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三软煤层巷道过构造影响区围岩支护技术

2024-06-12 31 上传者：管理员

摘要：文章以某矿21105运输巷过F31断层为工程背景，针对断层影响区因巷道围岩破碎、构造应力复杂等原因导致巷道围岩变形控制难度更大的问题，结合现场条件，构建以U型钢架棚支护为核心的围岩控制方案，并通过采用锚网索方式提高围岩稳定性、发挥围岩自稳能力。现场应用结果表明，21105运输巷支护完成围岩变形量在短时间内即趋于稳定，顶底板最大收敛量为66 mm,围岩变形不会影响采面后续生产。

关键词：
三软煤层
围岩支护
地质构造
钢架棚
锚网索
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受煤层、顶底板松软影响，三软煤层巷道围岩变形控制难度较高，特别是掘进过断层等地质构造时，围岩破碎、构造应力发育会进一步增大围岩变形量[1,2]。三软煤层巷道过构造影响区时容易出现顶板冒落、围岩大变形、支护体系失效等问题。为此，众多学者及技术人员对三软煤层巷道过构造影响区支护技术进行了研究，并通过架棚(U型钢、工字钢等)、注浆(超前注浆、滞后注浆等)、锚网索喷等多种方式对围岩进行控制，工程应用也取得了一定的成果[3,4,5,6]。山西某矿回采的2#煤层为典型的三软煤层，本文以2#煤层21105工作面运输巷掘进过F31断层影响区为工程背景，对巷道采取的围岩支护技术措施及围岩控制效果进行分析，以期为其他矿井类似巷道围岩控制提供借鉴。

1、工程概况

山西某矿现阶段主要开采2#煤，煤层厚度均值为8.0 m、倾角2°～5°,赋存较为稳定，全区可采，煤层埋深平均为360 m.2#煤顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩以及灰岩为主，顶底板岩性如图1所示。

图1 2#煤顶底板岩性柱状图

2#煤为典型的三软煤层，煤层及顶底板抗压强度均在25 MPa以内，同时顶底板岩层中含有大量的黏土类矿物，遇水容易膨胀变形。2#煤21105工作面设计走向、倾向长度分别为1 050 m、158 m, 现阶段正在掘进21105运输巷，巷道设计为直墙半圆拱断面，采用EBZ260综掘机掘进。根据邻近采面采掘揭露以及已有的探测资料显示，在21105运输巷靠近切眼位置发育有F31断层(H=4.9 m, 126°∠57°),在断层影响范围内，2#煤及顶底板岩层破碎程度增大，给巷道正常掘进及围岩控制带来一定影响，具体断层分布位置如图2所示。因此，需结合21105运输巷过F31断层现场实际地质条件，针对性确定围岩支护方案，确保巷道掘进及后续使用安全。

图2 F31断层分布示意

2、巷道过断层围岩支护技术

F31断层靠近采面切眼，因此在断层影响范围内21105运输巷服务时间相对较短。为提升巷道围岩支护效率、降低支护成本，结合断层影响区现场情况提出综合采用U型钢支架+锚杆+锚索+金属网支护方式。支护时以U型钢支架为基础，利用U型钢支架具备的承载能力强、护表效果好等优势，有效控制巷道表面破碎岩体变形。在支架薄弱环节利用锚索补强，提升围岩承载能力。发挥锚杆主动支护作用，控制围岩塑形变形，强化支护体围岩变形控制效果[7,8]。

2.1 围岩支护设计

在F31断层影响范围内，综合采用U型钢支架+锚杆+锚索+金属网支护方式，如图3所示。

图3 围岩支护示意(单位：mm)

1) 将U型钢架棚棚距缩小至600mm, 使用2个限位卡缆+1个夹板卡缆连接U型钢棚腿及顶梁，搭接距离在500 mm以上，卡缆上螺母施加的预紧力控制在300 N·m以上。在架U型钢架棚前，先进行围岩临时支护，挑起支架顶梁，随后在棚腿位置开挖150 mm深的柱窝，架设棚腿。为提升架棚稳定性，在邻近支架间布置拉杆，支架与围岩应接触密实，以便提升围岩支护效果。

2) U型钢架棚架设完成后，用规格600mm×7 000 mm的铁丝网(10号钢丝编制而成)均匀包覆棚槽口侧，邻近2片铁丝网搭接距离为100 mm.

3) 支护采用的锚杆型号为Φ20mm×3 000 mm的玻璃钢锚杆，布置间排距为600 mm×600 mm, 施加的预紧力在200 kN以上；锚杆安装时需配合钢筋梯子梁提高围岩支护强度，具体采用的钢筋梯子梁由Φ12 mm圆钢加工而成，长×宽=1 400 mm×80 mm.

4) 支护采用规格为Φ17.8mm×8 000 mm的钢绞线锚索，一排布置5根，其中靠近顶部的3根锚索间距为1 000 mm, 靠近巷帮的2根锚索与底板间距均为1 200 mm, 锚索布置排距均为1 200 mm.锚索采用1支K2335+2支Z2350树脂锚固剂锚固，有效锚固距离在1 200 mm以上，施加的预紧力在90 kN以上。

2.2 围岩控制效果分析

在21105运输巷掘进过F31断层后，按照20 m间距布置测点对断层影响范围内巷道围岩变形情况进行跟踪监测，监测内容包括锚杆载荷、顶板离层量以及顶底板变形量等，测点布置情况如图4所示，监测结果如图5所示。

图4 围岩变形测点布置示意

1) 从图5(a)看出，锚杆支护完成2 d后轴向力即快速增加并趋于稳定，表明锚杆围岩支护效果明显，同时由于1号、2号锚杆分别位于巷道巷帮、顶部位置，导致2号锚杆轴向力明显大于1号锚杆轴向力。

2) 从图5(b)看出，顶板上覆2 m、4 m、6 m及8 m位置离层量最大分别为20.2 mm、62.5 mm、61.3 mm、61.0 mm, 锚杆控制范围内顶板离层量较小，锚杆控制范围外顶板离层量最大为62.5 mm, 通过锚索悬吊有效控制顶板离层量；顶板离层量在设计允许范围内，表明设计的支护参数可满足控制围岩控制需要。

图5 断层影响区巷道围岩变形监测结果

3) 巷道支护完成初期，顶底板收敛量增加速度较快，巷道围岩受掘进扰动影响较为明显，支护完成26 d后，顶底板收敛量增加速度缓慢且收敛量逐渐趋于稳定。在监测期间，顶底板收敛量最大为66 mm, 收敛量整体较小，不会影响运输巷正常使用。

围岩变形监测结果表明，21105运输巷在F31断层影响范围内采用的U型钢支架+锚杆+锚网支护方式可有效控制围岩变形，在监测期间顶底板收敛量最大为66 mm.巷道掘进完成105 d后，21105采面开始回采。回采35 d后，采面推进至F31断层影响区。在回采期间，采用单体+工字钢方式进行超前支护。在采动影响下，21105运输巷过F31断层影响区内巷道变形量整体较小，表明采用的围岩支护方案效果显著，可实现三软煤层巷道地质构造影响区围岩变形有效控制。

3、结语

针对21105运输巷掘进过F31断层影响区期间围岩控制难度大的问题，结合现场实际地质条件及以往围岩支护经验，提出综合采用U型钢支架+锚杆+锚索+金属网支护方式，充分发挥U型钢支架支护强度高、锚网索主动支护优势，通过支护体系与围岩耦合提升断层影响区三软煤层巷道围岩变形控制能力。现场实践表明，21105运输巷在F31断层影响区内，围岩锚杆轴向应力快速增大，顶板离层量控制在合理范围内，且顶底板收敛量最大为66 mm, 表明采用的支护措施可有效控制围岩变形，为运输巷使用创造良好条件。

参考文献:

[1]张鹏.滑动构造下高应力“三软”煤层巷道支护技术[J].煤炭科技,2023,44(2):151-155.

[2]李啸天,张亮亮,薛旭辉.三软煤层托顶煤巷道支护技术[J].能源与节能,2023(1):101-105.

[3]陶伟.三软煤层巷道工字钢棚联合支护技术探讨[J].山东煤炭科技,2021,39(10):87-89,101.

[4]姚丙傲.赵家寨煤矿“三软”煤层巷道支护技术研究[J].技术与市场,2021,28(9):90-91.

[5]王昊昊.赵固一矿三软煤层切顶成巷围岩结构与应力演化研究[D].北京:中国矿业大学,2021.

[6]王泽.三软煤层巷道支护技术研究[J].矿业装备,2020(3):84-85.

[7]王宝童.三软煤层回采巷道支护技术研究[J].煤,2020,29(5):39-41.

[8]袁刚,任佳旺.三软煤层巷道掘进支护实践应用标准[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(15):233-234.

文章来源:康志军.三软煤层巷道过构造影响区围岩支护技术[J].煤,2024,33(06):49-51.