近距離、高應(yīng)力條件下的煤層巷道支護(hù)技術(shù)

祁景成

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西 河曲 036500）

近距離、高應(yīng)力條件下的煤層巷道支護(hù)技術(shù)

祁景成

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西 河曲 036500）

近距離煤層群開采時(shí)，下層煤的巷道往往受上層煤留設(shè)煤柱的影響，出現(xiàn)頂?shù)装逡平考哟蟆⒌坠牡痊F(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工作面的安全生產(chǎn)。針對(duì)該類巷道變形問題，提出了采用高強(qiáng)度新型錨桿支護(hù)體系，有效保證了高應(yīng)力下煤巷的穩(wěn)定。

近距離煤層群；煤柱；高應(yīng)力

1 概述

巷道支護(hù)技術(shù)是礦山工程地下施工的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)行煤層群開采時(shí)，通常上層煤巷留設(shè)的煤柱會(huì)給下層煤巷形成較高的應(yīng)力。巷道在高應(yīng)力作用下圍巖裂隙節(jié)理發(fā)育，給巷道支護(hù)帶來一系列問題，主要表現(xiàn)為[1]：（1）圍巖變形量大。巷道兩幫移近，頂板下沉和底鼓等現(xiàn)象嚴(yán)重。（2）初期變形速率大。原巖應(yīng)力高，巷道開挖時(shí)卸荷快，圍巖來壓迅速，故高應(yīng)力巷道初期開挖時(shí)變形速率大。（3）變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。巷道形成后，圍巖在較高應(yīng)力作用下還會(huì)持續(xù)變形，大約要數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間，才能進(jìn)入穩(wěn)定變形階段。

2 巷道圍巖條件

某煤礦現(xiàn)在主要開采3、4號(hào)煤層。4號(hào)煤層區(qū)段平巷由于受到3號(hào)層煤柱支承壓力影響，造成巷道強(qiáng)烈變形，兩幫移近量和底鼓量都很大，嚴(yán)重影響了巷道的安全。目前，該煤層區(qū)段順槽雖經(jīng)多次修復(fù)，投入大量人力、物力，但巷道變形仍無(wú)法控制，巷道維護(hù)費(fèi)用居高不下，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)掘進(jìn)4號(hào)煤層工作面巷道所采用的支護(hù)方式為：錨桿＋錨索＋鋼帶。掘進(jìn)斷面形狀為矩形，掘進(jìn)寬3.80 m，掘進(jìn)高2.30 m，掘進(jìn)斷面積8.36 m2，順槽全長(zhǎng)為1 300 m。其煤層巷道圍巖穩(wěn)定性力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類方案，得出4號(hào)煤層巷道圍巖的穩(wěn)定性類別為Ⅳ類。

表注：1、頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度取巷道寬度2倍范圍內(nèi)頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。2、底板巖石單向抗壓強(qiáng)度取巷道寬度1倍范圍內(nèi)底板巖石單向抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。3、巷幫煤層單向抗壓強(qiáng)度為煤和夾矸的加權(quán)平均值3.63MPa。4、采動(dòng)影響系數(shù)指因工作面回采引起的超前支承壓力的影響，N值等于0.30。5、圍巖完整性指數(shù)利用直接頂初步垮落步距代替，據(jù)該煤礦的現(xiàn)場(chǎng)資料，D＝12m。

表1 4號(hào)煤層圍巖穩(wěn)定性分類基本參數(shù)

3 高應(yīng)力區(qū)的分析

煤層群開采過程中，上煤層開采必定會(huì)引起回采空間圍巖應(yīng)力的重新分布，不僅會(huì)對(duì)回采空間周圍的煤體產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且會(huì)向底板及深部巖層傳遞或重新分布，從而影響下部煤層巷道的布置與維護(hù)。

該煤礦4號(hào)煤層距3號(hào)煤層的平均距離9.64 m，3號(hào)煤層留設(shè)煤柱寬度23 m，兩側(cè)采空，設(shè)煤柱寬度2 B，根據(jù)集中載荷作用下半無(wú)限平面體內(nèi)的應(yīng)力公式，估算出典型煤柱載荷作用下的支承壓力呈馬鞍形分布，見圖1。

圖1 典型煤柱載荷作用下的應(yīng)力分布

圖1中曲線d區(qū)、e區(qū)、f區(qū)表示在上層留設(shè)煤柱載荷作用下，底板巖層在不同深度水平截面上鉛直應(yīng)力的等值線（曲線面表示底板巖層內(nèi)鉛直應(yīng)力與自重應(yīng)力比值的等值線，等值線外部的鉛直應(yīng)力與自重應(yīng)力相等）。

從圖1知，底板巖層內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力大小，主要取決于上部煤柱的載荷、該點(diǎn)與煤柱的垂直距離、該點(diǎn)與煤柱邊緣或中心線的水平距離。底板巖層內(nèi)同一水平面上鉛直應(yīng)力在煤柱中心線處最小，而靠近煤柱邊緣出現(xiàn)峰值，影響的范圍約2.5倍的煤柱寬度，即57.5m。除了在煤柱下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力增高區(qū)外，位于煤柱附近的采空區(qū)下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)。近距離煤層群開采時(shí)，如果煤層間距小于上層煤開采對(duì)該煤層底板的影響深度，則下層煤巷道將遭受上層煤煤柱的影響。

3號(hào)煤層埋深355 m，煤柱寬為23 m，根據(jù)該礦實(shí)際情況，利用數(shù)值分析對(duì)煤柱影響下底板的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究，得出4號(hào)煤層頂板的應(yīng)力分布曲線見圖2。

從圖2可看出，3號(hào)煤層煤柱對(duì)底板（4號(hào)煤層頂板）造成較大應(yīng)力集中，4號(hào)煤層頂板應(yīng)力分布呈馬鞍形分布，最大應(yīng)力集中在離3號(hào)煤煤柱中心12 m的地方，最大應(yīng)力值為17.31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.94。

圖2 4號(hào)煤頂板應(yīng)力分布

4 基于高應(yīng)力區(qū)的巷道支護(hù)

目前，錨桿支護(hù)中普遍存在著：錨桿（索）預(yù)緊力小，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果差，支護(hù)系統(tǒng)剛度低，致使錨桿主動(dòng)支護(hù)作用不能充分發(fā)揮，不能有效控制圍巖離層與破壞的問題。錨桿（索）在安裝后施以預(yù)緊力，使不同巖層間摩擦作用力增大，同時(shí)將錨固范圍內(nèi)的圍巖擠緊，形成梁或拱的承載結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高巷道圍巖穩(wěn)定性的目的；而沒有預(yù)緊力或預(yù)緊力低的錨桿，只有在圍巖變形后才開始起加固作用。在錨桿（索）安裝后，立即施加足夠的預(yù)緊力，使圍巖由雙向應(yīng)力轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，甚至可使圍巖中的拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力區(qū)；對(duì)于巖體受剪面，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，大大提高了加固體的抗剪性能，避免過早出現(xiàn)張開裂隙，減少圍巖的弱化過程，提高了圍巖的穩(wěn)定性。

根據(jù)以上對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性和所受高應(yīng)力分析，確定此類巷道必須采用高阻力的支護(hù)形式。要求在掘進(jìn)初期對(duì)錨桿（索）施加預(yù)緊力，有效地控制圍巖裂隙進(jìn)一步發(fā)育,并在圍巖淺部形成具有較高承載能力的承載結(jié)構(gòu)。為充分發(fā)揮錨桿的實(shí)際工作特性與巖層的自承特性，根據(jù)該礦的地質(zhì)開采條件,采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)支護(hù),完全可以控制圍巖的變形,保證工作面正常安全開采。

5 結(jié)論

在近距離煤層群高應(yīng)力的圍巖巷道中，采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)支護(hù)能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)阻力和圍巖的自承能力，對(duì)控制巷道圍巖變形有顯著效果。

在安裝錨桿（索）時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)錨桿（索）的預(yù)緊力，在圍巖變形初期就能主動(dòng)支護(hù)，迅速承載，有效抑制圍巖裂隙進(jìn)一步發(fā)育，控制圍巖變形。

[1]任建偉.高應(yīng)力作用下煤巷支護(hù)技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2008.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]陸士良，湯雷，楊新安.錨桿錨固力與錨固技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1998.

[4]陳慶敏、郭頌、張農(nóng).煤巷錨桿支護(hù)新理論與設(shè)計(jì)方法[J]，礦山壓力與頂板管理.2002.

Abstract:When mining at near-neighbored coal seams,roadways of lower seams are often influenced by the protection pillars of upper seams,accompanied by some phenomena like roof-floor deformation and floor heave,etc.The safety production is impaired.The paper proposes using high-strength bold supporting system to solve the deformation,which actually ensures the roadway stability under the high stress.

Keywords:closed-distance coal seam group;coal pillar,high-stressed

編輯：劉新光

Supporting Technology of Coal Roadway under Closed-distance and High-stressed Condition

QI Jing-cheng
（1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China;2.Shaping Mine,Shanxi Jinshen Energy Co.,Hequ Shanxi 036500,China）

TD353

A

1672-5050（2010）06-0055-03

2010-03-25

祁景成（1962—），男，寧夏石嘴山人，大專，工程師，從事煤礦生產(chǎn)管理工作。