孫柏成

摘要：根據(jù)田陳煤礦北一采區(qū)111運(yùn)輸巷的采掘條件判斷巷道屬于不穩(wěn)定采空區(qū)域的掘進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生一定的支護(hù)困難。分析巷道可能產(chǎn)生的大變形的原因?yàn)椴煽諈^(qū)的動(dòng)載沖擊、層間巖柱厚度對(duì)錨固性能的影響和回采超前支承應(yīng)力的影響。對(duì)應(yīng)提出了應(yīng)采取以地質(zhì)力學(xué)測(cè)試為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法和高預(yù)應(yīng)力一次支護(hù)理念，并對(duì)支護(hù)材料進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全和高效的掘進(jìn)。

Abstract： According to the mining conditions of transportation lane 111 in North 1st Gob of Tianchen Coal Mine， it is judged that the tunnelling of unstabilized gob will have support problems. It is analyzed that the causes of the large deformation of roadway are the gob dynamic load impact， the influence of the interlayer thickness of rock pillars on anchorage performance and the influence on recovery lead bearing stress. The ideas of using the dynamic information design method of taking geological mechanics test as the basis and high prestressed supporting are put forward to optimize the supporting materials， realize the economic， safe and efficient driving.

關(guān)鍵詞：近距離煤層；未穩(wěn)定采空區(qū)；大變形；動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法；高預(yù)應(yīng)力支護(hù)

Key words： close distance coal seams；unstabilized gob；large deformation；dynamic information design method；high prestressed bolting

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）07-0150-02

0 引言

由于采掘銜接和煤層間距的影響，不同程度的存在巷道支護(hù)的難題。動(dòng)壓巷道的支護(hù)也是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是采掘動(dòng)壓下，應(yīng)力場(chǎng)的持續(xù)變化使得難易準(zhǔn)確確定應(yīng)力變化的幅度，造成支護(hù)系統(tǒng)的適應(yīng)性難以把握。近距離煤層的動(dòng)壓巷道分為兩種，一種是鄰近煤層回采完畢，已穩(wěn)定，下一煤層開采下的動(dòng)壓?jiǎn)栴}，比如沿空掘巷、留巷復(fù)用巷道等，其本質(zhì)還是同一煤層的動(dòng)壓?jiǎn)栴}，關(guān)鍵點(diǎn)是上一層煤的留設(shè)煤柱的大小及與巷道的空間關(guān)系；另一種是上下兩層煤在較短時(shí)間內(nèi)同采，本煤層的掘進(jìn)巷道受鄰近煤層采掘活動(dòng)的影響，關(guān)鍵點(diǎn)是采空區(qū)的穩(wěn)定程度及其與受影響巷道的時(shí)空關(guān)系。

田陳煤礦北一111運(yùn)輸巷即屬于第二種情況，巷道布置在剛剛回采結(jié)束的上層煤采空區(qū)下，煤層間距不穩(wěn)定，整體較小。因此，巷道掘進(jìn)受上覆采空區(qū)的影響較大，巷道掘進(jìn)的應(yīng)力環(huán)境不斷變化，甚至在層間距較薄的區(qū)域可能出現(xiàn)不能自穩(wěn)的現(xiàn)象?；诖?，需對(duì)北一111運(yùn)輸巷的采掘條件進(jìn)行細(xì)致分析，預(yù)估巷道可能出現(xiàn)的大變形及產(chǎn)生機(jī)理，并采取超前預(yù)案對(duì)巷道的支護(hù)進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)巷道的安全高效掘進(jìn)和安全回采使用，為類似條件下的巷道支護(hù)工作提供借鑒。

1 概述

田陳煤礦北一111運(yùn)輸巷由于銜接緊張，只能在上覆3上101工作面剛剛回采結(jié)束時(shí)即進(jìn)行掘進(jìn)，采掘空間關(guān)系。3上煤層101和103工作面均已回采完畢，留設(shè)有4m小煤柱，煤柱距離北一111運(yùn)輸巷的水平距離為20m。遺留煤柱可能會(huì)對(duì)111運(yùn)輸巷造成一定的影響，但影響不大。兩層煤之間的巖柱厚度不均，厚度范圍為3～8m。煤層頂板：偽頂0～0.5m泥巖，直接頂為1.5～11m砂泥巖互層，老頂為45～12m細(xì)砂巖。

2 分析

通過以上巷道的概況分析，判定北一111運(yùn)輸巷屬于可能會(huì)支護(hù)困難的巷道，原因及機(jī)理分析如下：

①不穩(wěn)定采空區(qū)的動(dòng)壓影響，頂板砂巖及以上巖層的破斷和垮落會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊波。另外，巷道掘進(jìn)煤層及頂板在上層煤的回采影響下會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，掘進(jìn)擾動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊動(dòng)載荷。沖擊波會(huì)產(chǎn)生附加的動(dòng)載，會(huì)造成圍巖中應(yīng)力突變，破壞加劇；更會(huì)對(duì)已形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成沖擊，支護(hù)體積構(gòu)件易破壞失效。

②若層間距較薄，巷道頂板受上層煤回采影響遭到一定破壞，錨桿、錨索的錨固性能受影響，作用會(huì)打折扣。錨桿和錨索的錨固性能是支護(hù)的根基，特別是有老空水存在的情況下。要密切觀測(cè)巖柱的厚度及鉆孔的鉆進(jìn)響應(yīng)，及時(shí)調(diào)整錨桿錨索的長(zhǎng)度和錨固參數(shù)，保證錨固力，保障支護(hù)的可靠性。

③因?yàn)樯蠈用旱牟煽?，下層煤回采造成的擾動(dòng)空間更大，回采階段超前支承壓力的影響會(huì)更大，巷道在超前影響及工作面端頭附近的壓力顯現(xiàn)會(huì)更大。上層煤回采后，下層煤巷道上部沒有較大范圍的自穩(wěn)巖層結(jié)構(gòu)，當(dāng)回采超前支承壓力開始影響時(shí)，兩層煤之間的巖柱會(huì)承受較大的壓力，巷道變形會(huì)劇烈增加。要求支護(hù)的穩(wěn)定性更高，要考慮回采時(shí)巷道變形的可控。

3 對(duì)策

針對(duì)以上巷道地質(zhì)及采掘條件的概述，應(yīng)切實(shí)重視北一111運(yùn)輸巷的支護(hù)問題，要改變傳統(tǒng)觀念，積極采用國內(nèi)先進(jìn)的、成熟的設(shè)計(jì)理念和方法進(jìn)行支護(hù)改革。在保證巷道安全高效掘進(jìn)的同時(shí)，降低巷道綜合維護(hù)成本，為礦井的降本增效樹立典型。我們擬采取的方法及對(duì)策如下：

3.1 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試

進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，獲取地應(yīng)力大小及方向、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)參數(shù)，為支護(hù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工及巷道變形破壞原因分析時(shí)應(yīng)綜合考慮區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、煤巖體強(qiáng)度和煤巖體結(jié)構(gòu)等綜合因素。地質(zhì)力學(xué)測(cè)試是進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的前期工作和必要手段，地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是保證設(shè)計(jì)和施工科學(xué)和安全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。田陳煤礦井下構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域差異性較大，煤層埋藏深度在-110～-1060m，建議在今后生產(chǎn)過程中針對(duì)開采水平以及地質(zhì)條件的變化，不斷進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)試工作，以期更詳細(xì)和準(zhǔn)確地掌握井下地質(zhì)力學(xué)狀況。

3.2 動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法

現(xiàn)有的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法很多，如基于以往經(jīng)驗(yàn)和圍巖分類的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，基于某種假說和解析計(jì)算的理論設(shè)計(jì)法，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計(jì)法。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，單獨(dú)采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn)，因而達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)效果。只有采用包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。

動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法最重要的一環(huán)是進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析并反饋，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整的依據(jù)。因此，要切實(shí)加強(qiáng)巷道礦壓的監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行分析反饋，以便隨時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

3.3 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)

高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論近年來得到了普遍的認(rèn)可，已成功解決了諸如強(qiáng)烈動(dòng)壓、沿空留巷、千米深井、軟巖等全國性支護(hù)難題，其要點(diǎn)包括：

①巷道圍巖變形主要包括兩部分：一是結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，屬于不連續(xù)變形；二是圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形，屬于連續(xù)變形。合理的巷道支護(hù)形式是，大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效控制圍巖不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應(yīng)力得以釋放。

②預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，使圍巖成為承載的主體。

③錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。根據(jù)巷道條件確定合理的預(yù)應(yīng)力，并使預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍是很有限的，必須通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。

④預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度，即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度。

⑤錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖石的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等連續(xù)變形控制作用不明顯，要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，使圍巖的連續(xù)變形得以釋放。

⑥對(duì)于復(fù)雜困難巷道，應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)，應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。

3.4 支護(hù)材料的優(yōu)化和優(yōu)選

前面提到，預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)的核心，好的支護(hù)構(gòu)件可以起到事半功倍的效果，因此根據(jù)礦井實(shí)際情況進(jìn)行支護(hù)材料的優(yōu)化和優(yōu)選是降本增效的關(guān)鍵。

田陳煤礦計(jì)劃在北一111運(yùn)輸巷進(jìn)行支護(hù)材料的改革試驗(yàn)，借鑒先進(jìn)理念，優(yōu)化調(diào)整部分支護(hù)材料，最大程度的降低支護(hù)密度。擬進(jìn)行調(diào)整的支護(hù)材料包括：①錨桿及錨桿托板。錨桿不一定是強(qiáng)度越高越好，關(guān)鍵是強(qiáng)度的利用率，要選取適合的桿體。頂板采用？準(zhǔn)18×2000左旋高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，配k2535型樹脂錨固劑2支，錨桿托板采用鐵托盤為正方形，變更為可調(diào)心高強(qiáng)拱形托板，規(guī)格為150×150×10mm，用10mm鋼板壓制成弧形，改善桿體受力，易于施加高預(yù)應(yīng)力，減少錨桿的受剪破斷。②錨索及托板。錨索材料在不增加直徑的情況下，可以改變鋼絞線結(jié)構(gòu)，既增大了極限載荷，又增大了延伸率。托板選用可調(diào)心托板，改善受力，易于施加預(yù)應(yīng)力。錨索采用Φ17.8mm鋼絞線，長(zhǎng)度以錨入基巖不小于1.5m為準(zhǔn)，錨索所用托盤為Q235A鋼板加工制作的“M”型專用托盤。③調(diào)整錨桿護(hù)表構(gòu)件。傳統(tǒng)的鋼筋托梁在條件相對(duì)簡(jiǎn)單時(shí)，使用方便，成本較低，當(dāng)條件復(fù)雜時(shí)，易開裂、拉斷至失效。W鋼帶的厚度較小時(shí)，易發(fā)生受剪撕裂和受拉的脆性斷裂，且不能很好適應(yīng)巷道成形?？梢栽?11運(yùn)輸巷試驗(yàn)新型W鋼護(hù)板，既擴(kuò)大錨桿作用范圍，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，又不易撕裂破壞，應(yīng)用后巷道成形好。

最終在高預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系下，保持低支護(hù)密度和高可靠性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全的支護(hù)。

4 結(jié)論

①近距離煤層的開采一直是國內(nèi)外行業(yè)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，田陳煤礦3上及3下煤同采，采掘相互擾動(dòng)，常有巷道維護(hù)的難題。

②北一111運(yùn)輸巷在不穩(wěn)定的3上采空區(qū)下掘進(jìn)，有不確定的因素會(huì)導(dǎo)致大變形，如采空區(qū)巖層斷裂及掘進(jìn)層位應(yīng)力集中掘進(jìn)擾動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載沖擊波、巷道頂板受上層煤回采影響破壞和本工作面回采時(shí)的巷道變形控制等。

③借鑒國內(nèi)行業(yè)先進(jìn)成功經(jīng)驗(yàn)，擬在運(yùn)輸巷進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，采用動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法和高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理念進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)，在保證安全事故為零的前提下，加快了掘進(jìn)進(jìn)度日增加掘進(jìn)進(jìn)尺1.1m，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)和高效快速掘進(jìn)最大化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振雷，田素川，徐建文，彭遠(yuǎn)川.錨桿錨固機(jī)理及深部復(fù)雜困難條件的巷道支護(hù)[J].山東煤炭科技，2010.

[2]張丕林.關(guān)于煤柱錨桿巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的研究[J].科技資訊， 2012.

[3]張仰龍.新陽礦煤柱錨桿巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2012.