卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)在巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用

滿樂(lè)祝，劉振學(xué)，張巨峰，谷家濤

（靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司魏家地煤礦， 甘肅白銀市 730913）

卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)在巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用

滿樂(lè)祝，劉振學(xué)，張巨峰，谷家濤

（靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司魏家地煤礦， 甘肅白銀市 730913）

為了改進(jìn)構(gòu)造影響帶內(nèi)原始突出特厚煤層、大傾角、大斷面松散煤體巷道掘進(jìn)和支護(hù)難題，結(jié)合魏家地煤礦的地質(zhì)條件和原有的支護(hù)技術(shù)，對(duì)卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目的。

卸壓增阻；弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；掘進(jìn)；支護(hù)

魏家地煤礦是靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的骨干生產(chǎn)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t／a，服務(wù)年限105a，屬煤與瓦斯突出礦井，“三軟”煤層，煤塵具有爆炸性，煤層易燃氧化。礦井存在瓦斯、火災(zāi)、煤塵、水、頂板等重大危害，是國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控的礦井之一。

隨著開(kāi)采深度和廣度的加大，構(gòu)造影響帶內(nèi)原始煤層巷道掘進(jìn)與支護(hù)改革勢(shì)在必行。特別是大斷面、大傾角特厚松散煤體中掘進(jìn)，是礦井目前生產(chǎn)技術(shù)管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)松軟煤層的支護(hù)進(jìn)行過(guò)大量的研究［1－3］。但是，卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的研究卻很少，為此，在魏家地煤礦原有小斷面再擴(kuò)成大斷面掘進(jìn)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山具體的地質(zhì)條件，對(duì)構(gòu)造影響帶內(nèi)原始突出煤層、大斷面巷道進(jìn)行增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)開(kāi)展了應(yīng)用研究，對(duì)三軟煤層巷道掘進(jìn)和支護(hù)革新具有重大的意義。

1 三軟煤層巷道支護(hù)原理與卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

巷道在掘進(jìn)及回采期間的支護(hù)主要受巷道圍巖的強(qiáng)度、支護(hù)方式、圍巖的穩(wěn)定性等影響。一般來(lái)說(shuō)，三軟煤層巷道圍巖破壞的主要特點(diǎn)是：初期變形速率大，時(shí)間效應(yīng)明顯，對(duì)環(huán)境變化和應(yīng)力擾動(dòng)非常敏感，因此，巷道支護(hù)時(shí)軟巖不可避免地進(jìn)入塑性狀態(tài)，軟巖達(dá)到了最大塑性承載能力，此時(shí)的支護(hù)效果最好，同時(shí)最大塑性能（如膨脹變形能）能夠以某種形式釋放出來(lái)，釋放其變形能，即巷道支護(hù)的“讓壓”原理［4］。軟巖巷道的破壞過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的力學(xué)過(guò)程，往往開(kāi)始于一個(gè)或幾個(gè)部位的變形、損傷，進(jìn)而使整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)。這些首先破壞的部位，稱為關(guān)鍵部位。導(dǎo)致關(guān)鍵部位產(chǎn)生的主要原因是支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性不耦合，致使圍巖應(yīng)力集中處和圍巖體強(qiáng)度薄弱的地方通常出現(xiàn)這種狀況，關(guān)鍵部位的及時(shí)支護(hù)是解決問(wèn)題的主要方法［5－6］。

卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)是指在巷道掘進(jìn)前，以卸壓增阻為目的實(shí)施鉆孔卸壓和煤層注水，以提高自身粘結(jié)力和煤體內(nèi)摩擦阻力來(lái)改善煤體自身?xiàng)l件，以控制巷道圍巖中關(guān)鍵點(diǎn)為核心，以支護(hù)好弱結(jié)構(gòu)面為目的，利用錨桿與桁架錨索控制兩幫和頂板的新型支護(hù)技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巷道弱結(jié)構(gòu)面的均勻化和支護(hù)的體系化，以達(dá)到預(yù)期支護(hù)效果。其中弱結(jié)構(gòu)面是指巷道掘出后由節(jié)理、層理、裂隙切割成的眾多面積相當(dāng)?shù)幕窘Y(jié)構(gòu)面。

2 卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 煤層地質(zhì)構(gòu)造情況

1114工作面煤層基本為單斜煤層，該區(qū)域煤層受到F1－2斷層組及其派生構(gòu)造的擠壓、推覆與疊加，煤層構(gòu)造破壞很嚴(yán)重，多成粉沫狀、鱗片狀，屬典型的構(gòu)造煤，同時(shí)又為煤與瓦斯突出煤層。煤層頂?shù)装逖刈呦?、傾向起伏較大，個(gè)別地段煤層底板有突然隆起現(xiàn)象，但煤層底板基本呈西高東低之勢(shì)。煤層傾角為15°～35°，沿走向向西煤層傾角逐漸增大。

工作面南部和東段350m布置在F1－2斷層組構(gòu)造影響帶內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。該區(qū)域煤層頂?shù)装迤鸱兓?，局部地段底板有突然隆起、下扎現(xiàn)象，煤層松軟，對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大。

煤層由于受F1－2斷層組的影響，小斷層（切層斷層和順煤層斷層）、小褶皺特別發(fā)育，煤層厚度變化較大。煤層總厚度6～26.5m；有益厚度8～22 m；可采厚度6～18m，平均厚度12m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸3～7層，厚度0.3～2.5m，沿走向向東夾矸層數(shù)逐漸增多、厚度逐漸增厚。

1114切眼巷道斷面為圓角矩形。掘進(jìn)斷面S＝22.26m2，凈斷面S＝20.96m2，掘?qū)?.7m，凈寬7.5m，掘高2.9m，凈高2.8m。

2.2 卸壓增阻參數(shù)設(shè)計(jì)

卸壓增阻是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)過(guò)程中的煤層情況，提前釋放煤體中的CH4及構(gòu)造應(yīng)力，以增加巷道斷面內(nèi)及頂部煤體自身粘結(jié)性和承載強(qiáng)度為目的，按照超前鉆孔的釋放半徑和卸壓范圍科學(xué)地設(shè)計(jì)釋放鉆孔，根據(jù)注水滲透半徑和溫潤(rùn)煤體的時(shí)間間隔，合理設(shè)計(jì)注水鉆孔的參數(shù)，且循環(huán)有序，以達(dá)到預(yù)期效果。卸壓增阻鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示。

圖1 卸壓增阻鉆孔布置

卸壓釋放孔直徑為95mm、深度8.0m，方位同巷道走向、傾角為＋10°～＋15°，在巷道斷面內(nèi)均勻布置，每班錯(cuò)位交替施工，以達(dá)到全斷面均勻釋放的效果。注水增阻鉆孔直徑為45mm、深度8.0m，沿巷道走向以孔口3.0m外到達(dá)巷道頂部為基準(zhǔn)，在斷面內(nèi)左、中、右交替按上下兩排布置，兩排鉆孔距頂板以下分別為1.0m和1.5m、傾角為15°和19°。注水封孔器深入孔口1.0～1.5m，以滿足有效封孔和循環(huán)進(jìn)度后可拆下重復(fù)使用的要求。采用FKQ－2×0.5專用注水封孔器，靜水壓＞2MPa，封孔器長(zhǎng)度0.5m，并安裝專用高壓水表對(duì)注水壓力及流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀測(cè)，及時(shí)調(diào)整注水參數(shù)。

2.3 弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)雙支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，按照巷道變形控制效果好、安全可靠和易于施工的原則，確定巷道支護(hù)方式，如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)

巷道斷面為圓角矩形，凈寬7.5m，凈高3.0 m。頂部采用Φ17.8mm×4300mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距700mm×800mm；配套200 mm×200mm×80mm木托板、10mm×150mm×150mm碟形托板、半球墊、專用鎖具，采用K2360、Z2360樹(shù)脂錨固劑各1支加長(zhǎng)錨固。幫部采用Φ20×2000mm等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距700mm×800mm；配套200mm×200mm×60 mm木托板、10mm×150mm×150mm碟形托板、半球墊、減摩墊、M22×25加厚螺母，采用Z2360樹(shù)脂錨固劑2支加長(zhǎng)錨固。桁架錨索采用Φ17.8×9000mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，配套200 mm×200mm×80mm木托板、U25×1800mm型鋼、專用鎖具，采用K2360、Z2360樹(shù)脂錨固劑1支和2支加長(zhǎng)錨固。鋪設(shè)850mm×9000mm的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔30mm×30mm，且網(wǎng)后加鋪纖維布。

2.4 大傾角煤壁控制參數(shù)設(shè)計(jì)

若遇到掘進(jìn)工作面傾角大，煤層松軟破碎，難以控制煤幫垮幫時(shí)，采用在工作面端面巷道頂部以下0.5m和腰線范圍內(nèi)，沿走向打一排孔口間距1.0～1.5m、孔深9m左右的注漿錨索孔，打注Φ17.8×9000mm的錨索，控制煤幫片幫冒頂。隨著掘進(jìn)的推進(jìn)逐段推移張拉錨索，使托板始終緊貼煤壁，控制煤幫。循環(huán)交替施工錨索，防止煤壁超前垮幫，如圖3所示。

圖3 控制煤幫的錨索示意

2.5 圍巖變形及支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)

組織監(jiān)測(cè)人員在1114工作面切眼開(kāi)口向上10 m處安裝一臺(tái)頂板離層儀，記錄頂板變形數(shù)據(jù)，定期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。每50m設(shè)一個(gè)觀測(cè)站，觀察記錄兩幫巷道收斂變形及頂部下沉量。并注明觀測(cè)位置（即距導(dǎo)線點(diǎn)距離），每天由施工隊(duì)技術(shù)人員進(jìn)行觀測(cè)記錄，并對(duì)觀測(cè)資料整理，進(jìn)行巷道變形、支護(hù)強(qiáng)度分析，根據(jù)情況調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

（1）錨桿錨索錨固質(zhì)量拉拔檢查及儀器。采用LC—280型拉拔測(cè)力器每100根以下隨機(jī)抽樣3根錨桿拉拔拉載。頂板錨桿加載到70kN，幫部錨桿加載到40kN，其中若有一根不合要求，再抽樣5根試驗(yàn)。

（2）錨桿錨索承載速度檢查及儀器。采用LC—280型拉拔測(cè)力器進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，檢查錨桿承載度。要求10min內(nèi)應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值的60%以上。

（3）錨桿、錨索預(yù)緊力檢查及儀器。在巷道掘進(jìn)中，安排專人以不少于30%的比例和不大于1d的時(shí)間間隔，采用力矩示值扳手對(duì)錨桿、錨索預(yù)緊力進(jìn)行抽檢。

（4）錨桿錨索錨固質(zhì)量巡檢。每隔5d對(duì)巷道錨桿進(jìn)行巡檢，對(duì)頂板、兩幫失效的錨桿及時(shí)補(bǔ)打，對(duì)托板松動(dòng)的及時(shí)緊固，對(duì)局部片幫或小范圍的漏頂及時(shí)背緊。檢查頂板、兩幫失效的錨桿，托板是否松動(dòng)，錨桿間排距是否過(guò)大，桿體外露長(zhǎng)度和安裝角度是否合乎設(shè)計(jì)要求，統(tǒng)計(jì)錨桿安裝質(zhì)量的合格率和優(yōu)良率。

3 結(jié) 論

（1）卸壓增阻弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，一方面為區(qū)域解突抽采掘接替和順利安裝支架創(chuàng)造了條件；另一方面為一次成巷加強(qiáng)了頂板控制，降低了巷道支護(hù)和維護(hù)成本。

（2）卸壓增阻技術(shù)是針對(duì)煤層CH4賦存不穩(wěn)定、CH4含量高、煤層透氣性差和煤層構(gòu)造應(yīng)力分布復(fù)雜的巷道提出的。通過(guò)密集多循環(huán)的釋放鉆孔和連續(xù)注水措施，達(dá)到了釋放煤體CH4和降低構(gòu)造應(yīng)力的目的，提高了煤體自身粘結(jié)力和煤體內(nèi)摩擦阻力，改善了施工條件，為支護(hù)提供了可靠地質(zhì)保障。

（3）弱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)雙支護(hù)技術(shù)是針對(duì)煤體松散，層理、節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，巷道表面支護(hù)體容易受到破壞的特點(diǎn)提出來(lái)的，通過(guò)短錨索支頂、高強(qiáng)錨桿支幫形成相對(duì)較深的組合梁加固層，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的支護(hù)效果。頂部基本支護(hù)采用短錨索較錨桿增加了組合梁1.5m以上的加固層厚度，增加了強(qiáng)度，長(zhǎng)錨索錨固點(diǎn)的均勻分布，使巷道整體在深度上起到懸吊支護(hù)的效果，桁架錨索的應(yīng)用提高了加固層表面弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使支護(hù)實(shí)現(xiàn)體系化。

（4）在現(xiàn)場(chǎng)施工中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)在巷道暴露的最短時(shí)間內(nèi)使煤體得到及時(shí)加固支護(hù)，支護(hù)的滯后會(huì)導(dǎo)致松動(dòng)層的加深和擴(kuò)大，造成支護(hù)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

（5）頂部錨索錨固深度、錨桿的布置，以及錨索的補(bǔ)強(qiáng)前后時(shí)間差有待于進(jìn)一步研究。

［1］郭中華，白少華，趙 輝.三軟煤層巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)［J］.中州煤炭，2011，185（5）：60－62.

［2］孫立亞，盧 敏.軟煤層綜放面收尾工程錨網(wǎng)與錨索支護(hù)實(shí)踐［J］.煤炭工程，2011（5）：25－27.

［3］任玉朋.三軟煤層綜采大斷面切眼錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)［J］.中州煤炭，2011，185（8）：69－74.

［4］康紅普.軟巖巷道底臌的機(jī)理及防治［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

［5］陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［6］何滿潮.軟巖工程的理論與實(shí)踐［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.

2011－11－24）

滿樂(lè)祝（1962－），男，甘肅蘭州人，工程師，從事煤炭開(kāi)采技術(shù)和管理工作，Email：jufeng6100229＠126.com。