超千米強沖擊厚煤層深井支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

侯志凱　陳湘寧　孫帥　馬軍杰

摘 要：新河煤礦730采區(qū)采深已超過-1000m，局部采深已突破-1100m，主采3煤厚9.68～10.3m，平均厚度10.07m，依據(jù)2015年3月《新河礦業(yè)有限公司-980m水平3煤及其頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定報告》，新河煤礦-980m水平3煤屬于強沖擊傾向性的煤層。為解決千米深井強沖擊厚煤層支護(hù)難題，利用安裝載荷數(shù)值模擬及井下支護(hù)實踐結(jié)合，采用耦合讓均壓錨桿+耦合讓壓錨索+金屬網(wǎng)+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，解決了千米深井強沖擊厚煤層支護(hù)難題。

關(guān)鍵詞：千米深井;強沖擊;厚煤層;耦合讓均壓支護(hù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.035

1 礦井概況及采礦地質(zhì)條件概述

新河煤礦位于山東省濟(jì)寧市嘉祥縣東南部。北臨淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)，是山東能源淄礦集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井之一。礦井采用立井多水平開拓方式，設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a，第一水平-400m，第二水平-980m。目前，礦井主要開采第二水平的3層煤，井田內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，斷層多，地壓大，煤層有強沖擊傾向性。

2 730采區(qū)面臨的支護(hù)難題及存在問題

2.1 730采區(qū)面臨的支護(hù)難題及存在問題

目前，730采區(qū)巷道埋深已達(dá)到-1000m水平，局部已掘巷道埋深達(dá)到-1150m，通過下井勘察和調(diào)研發(fā)現(xiàn)存在以下難題：

（1）巷道埋深大（-1200m左右），地應(yīng)力高，從礦井延深的三條開拓大巷勘察發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖條件差，造成巷道底鼓嚴(yán)重，兩幫位移，噴體開裂，巷道多次擴修，工程量增加。

（2）煤層厚度大，煤3平均厚度10m，煤層硬度不均，節(jié)理裂隙發(fā)育，施工中兩幫較破碎，巷道片幫嚴(yán)重。

（3）礦井構(gòu)造復(fù)雜，斷層多，煤炮多，煤層有強沖擊傾向性。

（4）頂板壓力大，有時存在斷錨桿、錨索或者錨索拉穿鋼帶現(xiàn)象。

2.2 730采區(qū)支護(hù)方案設(shè)計要重點考慮的問題

針對以上難題，本次730采區(qū)支護(hù)方案設(shè)計要重點考慮以下幾個方面問題：

（1）巷道埋深大（1200m左右），地應(yīng)力高，必須提高巷道支護(hù)強度：工作面按受一次動壓的影響考慮。

（2）煤層裂隙較發(fā)育，煤層破碎，表面支護(hù)是關(guān)鍵，護(hù)表強度需要加強。

（3）煤層具有強沖擊傾向性，必須考慮支護(hù)系統(tǒng)的釋能、吸能特性，提高支護(hù)系統(tǒng)的抗沖擊性能。

（4）從現(xiàn)場勘查和理論計算可以看出，巷道支護(hù)強度需要增加。

2.3 深井支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵點

（1）支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強度：由于煤層巷道和支護(hù)系統(tǒng)將經(jīng)歷高地壓和超前支承壓力的影響（煤層還有強沖擊傾向性），從巷道采用釋能、吸能整體耦合讓均壓支護(hù)理念及采用高強、高沖擊功的高強螺紋鋼材料著手，提高材料的抗沖擊功。因此要求巷道的支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的支護(hù)強度來適應(yīng)巷道的地質(zhì)與采礦條件。

（2）支護(hù)系統(tǒng)的安裝載荷（預(yù)緊力）：預(yù)緊力是錨桿實現(xiàn)主動支護(hù)的源泉，這是巷道支護(hù)成功最關(guān)鍵的因素之一，支護(hù)系統(tǒng)在安裝時，必須有一定的安裝載荷以防止圍巖的早期變形破壞。否則將會造成巷道圍巖產(chǎn)生大面積失控變形，支護(hù)系統(tǒng)失效，巷道變形嚴(yán)重。而預(yù)緊力必須是實際作用在錨桿上的安裝應(yīng)力，必須科學(xué)合理設(shè)計錨桿的安裝載荷。

（3）支護(hù)系統(tǒng)的可變形性及讓壓性：通過井下觀測，深井工作面順槽受動壓影響，會發(fā)生明顯變形。深井巷道圍巖變形包括兩部分，一部分是不可控制的變形，支護(hù)系統(tǒng)必須具有讓壓變形功能以讓掉“不可控制”的變形，然而這種讓壓必須是控制讓壓，如果不可控讓壓，支護(hù)系統(tǒng)將會失效。也就是說，支護(hù)系統(tǒng)在一定的支護(hù)強度下緩慢讓壓，而不是自由讓壓后支護(hù)系統(tǒng)才起作用。所設(shè)計的支護(hù)系統(tǒng)要適應(yīng)工作面順槽的動壓和大變形的特點，保證支護(hù)系統(tǒng)的有效性。

（4）抗沖擊性：由于3層煤及頂?shù)装寰哂袥_擊傾向性，所以要求錨桿系統(tǒng)要有一定的抗沖擊能力，通過錨桿的釋能裝置和提高錨桿桿體原材料沖擊功來適應(yīng)沖擊地壓的特點。

（5）錨固力：由于煤體的節(jié)理裂隙發(fā)育，煤體的強度低，可錨性較差。必須改進(jìn)錨桿、錨索的結(jié)構(gòu)，在保證不影響現(xiàn)場施工的前提下保證錨固力滿足設(shè)計要求。

（6）表面控制措施：由于礦井埋深大，地應(yīng)力高，煤體松軟，再加上煤體本身的垂直節(jié)理和裂隙就比較發(fā)育，工作面順槽掘進(jìn)時很容易出現(xiàn)片幫。為此必須及時支護(hù)順槽兩幫并提高順槽表面的支護(hù)強度。合理的表面控制措施要求護(hù)表構(gòu)件不僅要有合理的剛度和護(hù)表面積，而且要求其抗彎性能要好。

3 新河煤礦支護(hù)工況設(shè)計

在新河煤礦730采區(qū)順槽地質(zhì)、開采條件下，應(yīng)根據(jù)受采動影響的次數(shù)，確定順槽所受的支撐壓力系數(shù)，計算深度應(yīng)該等于埋藏深度乘以支撐壓力系數(shù)。由于新河煤礦3煤煤厚為10m，順槽掘進(jìn)為托頂煤施工，因此，按托頂煤進(jìn)行設(shè)計。

3.1 730采區(qū)順槽托頂煤掘進(jìn)、回采期間讓壓工況點

在730采區(qū)順槽掘巷期間，主要受深井地應(yīng)力和煤層賦存條件的影響，支護(hù)的耦合工況點往往變化不大。因此，深井高地應(yīng)力考慮方式是在上述公式中把垂直應(yīng)力增加1.0倍。根據(jù)這個原則，在采深接近-1200m時，巷道寬度4500mm情況下，支護(hù)耦合設(shè)計曲線如圖1。

圖1可以看出，掘進(jìn)期間“三維支護(hù)工況點”為：

支護(hù)強度（錨桿）：1380KN/m;圍巖表面位移（耦合距離）：40mm;松散范圍：1800mm。

730采區(qū)順槽不僅受高地應(yīng)力和煤層賦存條件的影響，還受本工作面超前支承壓力影響，二次影響時，支撐壓力系數(shù)取1.5，根據(jù)這個原則，在采深1200m，巷道寬度4500mm情況下，支護(hù)耦合設(shè)計曲線如圖2。

圖2可以看出，回采期間“三維支護(hù)工況點”為：

支護(hù)強度（錨桿+錨索）：2100KN/m;圍巖表面位移：60mm;松散范圍：1800mm。

4 730采區(qū)支護(hù)方案設(shè)計

4.1 730采區(qū)順槽托頂煤期間支護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)730采區(qū)工作面順槽地質(zhì)采礦條件及托頂煤理論工況點，支護(hù)方案選用如下參數(shù)：

（1）頂、幫錨桿參數(shù)：

錨桿類型：釋能高吸收功應(yīng)力顯示錨桿;間排距：1000×1200mm;桿體直徑：22mm;錨桿的長度：2600mm;桿體材料：HY500高吸能桿體;桿體材料指標(biāo)：屈服強度>19t，抗拉強度>26t，延伸率>20%;安裝載荷：4-6t，施工安裝扭矩不小于300N·m;托盤：150×150×10mm高強球型托盤，承載力大于33噸;表面支護(hù)：焊接網(wǎng)+W鋼帶;W鋼帶：材質(zhì)Q345b，規(guī)格280×2.75×4300mm，五孔，孔間距為1000mm;釋能讓壓裝置：釋能讓壓點15-17t，載荷顯示4-6t。

頂板錨桿總支護(hù)強度：總屈服支護(hù)強度：79t/m;最大支護(hù)強度：108t/m。

（2）頂板錨索：

錨索類型：釋能防沖錨索;錨索直徑：21.8mm;破斷強度57t;錨索長度：正常段錨索長度8200mm;錨索安裝載荷：≥15t;釋能裝置：釋能點26-30t;高強JM托盤：200×200×12mm，與JM錨索梁配套使用;JM錨索梁：3000×330×5mm;錨索布置：工作面順槽（寬4.5m）錨索按三三三布置。排拒1200mm。

頂板錨索支護(hù)強度：

掘進(jìn)期間支護(hù)強度：142.5t/m;回采期間支護(hù)強度：142.5t/m;幫部錨索參數(shù)：無。

頂板實際總支護(hù)強度：

掘進(jìn)期間：221.5t/m，安全系數(shù)為1.6（錨桿按照屈服強度）;回采期間：221.5t/m，安全系數(shù)為1.05（錨桿按照屈服強度）。

5 結(jié)束語

本支護(hù)方案已在新河煤礦730采區(qū)多條巷道使用，有效解決了斷錨桿、斷錨索現(xiàn)象，使用的錨桿、錨索及讓壓裝置均為高沖擊功材質(zhì)材料，讓壓裝置有效緩解了巷道變形造成的支護(hù)體系破壞情況的發(fā)生。