芦岭煤矿软岩巷道支护技术的研究与实践

芦岭煤矿软岩巷道支护技术的研究与实践
摘要:高地压、软弱破碎围岩的巷道支护,一直是制约煤矿安全生产的一大难题。

尽管不断提升支护材料等级,提高支护强度,但仍不能有效控制巷道收缩变形。

结合矿井实际,通过优化锚网喷支护参数,及时采取围岩加固和多种监测监控措施等,控制了巷道的变形破坏。

关键词:软岩巷道;支护;破坏机理;改进方案
芦岭煤矿主采8 ,9 ,10 煤层,其中8 ,9 煤层联合布置,采区上山布置在距9 煤40～60 m 的底板岩层中,区段巷道布置在距9 煤20～40 m 的底板岩层中。

8 ,9 煤层采煤工作面采用跨上山开采,因此,采区上山、区段岩巷等布置在煤层底板的准备巷道,要经受多次跨采的强烈影响。

由于巷道的围岩主要为泥岩、砂质泥岩,岩性松软破碎,地压大,跨采造成了底板巷道的剧烈破坏,每次跨采后必须进行修护才能继续使用。

巷道的频繁维修,多次挑顶、刷帮、挖底,使得围岩更加破碎,维护难度极为困难,严重制约接替安排,威胁矿井安全生产,迫切需要解决软岩支护工艺。

2006 年10 月,芦岭煤矿开始与中国矿业大学合作,积极开展软岩巷道支护技术的科技攻关,根据芦岭煤矿实际施工条件,合理改进巷道支护工艺,初步取得了较好的成效。

1 软岩支护技术的研究与实践
1. 1 优化锚网喷支护参数
巷道支护应根据围岩条件、地压、服务年限、断面等不同条件,合理选择锚杆支护参数。

2007 年3 月上旬, 芦岭矿Ⅱ84 回风上山过Ⅱ1044回采垮落断裂带,围岩极为破碎且节理发育,并发育有煤线及软弱夹层,地压大。

巷道掘出后松动圈半径较大,巷道变形持续时间长;巷道顶板下沉及两帮内移量大,受采动影响破坏严重。

已施工稳定段两帮变形约在500～600 mm ,底鼓500 mm左右,中间喷层开裂严重,拱形顶板基本成为平顶。

根据经验,巷道变形破坏是围岩破裂、变形由浅部向深部发展造成的。

在有关专家的指导下,采取了以下措施强化承载结构,及时控制巷道浅部围岩破坏。

1) 提高支护锚杆强度,增加锚杆长度,确保锚杆打到稳定岩层,并能够有效支护;2) 通过提
高金属网的强度,来提高支护体的护表能力,有效阻止巷道围岩浅部破坏;3) 加强光爆成型,减少爆破对围岩的破坏。

在Ⅱ84 回风上山, 支护锚杆由Φ20 mm ×2 000 mm高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆,提升到采用Ⅳ级锚杆专用螺纹钢加工M24 - Φ22 mm ×2 800 mm高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 并配合200 mm ×200 mm 高强拱形锚杆托盘支护。

金属网采用Φ 6 mm 冷拔电弧焊钢筋网, 网孔规格为100 mm ×100 mm ,重叠100 mm ,并采用10# 镀锌铁丝联接。

锚杆间、排距为800 mm ×800 mm;锚杆螺母转矩由150 N〃m 提高到300 N〃m ,每根锚杆采用3 卷Z2535 树脂药卷(帮锚杆采用2 卷Z2950 树脂药卷)进行锚固,初锚力大于等于100 kN。

滞后掘进工作面不到15 m ,采用3 排高预应力锚索系统对拱顶关键部位加强支护,锚索规格Φ17. 8 mm ×6 300 mm ,中顶、两肩各1 排,排距1 500 mm ,间距1 600 mm ,预紧力大于等于120 kN。

1. 2 及时采取围岩治理措施
“支架—围岩”相互作用原理表明,围岩本身不再单独是支护体的载荷,而是具有自稳能力的承载体,能在一定程度上承担地压。

因此,合理的“支架—围岩”关系,可以充分利用围岩的这种天然的自承力和承载能力,减轻支护体的负担。

但在围岩松软、破碎条件下,围岩本身的自稳能力较差,必须通过围岩治理来提高围岩自身强度,有效地改变岩体物理力学性质,增强巷道支护性能,提高支护效果。

目前主要采用以下3 种方法:
1) 补强支护。

在巷道原支护的基础上,采用长锚杆+ 锚索+“M”型钢带+ 网+ 喷进行补强支护。

长锚杆规格为Φ22 mm ×2 500 mm 高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆(原支护锚杆为Φ20 mm ×2 000 mm 高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆) ,配合与“M”型钢带相匹配的锚杆托盘支护, 锚
杆间、排距为800 mm ×800 mm ,与原支护锚杆成“五花”布置,提高补强支护与原支护的耦合效果,打补强锚杆时预留锚索位置不打锚杆;锚索采用Φ15. 24 mm ×6 000 mm 七股低松弛钢绞线锚索, 锚索间、排距为1 600 mm ×1 600 mm ,与补强锚杆位置重合,替代补强锚杆;钢带孔间距800 mm ,补强锚杆、锚索打在钢带孔上,钢带间重叠1 个孔布置。

铺设Φ 6 mm 冷拔电弧焊钢筋网,并喷浆封闭。

2) 套U29 型钢棚。

在原支护基础上套U29 型钢棚加强护表能力,U29 型钢棚上高阻限位卡缆固定,确保支架高阻承载能力,防止低阻滑移。

并在两帮棚腿上打锚索+ 钢梁,加强两帮支护强度。

锚索采用Φ15. 24 mm ×5 000 mm 七股低松弛钢绞线锚索,钢梁采用U29 型钢或11 # 工字钢加工。

芦岭矿U29 型钢棚多是直墙拱形断面,从力学角度分析,顶部为拱形结构,承载抗压性能好,能有效地抵抗顶板压力;两帮直墙可视为梁结构,承载抗压性能较差,难以有效
抵抗两帮的侧压。

因此,U29 型钢棚经常受两帮侧压影响而发生内移、推磨打旋,造成支架失稳。

通过锚索+ 钢梁加强两帮支护强度,能有效地抵抗两帮侧压,提高支架承载性能。

3) 注浆。

通过壁后注浆,改善破碎围岩岩性,提高其完整性,提高围岩的自主承载性能。

U29 型钢棚壁后注浆,有效地解决了支架空顶、空帮问题。

注浆泵提供一定的泵压,使支架形成一个初始支撑力,改善支架的受力状况,使支架整体均衡承载,并与围岩形成统一的承载体系。

1. 3 监测监控
巷道围岩的活动有其隐蔽性,特别是锚网喷支护,其破坏往往具有突发性,因此必须采取多种方法进行监测监控。

芦岭矿主要采取布置测点,监测巷道顶板下沉量、底鼓量、两帮内移量的变化,一般间隔50 m 布置1 个测点,在围岩破碎或地质构造带根据情况加密测点。

一般1 周检测1 次,当巷道刚施工结束并处在应力释放不稳定阶段、受采动影响等特殊时期,需加强监测。

为掌握巷道围岩离层情况和支护体的支护效果,在测点布置离层仪和液压枕。

设专人进行测点的维护、检测,并收集数据进行分析,及时掌握巷道围岩变化规律,检验巷道支护效果,以便及时发现隐患,并为同类巷道支护提供准确的参考数据。

1. 4 进行动态维护
巷道的维护应该是一个动态的过程,并不是施工结束后就放置不管,等到损坏严重到无法使用时再组织队伍进行修护,修护后围岩的承载性能将会大幅度地降低,给后期维护增加难度;应该在巷道施工时,以及施工结束后使用时,持续不断地进行监测、维护,及时发现问题,找出原因,对症处理,使巷道始终保持良好的状态。

2 效果分析
通过采用U 型钢壁后充填支护技术、帮锚索钢梁加强,以及采用力学性能较好的双槽夹板限位卡缆坚固后,巷道支架承载相对比较均衡,且支护阻力较高,该技术的成功应用使巷道支架的完好率大大提高,基本消除了支架的平顶型和尖顶型破坏。

通过对松散破碎的围岩进行注浆,提高了围岩岩体本身的承载能力。

同时采取补强支护,提升支护等级,大大提高了支护承载能力。

以前在Ⅱ82 轨道上山采取单一架棚支护,强度低、效果差,修护周期仅1 a左
右;改用先架钢棚,然后打帮锚索+ 钢梁加强,再壁后注浆充填、加固围岩,支护强度大幅提升,能有效地抵抗采动影响的强烈破坏,支护效果较好。

Ⅱ84 回风上山初期采用Φ20 mm ×2 000 mm锚杆支护,并滞后50～70 m 补打锚索+ 钢带加强,施工3 ～ 5 个月后, 巷道出现炸皮放线破坏; 改用Φ22 mm ×2 800 mm锚杆支护,并紧跟掘进工作面打锚索配合400 mm ×400 mm高强大托盘支护,加大一次锚固深度和强度,及时控制巷道表层围岩的破坏,有效地抵抗了巷道收缩变形破坏,在施工10 个月后,巷道顶板下沉量、两帮内移量不到50 mm。

3 结语
1) 注浆加固破碎围岩,使其重新胶结,改善围岩的完整性和稳定性,提高围岩的自主承载性能,是破碎围岩支护的关键。

2) 改变单一支护方式,采取联合支护方式,能有效提高软岩支护效果。

3) 加大支护深度,确保锚固到稳定岩层中,能及时控制表层围岩破坏并向深部发展。

4) 动态维护,提前加固,防止严重破坏,避免大修,降低围岩损坏程度。

以上软岩支护技术正向全矿推广应用,已初步取得了较好的支护效果。