板在预裂爆破时或留巷过程中产生较大的离层。同时采用双排可缩U型钢挡矸护帮结构进行挡矸，双排可缩U型钢抗横向变形能力强，且当顶板有大的来压时，其具备一定让压功能，可保证支护构件不被压弯，形成安全的碎石巷帮支护体系。3.2板支护技术原理复合顶板破碎松散、易离层脱落，难以形成稳固的承载结构，为实现复合顶板整体锚固承载结构，采用高强预应力槽钢桁架锚索进行复合顶板支护，其锚固点位于深部较稳定受压岩层，能在巷道顶板的水平和铅垂方向同时提供挤压应力，从而有效降低巷道中部区域煤岩体最大拉应力，实现顶板多向受压，提高煤岩体的强度和抗变形破坏性能。此外，倾斜锚索与高强度槽钢形成的桁架锚索支护装置，结构不易失效，起到了力传递作用，将巷道两肩深窝的稳定锚固力传递到巷道帮壁上，同时还增大了帮壁的受力面积，给予巷道两帮壁提供了强大的支护力。3.3平衡面为复合顶板松软煤帮采用槽钢桁架锚索的锚固范围广，可有效锚固到留巷顶板和底板。一方面，倾斜锚索将稳定锚固力传递到复合顶板上，与顶板桁架锚索的压应力耦合，形成强大的受压体系，确保顶帮稳固；另一方面，倾斜锚索还将其锚固力传递到巷道底板，增大了底板的受压面积，为巷道底板提供了强大的支护力，确保帮底稳固。3.4采出采后钢桁架锚索切顶留巷综合支护系统采用集采空区侧切顶锚索+双排可缩U型钢、复合顶板槽钢桁架锚索及煤帮槽钢桁架锚索于一体的全方位综合支护系统可形成稳定承载结构，切顶留巷综合支护系统示意图如图3所示，可有效实现复合顶板松软煤切顶留巷稳定。4控制和技术应用4.1爆炸参数(1）冲击顶板的作用由于是复合顶板，所以采用间隔空孔的方式预裂，这样对顶板的冲击作用较小。多联孔同时预裂，切缝的效果明显优于单孔预裂，结合顶板强度较低，所以综合采用三联孔同时预裂的方式，如图4所示。(2）空孔与药剂爆破孔间距钻孔的间距影响爆破的效果，间距过小会导致钻孔工程量的增加，间距过大时，爆破效果不佳。为取得良好的爆破效果，同时考虑到复合顶板的不稳定性，空孔与装药爆破孔的钻孔间距为0.4m（相当于爆破孔间距0.8m，中间有空孔，如图4中的a=0.4m），与巷帮距离d=5cm左右，钻孔向采空区方向倾斜10°～15°。(3）留巷顶板倾斜下沉合理的钻孔深度对留巷的成功起着至关重要的作用，切顶高度不足，则采空侧顶板垮落不能完全充满采空区，导致留巷顶板出现倾斜下沉，给留巷的维护带来不便；切顶高度过大，虽然能起到良好的切顶效果，但工程量过大同时不经济。考虑到复合顶板垮落后能够充满采空区，因此炮孔深度式中H———工作面采高，H=2.9m;K为了探究合适的炮孔深度并考虑到一定的安全系数，取炮孔深度5、7、9m进行试验。(4）炮孔参数设置聚能爆破炸药采用煤矿许用三级乳化炸药，采用炸药规格为直径φ32mm×200mm/卷；根据切缝范围内顶板岩性特征，结合以往切顶卸压聚能爆破工程，炮孔装药方案如表2所示。装药量分别选择为“3+3+2”、“3+3+3+2”、“3+3+3+3+2”,3种爆破方案的详细爆破装药结构如图5所示。电雷管采用煤矿许用毫秒延期电雷管。在留巷段，将上述3种方案各试验50m。现场观测发现方案1，切顶过后采空区矸石未充满顶板，留巷顶板变形过大，支护困难；方案2和方案3切顶效果良好，留巷稳定，围岩变形量小。因为方案2和方案3留巷效果相差甚微，同时考虑到施工量及经济性，最终确定选用方案2进行后续切顶留巷。(5）粘土密封为防止吹孔，在留有一定的安全系数情况下，炮孔的封泥长度确定为1.5m。4.2槽钢-锚索支护系统松软煤层具有强度低、黏聚力低、承载性差等特点，造成巷帮破坏严重、变形量大、巷帮支护困难。为提高煤体整体承载强度，在原有锚杆支护体系基础上，提出“槽钢-锚索”系统支护措施。(1）实体煤帮采用“槽钢-锚索”支护系统，锚索倾斜锚固在稳定岩层区域内，锚固点稳定，增强实体煤帮抗剪能力。(2）巷帮采用槽钢形成“强护表结构”，高预应力锚索端部受力作用在槽钢上，增大受力面积，不至于锚索被“拉”进破碎煤体内，从而在巷道壁形成稳定可靠的承载结构，防止煤壁片帮。实体煤帮采用“锚杆+槽钢-锚索加固”联合支护。槽钢-锚索采用φ17.8mm×5300mm的钢绞线，帮部跨距1500mm，排距2000mm。上位锚索距顶板900mm，下位锚索距底板900mm，与水平方向夹角为20°，排距2000mm，与顶板槽钢锚索同排布置。4.3顶板锚固点支护由于该工作面复合顶板难以形成整体共同承载结构，采用常规锚杆索支护复合顶板难度大、安全可靠性低。复合顶板控制的关键是要形成顶板整体结构和提高顶板整体强度，故采用高预应力桁架锚索系统加固顶板，进而提高复合顶板整体强度。预应力桁架锚索系统是由预应力高强度钢绞线、专用连接器、锁具和树脂锚固剂组成。与普通单根锚索锚固顶板相比，①桁架锚索系统锚固点在巷道肩角，端部锚固位置处在三向应力中，不受顶板离层的影响，避免了单根锚索顶板离层时锚固段锚固力不足；②桁架锚索在水平和竖直方向主动提供挤压应力，降低了顶板围岩所受剪应力，进而提高了围岩整体强度。顶板采用切顶锚索+桁架锚索+金属网联合支护。锚杆采用φ22mm×2600mm，间排距900mm×1000mm。普通单体锚索采用φ17.8mm×8300mm，排距2000mm。切顶前在采空侧补打2排切顶锚索，型号φ21.8mm×9300mm，锚索间距600mm，排距2000mm，第1排距巷道壁400mm，与原有普通锚索交错布置。槽钢锚索采用φ17.8mm×8300mm钢绞线，两连锁间距1800mm，排距2000mm，采用非对称布置，采空侧距巷道中心线1000mm，实体煤侧锚索距巷道中心线800mm，角度与竖直方向夹角20°，与切顶锚索同排布置。4.4采空区顶板支护方式转变沿空留巷采空侧的控制对留巷成败起着重要作用。既要防止矸石窜入巷道，又要防止顶板向采空侧出现倾斜下沉给巷道维护带来不利影响，复合顶板沿空留巷又要注意顶板采空侧顶板出现离层现象。针对以上问题，提出“切顶卸压+切顶锚索+挡矸单体支护”的主动和被动相结合的支护方式。通过切顶预裂技术主动切断采空区顶板与实体煤侧的力学联系，减弱留巷顶板压力；补打切顶锚索、加设单体支柱防止顶板出现倾斜下沉；通过挡矸单体和金属网阻止了采空区矸石窜入巷道，并形成新的矸石帮。矸石帮采用29U型钢配合金属网进行挡矸，U型刚凹面朝向巷道，在距帮部500mm，排距1100mm架设单体支柱对顶板进行补强支护，在单体顶部采用π型梁与巷道顶板支紧，并将π型梁插入29U型钢凹槽内，提高整体稳定性。沿空留巷围岩综合支护示意图如图6所示。4.5巷道围岩位移量观测为了观测复合顶板破碎煤层沿空留巷围岩变形规律，通过十字布点法对巷道顶底板及左右帮位移量进行观测。结果如图7所示。通过2个月的观测留巷最大两帮位移量220mm；最大顶底位移量155mm，从观测结果可以看出巷道整体变形量在可以接受的范围内。复合顶板松软破碎煤层切顶预裂沿空留巷取得了良好的支护效果，保证了下个工作面回采时安全使用。5双桁架联合支护系统切顶爆破(1）松软煤层复合顶板切顶留巷需