深部構造煤巷讓壓支護技術研究

1深灰-灰質泥巖地層上海大冶能源有限公司姚橋煤礦位于蘇魯交界處的微山湖西岸。7#可采層厚度為1.71.9.86m，平均厚度為4.86m。煤層的直接端部通常由灰色和深灰色粘土巖組成，通常由3.4米厚。頂部頂部為灰灰色和細粒砂巖，厚度通常為7.15m，最大為28m。煤層底部為深灰色和灰色粘土，厚度通常為2.6m。此外，由于隧道底部和挖掘線的大型道路不僅具有一般道路圍巖難以保護的特點，而且道路沿線的大型道路側壁為窄采柱，在采礦和動流之間的影響下變形較大。為解決支護難題和加快施工進度,確保安全生產,經過多年來反復的研究和實踐,圍繞煤層結構應力和頂板壓力等方面開展試驗工作,積極推行錨網(索)支護技術,取得了良好的支護效果。2工作面形制7537綜放工作面位于東七上山采區下部,南為東七帶式輸送機上山,東為7535工作面采空區,西為7539工作面(未開采),工作面對應地面標高+32.68m,工作面標高為-560~-624m,該面機巷走向長度1135m,材料巷走向長度1298.5m,工作面設計切眼長度165m,兩巷沿7#煤層底板掘進,材料巷沿空掘進,上幫為7535工作面采空區,設計護巷煤柱寬度4.5m,材料巷埋深600~634m,設計凈寬4.0m,凈高2.6m,煤層厚度3.2~6.0m,平均5.0m,煤層傾角在3~15°,平均傾角9°,煤層f<0.8,直接頂厚度4.93m,為灰黑色致密塊狀沙質泥巖,老頂厚度8.57m,為灰白色中砂巖;煤層直接底板厚9.02m,巖性為灰黑色致密塊狀沙質泥巖;根據7535工作面和東七采區上山揭露,該工作面地質構造比較復雜,材料道掘進過程中預計遇到傾角小于75°、落差=4.0m和傾角小于40°、落差3.5m兩處正斷層,巷道掘進至320~520m處遇7535工作面采空區積水區,預計積水量2.5萬m3,對掘進施工的影響較大,因此設計要求過斷層和積水區時采用錨網(索)、架梯形棚聯合支護方式。3該項目的內容3.1段的設計7537工作面材料巷設計采用錨網(索)支護,矩形斷面,巷道凈寬4.0m,凈高2.6m。3.2頂鋼帶錨索的施工頂板支護錨桿選用?20mmMnSi左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,長度為2000mm,錨桿間距900mm,錨桿排距800mm,用CK2360型樹脂錨固劑錨固,頂板采用長3.8m、5對錨桿孔異型鋼板梁與頂錨桿形成組合桁架,每間隔2.4m,在頂鋼帶二、四孔的位置施工2根全長7.3m、直徑?15.24mm錨索,錨索間距1.8m,排距2.4m,錨索外露長度不大于300mm;頂鋼板梁錨桿孔孔徑為?30mm,頂錨桿不另外加用鐵托板。3.3錨桿、預應力鋼墻幫錨桿選用?18mm鋼筋錨桿,長度為1800mm,錨桿間距750mm,排距800mm,錨桿用CK2860型樹脂錨固劑錨固,用120mm×120mm×10mm鋼板壓成蝶形作錨桿托板,幫鋼筋梁用?10mmQ235圓鋼焊制成雙排梯子形,長度3.2m,寬度0.1m;兩幫鋪菱形鐵絲網。3.4抗傾斜能力和安裝誤差的要求頂錨桿抗拔力要求不小于64kN,安裝扭矩不小于140N·m;幫錨桿抗拔力要求不小于30kN,安裝扭矩不小于100N·m。3.5頂頂離層及頂底板移近量觀測巷道每施工40m安設1處礦壓觀測站,觀測內容包括:(1)頂板離層觀測;(2)用錨桿測力計量測頂幫錨桿工作阻力;(3)頂底板移近量觀測;(4)兩幫移近量觀測。4支護結構的支護為了減少對圍巖的破壞,確保施工安全,7535工作面材料巷采用S100掘進機施工,用MQT-85A型氣動錨桿鉆機鉆頂錨桿孔并安裝好頂錨桿,用氣動風煤鉆鉆幫錨桿孔并安裝好幫錨桿,錨桿孔孔徑為?27mm,錨網(索)支護“三徑”匹配合理。為了確保工作面的正常接續,加大7535工作面材料道的支護強度,確保該巷道探放水期間的施工安全,決定在原有錨網支護設計的基礎上增加梯形棚支護,11#礦用工字鋼梁長3400mm,腿長2900mm,棚距800mm,實行“一掘一錨一架”的錨架聯合支護方式。巷道掘進過程中,由于受采空區集中壓力的影響,靠采空區一側巷幫出現較大變形,錨桿支護體整體內移,兩幫最大移近量達到800mm,同時呈現嚴重的底臌現象,最大底臌量達到870mm,棚腿彎曲,棚梁壓彎,部分頂鋼板梁拉斷,頂錨桿鉆入頂板,頂板出現網兜。5道路變形破壞特征及破壞原因的分析5.1巷道圍巖變形方面存在的問題通過初步的調查與分析,發現巷道的變形與破壞具有如下特點。(1)巷道沿采空區煤層底板掘進,采用礦用11#工字鋼進行錨架聯合支護,煤幫極易發生爆裂和片幫,使得原有的錨桿支護失效,同時兩幫煤體產生劇烈的內擠,帶動錨桿支護體整體移動,煤幫的內移帶動頂板支護肩窩錨桿向巷中移動,且原有的棚腿插入底板嚴重,呈現嚴重的底臌現象,從而造成巷道的斷面收縮率較大,無法滿足巷道的正常使用。(2)由于礦用11#工字鋼梯形棚支護是剛性支護,而且是隨掘隨錨隨架,無法滿足巷道變形的需要,因而造成大量的支架變形和損壞,同時給后續的巷道修護造成了極大的困難。(3)巷道兩幫移近量主要以沿空側的巷幫位移為主,頂底板的移近量主要以底臌量為主。(4)頂板壓力大的地段,底板底臌量和巷幫位移量也相對較大。(5)頂板網兜的形成主要出現在兩肩窩。(6)巷道掘進約一個月后,巷道的變形基本趨于穩定。5.2巷道圍巖破壞情況(1)構造應力和地應力是造成巷道發生嚴重變形破壞的最主要的原因。高構造應力和高地應力使得巷道圍巖中積聚了大量的彈性能,使圍巖處于高圍壓和高垂直應力下的三軸應力狀態,巷道開挖前巷道處于三軸應力平衡狀態。當巷道開挖后,這種平衡狀態被打破,圍巖應力重新分布,造成開挖后的巷道圍巖壓力急劇增大,圍巖的強度和抗破壞能力大大降低,圍巖由于卸荷而產生破壞,同時巷道兩幫煤體由于原有的高應力所積聚的大量彈性能在瞬間得到釋放造成巷道圍巖的破壞。(2)由于7535工作面采空區大量放水,破壞了采空區的應力平衡狀態,受采空區集中壓力的影響,也加劇了巷道的變形和破壞。(3)頂板煤層的變形加劇了巷道的變形和破壞,而這種變形主要是由于兩肩窩錨桿的位移所造成的。(4)巷道底板和底腳未采取有效的支護和加固,使得巷道在頂板和底腳處形成一個薄弱環節。原有的高應力和頂板下沉所產生的集中應力,既造成兩幫煤體的變形破壞,同時也加大了作用在底板巖體中的集中荷載。由于在各類回采巷道中,巷道的底腳和底板一直沒有采取有效的支護和加固措施,因此當巷道的頂幫壓力較大時,造成底板中的應力出現顯著集中現象,從而使得巷道的底腳和底板產生剪切破壞和塑性變形,出現底臌現象,進而直接影響巷道頂幫的穩定,加劇了頂板下沉和兩幫內擠,造成巷道支護結構的全面破壞。6超高和底腳錨桿支護施工(1)改錨網(索)架聯合支護為單純的錨網(索)支護,巷道支護參數不變,去掉礦用11#工字鋼棚支護,待巷道變形趨于穩定以后,根據需要確定是否采用礦用11#工字鋼梯形棚實施二次支護;(2)幫錨桿改為?18mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,長度為2000mm,兩幫肩窩和底腳錨桿的角度由15°加大到30°(肩窩錨桿上斜30°,底腳錨桿下斜30°),兩肩窩錨桿距頂板以及兩幫底腳錨桿距底板均要求不大于200mm,局部巷道超高必須增打幫錨桿,確保巷道兩幫肩窩和底腳的支護強度;(3)巷道施工凈寬每幫增加100mm,即由原來的凈寬4000mm增大到凈寬4200mm;巷道凈高增加200mm;(4)兩幫錨桿鐵托板內加墊400mm×200mm×50mm規格木托板,允許巷道兩幫在掘進工程中出現一定量的變形,從而減少因煤幫變形造成幫錨桿支護失效的數量;(5)巷道頂網改金屬菱形網為鋼筋方格網,同時在頂排距之間加打間距為1200mm的3根護頂錨桿,從而減少排距之間頂煤網兜的出現,保證頂板支護的完整性,以免出現冒頂事故突破口;(6)頂鋼帶在錨桿孔的位置增加因鉆孔而損失的強度,確保頂板異形鋼帶全長等強度和錨桿不鉆頂,或在頂錨桿上加用120mm×120mm×10mm的蝶形鐵托板。7巷道圍巖厚度為依托,降至高,支護效果好根據井下現場監測,采取以上支護對策后,巷道支護狀況明顯改善,主要表現在:(