急倾斜煤层水平分层回采巷道支护研究

　　摘要：通过对回采巷道支护的研究，在梅河四井9101-2采区准备期间采用“锚网梁+锚索+底板锚杆”的非均匀支护技术，并在采区回采期间对其巷道进行超前U型钢棚支护。与原支护形式相比较，在回采过程中节约大量成本，并减少采区在准备时期及回采时期的隐患，为以后本矿的巷道支护工作提供了宝贵的经验。
　　关键词：急倾斜煤层；锚网索；非对称支护
　　1研究背景
　　在梅河四井-180水平布置采区时，采用断面为36U∮3.2m×4U型钢棚进行支护。随着采煤系统的日益延伸，在采区准备及回采期间巷道严重失修，矿山压力显现日益明显。严重的影响了巷道在采区回采期间的正常使用，同时也导致巷道在回采过程中要进行二次翻修，既浪费了财力又浪费了人力。
　　因此，在该井-240水平9101-2工作面不再使用原支护形式，尝试采用“锚网梁+锚索+底板锚杆”的非均匀支护技术。
　　2巷道地质概况
　　梅河四井主要煤层有两层，即12号、13号煤层，12号煤层为主采煤层，全部可采，13号煤层局部可采。该实验巷道在12号煤层，12号煤层倾向为140°的单斜构造，地层、煤层倾角大部分在50°～65°之间，属于急倾斜煤层，地质构造较复杂，其中12号煤层平均厚度达20～30m、最厚达60m。其顶板泥岩厚度40～60m，由灰褐色、茶褐色的块状泥岩组成，局部夹白色砂岩，结构致密，破碎面呈贝壳状、参差状和平坦状断口，层理不发育。底板厚度为100～240m，由褐色、灰绿或赤紫色呈花斑状的泥岩、粉砂岩和灰白色粗中粒砂岩组成，煤层底板易膨胀、易风化。目前，12号煤层主要采用综采放顶煤水平分层采煤法。
　　3回采巷道锚杆支护机理【1、2、3、4、5】
　　由于巷道布置在煤岩交界面附近，受到煤岩层交界面应力集中和断层带构造应力的影响，靠近煤层顶板一侧巷道围岩变形较实体煤一侧严重，回采巷道围岩呈现非对称变形。在工作面采动支承压力影响下，巷道围岩变形进一步加剧，回采巷道出现不同程度的底鼓。
　　1）锚杆支护通过对抑制围岩破碎区及塑性区的发展，从而控制了巷道围岩的最终变形和破坏。
　　2）针对回采巷道非对称变形和破坏的特点，为提高巷道围岩的整体性，决定采用关键部位非均匀支护技术。即：①采用“锚杆锚索耦合支护，提高整体性，增加围岩强度。②采用锚杆、锚索对破坏关键部位加强耦合支护，消除层间剪切滑移变形，同时通过调动深部围岩强度，减少顶板垂直应力作用在底板的应力集中程度。
　　3）采用水力膨胀锚杆这类特殊锚杆进行底板支护，阻止底板浅部塑性区发展，阻止底板岩体塑性流动，减少顶板、两帮下沉，进而控制采动支承压力作用下回采巷道的剧烈底鼓。
　　4）利用锚杆、锚索和水力膨胀锚杆等对产生差异性变形破坏的关键部位进行耦合支护，使支护体与围岩之间变形协调，实现支护一体化、荷载均匀化的同时，再通过采用U型钢架棚联合支护，达到巷道稳定的目的。
　　4回采巷道的支护参数
　　为了充分考虑梅河四井的具体情况，在理论计算的基础上，通过建立数值计算模型并赋予梅河四井围岩力学参数。通过理论计算和数值模拟得到梅河四井回采巷道的合理支护参数如下：
　　1）高强锚杆、锚索支护参数
　　设计巷道顶板和两帮均采用直径为22mm，长度为2400mm的左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆；靠近顶板和底板一侧锚杆间距为550mm，靠近煤层一侧锚杆间距为700mm，顶帮锚杆排距均为700mm；顶板和两帮锚杆采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2335一支、Z2360一支；巷道全断面铺设菱形金属网，网片搭接100mm，每隔200mm联网2道。为改善杆体受力条件，托盘与螺母之间增加半球形垫圈和减摩垫圈。预紧力及锚杆附件参照大巷支护要求。
　　锚索直径为17.8mm，长度为7300mm；锚索排距为700mm，布置在每两排锚杆之间；采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2335一支、Z2360三支。
　　巷道锚杆、锚索支护参数见表1所示，
　　表1锚杆、锚索支护参数
　　支护材料 锚固方式 长度
　　/mm 直径
　　/mm 间排距
　　/mm
　　 顶、帮锚杆 树脂锚固 2400 22 左帮
　　550×700
　　右帮
　　700×700
　　 底板锚杆 水力膨胀 2400  750×700
　　锚索 树脂锚固 7300 17.8 
　　巷道支护断面如图1所示，图中实线所示为高强螺纹钢锚杆和锚索，单位：mm。
　　图1锚杆、锚索支护断面图
　　2）U型钢架棚支护参数
　　巷道采用锚杆、锚索支护的同时，采用U型钢架棚加强支护。U型钢采用4m×3节U40型钢棚；U型钢棚架设排距为700mm，即在每两排锚杆之间架设一排U型钢棚。U型钢架棚支护参数见表2所示。
　　表2U型钢架棚加强支护参数
　　型号 形状 每排棚数
　　/架 排距
　　/mm
　　40U 马蹄形 3 700
　　架设U型钢棚后，必须用矸石袋将棚子后面背实，提高U型钢棚的均匀承载能力。
　　3）底板水力膨胀锚杆支护参数
　　巷道底板采用水力膨胀锚杆进行加固，水力膨胀锚杆长度为2400mm，锚杆间排距为750×700mm。底板锚杆支护如图1所示，图中底板所示锚杆为水力膨胀锚杆，单位mm。
　　5结论
　　1）针对回采巷道非对称变形和破坏的特点，提出采用关键部位非均匀支护技术。即：①采用“锚杆锚索耦合支护，提高整体性，增加围岩强度。②采用锚杆、锚索对破坏关键部位加强耦合支护，消除层间剪切滑移变形，同时通过调动深部围岩强度，减少顶板垂直应力作用在底板的应力集中程度。
　　2）针对回采巷道受采动影响容易产生底鼓的现象，决定采用水力膨胀锚杆进行底板支护，阻止底板浅部塑性区发展以及底板岩体的塑性流动，减少顶板、两帮下沉，进而控制采动支承压力作用下回采巷道的剧烈底鼓。
　　3）确定巷道的支护参数为：巷道顶板和两帮均采用直径为22mm，长度为2400mm的左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆；左帮锚杆间排距为550×700mm，右帮锚杆间排距为700×700mm，顶板和两帮锚杆均采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2335一支、Z2360一支。锚索直径为17.8mm，长度为7300mm；锚索间排距为700×700mm，采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2335一支、Z2360三支。底板水力膨胀锚杆长度为2400mm，间排距为750×700mm。
　　4）节约大量成本。按照设计走向长度900m计算，新的支护方案与原有支护方案相比，可以直接节省材料及人工费用约1000多万元，间接节约600多万元，共计人民币1600多万元。
　　参考文献：
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