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“三软”破碎煤层巷道,还含水,咋支护呢?

内蒙古平庄煤业集团风水沟煤矿是我国典型的软岩矿井之一,主采煤层顶底板岩层均属于软岩。其中,煤层顶板以砂岩为主,胶结性极差,揭露后往往形成流沙,单轴抗压强度在5MPa以下。煤层直接底以泥岩或泥质砂岩为主,含大量蒙脱石等,膨胀性强。


在回采超前压力影响下,巷道出现大范围破坏,主要表现为围岩大范围整体移近,两帮移近量1m左右,尤为严重的是巷道出现严重的底鼓现象,底鼓量在1.5~2.0m左右,导致巷道大范围复修、起底,严重影响了回采工作面的正常生产。


目前风水沟矿煤巷支护形式有金属棚支护、锚网支护及U型钢+锚网联合支护等多种形式,在治理底鼓方面还采取金属反拱等支护措施。但这些支护方式均未达到预期的效果,极软围岩条件下巷道支护问题仍未得到有效地解决。


本文采用岩性分析、地质力学现场测试、煤岩体可锚性试验、支护设计、矿压观测等综合手段,对风水沟煤矿顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷技术进行了综合研究,采用预应力全长锚固支护的方式成功支护了巷道。


试验地点为风水沟煤矿5-1A西七片一分层回风巷。巷道埋深在421~435m左右。该巷道上帮临近5-1A西六片工作面采空区,煤柱尺寸为6~8m。本开采煤层为5-1A煤层,最大厚度5.6m,最小厚度为4.45m,平均煤厚4.5m。5-1A煤层结构复杂,有夹矸0~3层,夹矸单层厚度在0.01~0.36m之间,煤层层理发育,倾角6~14°,平均10°,重力密度12.84kN/m3。5-1A煤层顶板主要为细砂岩,松散含水,易冒落。底板主要为细砂岩,砂岩胶结性差,松散含水。5-1A西六片一、二分层回采后采空区也会积水,预计积水量67200m3,工作面掘进时必须要先进行探放水,预计掘进时最大涌水量为20m3/h。


支护理念


根据风水沟煤矿顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷条件,提出以下支护理念:


(1)自承拱理念根据风水沟煤矿小煤柱护巷煤体松软破碎条件,在进行巷道断面形状选择时,在满足生产要求的前提下应优先考虑采用自稳能力、承载能力强的拱形断面,增加围岩自稳性。


(2)强力护表理念松软破碎煤岩体采用锚杆支护时,锚杆间的煤岩体极易出现破碎,在巷道表面形成“网兜”现象,大大弱化了锚杆的支护效果。因此,在选择护表构件时,应选择刚度、护表面积大的构件,强化护表能力。


(3)全长高预应力锚固理念对于松散破碎煤岩体,不仅要限制煤岩体的离层、剪胀,更重要的是严格限制煤岩体的错动、滑移等结构失稳。因此,锚固系统不仅要实现较高的预应力,同时还要采取全长锚固的支护理念。


(4)支护系统相互匹配理念不匹配的支护系统易造成“多米诺骨牌”效应,最终导致整个支护的失败。因此,支护系统应在各方面达到合理匹配,包括各构件强度之间的匹配,预应力与锚固方式、锚杆与锚索强度的匹配,锚杆与锚索的匹配,锚杆预应力与锚索预应力的匹配等。


(5)锚固层位选择理念煤系地层由于特殊的沉积环境,造成煤岩体分层明显,具有独特的层状结构,各层在强度、含水性、节理发育程度、弱化方式等方面差异显著。选择具有较好锚固性能的层位作为锚杆、锚索的锚固基点,是关系锚杆支护能否取得成功的关键之一。


几点结论


(1)巷道围岩强度低、膨胀性黏土矿物含量高、顶板砂岩含水量大及小煤柱护巷是导致风水沟煤矿5-1A西七片一分层工作面回风巷变形严重,支护难度大的主要原因。


(2)针对顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷条件,提出了自承拱、强力护表、全长高预应力锚固、支护系统相互匹配及锚固层位选择等支护理念。


(3)采用预应力全长锚固锚杆支护系统,成功支护了顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷巷道。在回采期间,巷道煤柱侧帮平均移近量为388.9mm,顶板下沉量最大为261mm,基本杜绝了巷道维修,平均工作面推进速度达到7.5m/d。


(4)预应力全长锚固锚杆支护系统在顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷巷道中的成功应用,为我国软岩巷道支护提供了新的途径。


来源《顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷技术研究》,作者:林健


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