论文部分内容阅读
[摘 要]针对车集煤矿2310工作面上、下顺槽的地质特征，分析深井高应力煤巷围岩的变形力学机制，结合现场地质条件，针对巷道围岩岩性结构变化提出了采用长短锚索、锚杆梯次支护的深井煤巷锚网索支护方案，并通过巷道位移观测论证了该方案下巷道围岩的稳定性。现场监测结果表明，巷道围岩变形稳定，支护状况良好，说明2310工作面上、下顺槽采用锚网索梯次支护参数选择合理，证明了方案的可行性。
[关键词]深井高应力；梯次支护技术；巷道位移观测；可行性
中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0051-02
随着开采深度的增加，高地应力导致的工程灾害日益增多，对煤炭资源的安全高效开采造成了巨大威胁。其中，深部巷道围岩大变形的频繁发生，成为干扰煤炭正常开采的一大因素，因此，深井高应力条件下的巷道支护成为国内外地下工程支护的难题之一。高应力环境中，巷道开挖后，如果不及时采取适当的支护措施，巷道围岩变形愈加剧烈，后续支护也愈加困难，最终导致巷道失稳破坏；而失稳巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加发育，致使巷道维修极其困难，深部巷道围岩控制技术已成为制约煤矿生产的重要技术难题之一。
1 工程概况
车集煤矿于1992年10月开工建设，1999年12月29日正式生产，矿井设计能力180万t/a，2009年矿井核定生产能力为280万t/a。井田南北走向长14km，东西倾向宽3-5km，井田面积61.4km2。矿井开拓方式为立井单水平上下山开拓，水平运输大巷布置在-550m水平。矿井开采煤层属Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性，矿井水文地质条件属于复杂型，矿井为煤与瓦斯突出矿井。
2310工作面简介：2310工作面为-550m水平23深部采区一个工作面，本工作面南为23采区下山煤柱，西为2308工作面采空区，东为2312工作面（未掘），北为工业广场保护煤柱。工作面标高-772m～-801m，地面标高+32.42m～+33.31m。该工作面煤层赋存稳定，煤层厚度2～3.5m，平均厚度2.6m，煤层倾角11°～21°，平均倾角16°。巷道顶板岩性以泥岩、砂质砂岩、中细粒砂岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，受断层或岩浆影响，岩性破碎。
该工作面水文地质条件中等，主要充水水源为二2煤顶、底板砂岩裂隙水、底板太灰水。上巷开口向前掘进10m左右需过2308下巷环形水仓，预计2308下巷环形水仓存有少量积水。掘进期间预计最大涌水量为100m？/h，正常涌水量为30～40m3/h。
2 巷道围岩变形机制及支护原理
2.1 深井煤巷围岩的变形力学机制
工作面上、下顺槽基本上沿煤层顶板掘进，巷道顶板基本上为层状顶板。巷道开挖后，层状岩层会产生两类破坏效应：①由于各岩层刚度不同而产生沿垂直层面方向上的离层膨胀；②沿层面方向的相对剪切滑移。这两种破坏效应将使岩层产生两种变形，即巷道围岩的结构变形和巷道围岩的松动扩容变形。
2.2 锚杆—锚索梯次支护体系作用原理
锚杆—锚索梯次支护体系的作用原理就是在巷道开挖初期发挥锚杆的柔性主动支护效应，后期发挥锚索的悬吊作用，从而将锚岩支护体特征与锚索力学特性有机结合起来，达到控制巷道大变形的目的。对于深井高应力煤层巷道的围岩控制，通过锚杆提供足够高的初始预紧力和合理的支护强度，对围岩进行强有力的控制，消除围岩的初期松动变形。
3 支护原则
（1） 高初始支护强度，实现一次有效支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制巷道围岩变形，避免二次支护。
（2） 高预紧力原则。预紧力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆是主动支护还是被动支护的主要参数。高预紧力的锚杆支护不仅可以消除岩层内原始的裂缝空隙，使各个岩层成为一个整体，同时高预紧力通过钢带、托盘的有效扩散，有效提高了锚固体的整体刚度，从而有利于保持顶板的完整性。
（3） 相互匹配原则。为最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用，锚杆各构件的力学性能及锚杆和锚索的预紧力相互匹配，实现深部、浅部围岩体的共同承载。
（4） 分段设计原则。由于2310工作面上、下顺槽掘进期间顶板岩性变化较大，为了实现经济有效支护，应根据顶板岩性结构分区段确定支护参数。
4 支护方案设计及支护参数
巷道设计断面为4.2m×3m（净宽×中高）。基于围岩地质条件和地应力现状，结合前述分析，借鉴兄弟单位深井巷道支护经验，确定采用锚杆、锚索梯次支护方案。
（1） 巷道顶板支护。①锚杆+M钢带，顶板每排使用一片6眼4200mm的M钢带（眼距800mm），采用Ф22×2500mm高强锚杆，锚杆间排距800×700mm，锚杆预紧力不小于200N.m，第二、五个钢带孔打设Ф18.9×4300mm矿用锚索；顶板施工锚索梁补强支护，锚索梁采用2000mm长16#槽钢加工，眼距1500mm，锚索梁“二二布置”，锚索规格为Ф18.9×9300mm。顶板不平时使用单锚索，锚索托盘采用12mm厚钢板加工，一大一小配套使用，规格为400×400mm和200×200mm，顶板每根锚索在托盘与锁具之间使用一个让压管；每根锚杆安装MSK2350、MSZ2350锚固剂各一支，每根锚索安装三支MSZ2350锚固剂；②网片，全断面铺设小眼点焊钢筋网，采用Ф6钢筋加工，网片规格2000m×1000m，网孔规格70mm×70mm，网片搭接不小于100mm，每间隔不大于200mm采用双股14#铁丝。
（2） 巷道两帮支护。两帮均采用Ф22×2500mm高强锚杆，锚杆预紧力不小于150N.m并使用竖向M钢带；巷道沿空帮（以巷道掘进方向）铺设网孔规格为70×70mm双层钢筋网，回采帮铺设单层钢筋网。在巷道沿空帮第二根锚杆与第三根锚杆之间及第三根锚杆与第四根锚杆之间打设两排走向护帮钢带，锚杆间排距为700×700mm。网片铺设标准同上。 5 现场监测分析
为检测巷道支护质量及掌握巷道围岩变形情况，验证锚网索梯次支护的实际效果，对采用锚网索梯次支护巷道进行了现场监测，主要内容为顶板离层量、巷道顶底板移近量、巷道两帮移近量等。
（1） 巷道顶板离层量。在顶板中间安装LBY-3B顶板离层观测仪，间距50m，前15天，每天观测一次，15天后每周观测一次，得到的顶板离层量曲线如图2所示。
图2 巷道顶板离层量曲线
从图1可知，测点1、2顶板离层量深基点离层范围在40～60mm之间，浅基点离层量大约在100mm左右，顶板离层量已趋于稳定。
（2）巷道顶底板移近量。采用“十字位移观测法”对巷道顶底板及两帮位移量进行观测，每隔50m设置一个观测点，每周观测一次，得到的顶底板相对位移曲线如图3所示。
图3 巷道顶底板相对位移曲线
根据以上表明，采取锚网索梯次支护，巷道顶板得到了有效控制，支护参数合理。
（3）巷道两帮移近量。从图4中可知，观测点1、观测点2巷道两帮的相对位移量均较小，且慢慢趋于稳定，这说明巷道两帮围岩得到了有效控制。
图4 巷道两帮相对位移曲线
5 结语
以车集煤矿2310工作面上、下顺槽为背景，对深井高应力煤巷围岩梯次支护进行研究，并通过现场监测对所采取的深井煤巷锚网索梯次支护方案进行论证，结果表明：
（1）根据巷道顶板离层量、顶底板及两帮巷道相对位移量变化分析，巷道采取锚网索梯次支护后，有效控制了巷道顶板及两帮围岩的移动，说明巷道支护参数合理。
（2）巷道顶板离层量、顶底板及两帮巷道相对位移量随着观测时间的延长，相对位移量逐渐趋于稳定，说明巷道顶板及两帮围岩趋于稳定。
（3）通过论证，深井煤巷采取锚网索梯次支护方案，支护参数合理，支护强度能够满足要求，因此在深井煤巷采取锚网索梯次支护是可行的。
参考文献
[1] 于先福，阎石.回采巷道锚杆支护设计[J].煤炭技术，2008（2）：48-51.
[2] 何满朝，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩体力学与工程学报，2005（16）：2803-2813.
[3] 谢和平.矿山岩体力学及工程的研究进展和展望[J].中国工程科学，2003（3）：31-38.
[关键词]深井高应力；梯次支护技术；巷道位移观测；可行性
中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0051-02
随着开采深度的增加，高地应力导致的工程灾害日益增多，对煤炭资源的安全高效开采造成了巨大威胁。其中，深部巷道围岩大变形的频繁发生，成为干扰煤炭正常开采的一大因素，因此，深井高应力条件下的巷道支护成为国内外地下工程支护的难题之一。高应力环境中，巷道开挖后，如果不及时采取适当的支护措施，巷道围岩变形愈加剧烈，后续支护也愈加困难，最终导致巷道失稳破坏；而失稳巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加发育，致使巷道维修极其困难，深部巷道围岩控制技术已成为制约煤矿生产的重要技术难题之一。
1 工程概况
车集煤矿于1992年10月开工建设，1999年12月29日正式生产，矿井设计能力180万t/a，2009年矿井核定生产能力为280万t/a。井田南北走向长14km，东西倾向宽3-5km，井田面积61.4km2。矿井开拓方式为立井单水平上下山开拓，水平运输大巷布置在-550m水平。矿井开采煤层属Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性，矿井水文地质条件属于复杂型，矿井为煤与瓦斯突出矿井。
2310工作面简介：2310工作面为-550m水平23深部采区一个工作面，本工作面南为23采区下山煤柱，西为2308工作面采空区，东为2312工作面（未掘），北为工业广场保护煤柱。工作面标高-772m～-801m，地面标高+32.42m～+33.31m。该工作面煤层赋存稳定，煤层厚度2～3.5m，平均厚度2.6m，煤层倾角11°～21°，平均倾角16°。巷道顶板岩性以泥岩、砂质砂岩、中细粒砂岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，受断层或岩浆影响，岩性破碎。
该工作面水文地质条件中等，主要充水水源为二2煤顶、底板砂岩裂隙水、底板太灰水。上巷开口向前掘进10m左右需过2308下巷环形水仓，预计2308下巷环形水仓存有少量积水。掘进期间预计最大涌水量为100m？/h，正常涌水量为30～40m3/h。
2 巷道围岩变形机制及支护原理
2.1 深井煤巷围岩的变形力学机制
工作面上、下顺槽基本上沿煤层顶板掘进，巷道顶板基本上为层状顶板。巷道开挖后，层状岩层会产生两类破坏效应：①由于各岩层刚度不同而产生沿垂直层面方向上的离层膨胀；②沿层面方向的相对剪切滑移。这两种破坏效应将使岩层产生两种变形，即巷道围岩的结构变形和巷道围岩的松动扩容变形。
2.2 锚杆—锚索梯次支护体系作用原理
锚杆—锚索梯次支护体系的作用原理就是在巷道开挖初期发挥锚杆的柔性主动支护效应，后期发挥锚索的悬吊作用，从而将锚岩支护体特征与锚索力学特性有机结合起来，达到控制巷道大变形的目的。对于深井高应力煤层巷道的围岩控制，通过锚杆提供足够高的初始预紧力和合理的支护强度，对围岩进行强有力的控制，消除围岩的初期松动变形。
3 支护原则
（1） 高初始支护强度，实现一次有效支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制巷道围岩变形，避免二次支护。
（2） 高预紧力原则。预紧力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆是主动支护还是被动支护的主要参数。高预紧力的锚杆支护不仅可以消除岩层内原始的裂缝空隙，使各个岩层成为一个整体，同时高预紧力通过钢带、托盘的有效扩散，有效提高了锚固体的整体刚度，从而有利于保持顶板的完整性。
（3） 相互匹配原则。为最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用，锚杆各构件的力学性能及锚杆和锚索的预紧力相互匹配，实现深部、浅部围岩体的共同承载。
（4） 分段设计原则。由于2310工作面上、下顺槽掘进期间顶板岩性变化较大，为了实现经济有效支护，应根据顶板岩性结构分区段确定支护参数。
4 支护方案设计及支护参数
巷道设计断面为4.2m×3m（净宽×中高）。基于围岩地质条件和地应力现状，结合前述分析，借鉴兄弟单位深井巷道支护经验，确定采用锚杆、锚索梯次支护方案。
（1） 巷道顶板支护。①锚杆+M钢带，顶板每排使用一片6眼4200mm的M钢带（眼距800mm），采用Ф22×2500mm高强锚杆，锚杆间排距800×700mm，锚杆预紧力不小于200N.m，第二、五个钢带孔打设Ф18.9×4300mm矿用锚索；顶板施工锚索梁补强支护，锚索梁采用2000mm长16#槽钢加工，眼距1500mm，锚索梁“二二布置”，锚索规格为Ф18.9×9300mm。顶板不平时使用单锚索，锚索托盘采用12mm厚钢板加工，一大一小配套使用，规格为400×400mm和200×200mm，顶板每根锚索在托盘与锁具之间使用一个让压管；每根锚杆安装MSK2350、MSZ2350锚固剂各一支，每根锚索安装三支MSZ2350锚固剂；②网片，全断面铺设小眼点焊钢筋网，采用Ф6钢筋加工，网片规格2000m×1000m，网孔规格70mm×70mm，网片搭接不小于100mm，每间隔不大于200mm采用双股14#铁丝。
（2） 巷道两帮支护。两帮均采用Ф22×2500mm高强锚杆，锚杆预紧力不小于150N.m并使用竖向M钢带；巷道沿空帮（以巷道掘进方向）铺设网孔规格为70×70mm双层钢筋网，回采帮铺设单层钢筋网。在巷道沿空帮第二根锚杆与第三根锚杆之间及第三根锚杆与第四根锚杆之间打设两排走向护帮钢带，锚杆间排距为700×700mm。网片铺设标准同上。 5 现场监测分析
为检测巷道支护质量及掌握巷道围岩变形情况，验证锚网索梯次支护的实际效果，对采用锚网索梯次支护巷道进行了现场监测，主要内容为顶板离层量、巷道顶底板移近量、巷道两帮移近量等。
（1） 巷道顶板离层量。在顶板中间安装LBY-3B顶板离层观测仪，间距50m，前15天，每天观测一次，15天后每周观测一次，得到的顶板离层量曲线如图2所示。
图2 巷道顶板离层量曲线
从图1可知，测点1、2顶板离层量深基点离层范围在40～60mm之间，浅基点离层量大约在100mm左右，顶板离层量已趋于稳定。
（2）巷道顶底板移近量。采用“十字位移观测法”对巷道顶底板及两帮位移量进行观测，每隔50m设置一个观测点，每周观测一次，得到的顶底板相对位移曲线如图3所示。
图3 巷道顶底板相对位移曲线
根据以上表明，采取锚网索梯次支护，巷道顶板得到了有效控制，支护参数合理。
（3）巷道两帮移近量。从图4中可知，观测点1、观测点2巷道两帮的相对位移量均较小，且慢慢趋于稳定，这说明巷道两帮围岩得到了有效控制。
图4 巷道两帮相对位移曲线
5 结语
以车集煤矿2310工作面上、下顺槽为背景，对深井高应力煤巷围岩梯次支护进行研究，并通过现场监测对所采取的深井煤巷锚网索梯次支护方案进行论证，结果表明：
（1）根据巷道顶板离层量、顶底板及两帮巷道相对位移量变化分析，巷道采取锚网索梯次支护后，有效控制了巷道顶板及两帮围岩的移动，说明巷道支护参数合理。
（2）巷道顶板离层量、顶底板及两帮巷道相对位移量随着观测时间的延长，相对位移量逐渐趋于稳定，说明巷道顶板及两帮围岩趋于稳定。
（3）通过论证，深井煤巷采取锚网索梯次支护方案，支护参数合理，支护强度能够满足要求，因此在深井煤巷采取锚网索梯次支护是可行的。
参考文献
[1] 于先福，阎石.回采巷道锚杆支护设计[J].煤炭技术，2008（2）：48-51.
[2] 何满朝，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩体力学与工程学报，2005（16）：2803-2813.
[3] 谢和平.矿山岩体力学及工程的研究进展和展望[J].中国工程科学，2003（3）：31-38.