福建省漳平煤礦復(fù)雜煤層礦壓顯現(xiàn)與控制研究

福建省漳平煤礦復(fù)雜煤層礦壓顯現(xiàn)與控制研究

0巷道支護情況福建漳平煤礦是全省唯一的煙煤基地。該煤礦的主采井為文斌山井，年設(shè)計能力為l5萬噸。主采層為三疊系c型思維田組的下段d煤組。該礦井地壓之大、巷道變形破壞之嚴(yán)重在我省是罕見的。1979年基建施工的主、副暗斜井、主井絞車房、主副井上部車場等巷道混凝土、料石碹發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞。+410md5順槽，采用木支護，巷道掘出月余就要翻修，70多m長的巷道支架大部分損壞，巷道凈斷面由4.0m2壓縮至1.7m2，斷面收縮率高達57.5%，曾先后進行3次翻修，僅僅3個月，坑木耗達到1.15m3/m，耗費了相當(dāng)大的人力、物力和財力。為了摸清該礦礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，尋求有效的支護形式，該礦與山東礦業(yè)學(xué)院和福建省煤炭科研所于1987年初開始聯(lián)合進行《構(gòu)造復(fù)雜煤層礦壓顯現(xiàn)與控制》的課題研究。經(jīng)過兩年工作，實地觀測支架荷載、研究巷道破壞情況、分析地應(yīng)力作用影響、試驗改進巷道維護方案，初步得出構(gòu)造復(fù)雜煤層礦壓顯現(xiàn)與控制的方法，為該礦類型煤層巷道支護改革提供依據(jù)。該礦針對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，堅持多年進行巷道支護改革，終于控制了巷道的變形破壞，有效地維護了巷道，確保了生產(chǎn)的安全順利進行，取得科研與生產(chǎn)、效益3豐收。經(jīng)過長期實踐，證明該礦的巷道支護改革是成功的，值得總結(jié)，以利于在類似巷道的支護中得到推廣應(yīng)用。1巷道變形破壞特征該礦井巷道掘成之后就承受圍巖壓力的作用，在未受到采動影響的情況下，短時間內(nèi)巷道即明顯地出現(xiàn)變形破壞，極形象地反映出地應(yīng)力作用的效果。通過研究分析礦井巷道支護變形破壞存在以下規(guī)律：1.1不同車道的防護結(jié)構(gòu)造成的變形和破壞1.1.1要更換掘出月余支架由于地壓大，加之木材強度低，因而支架損壞率極大，巷道掘出月余支架就要更換。支架破壞類型以+380m背斜軸部巷道為例，支架破壞以折腿為主，占30·4%，如加上斷梁折腿則占損壞支架的73.9%（圖1）。1.1.2巷道圍巖破壞類型開拓巷道主要采用料石砌碹支護，料石砌體雖然強度大，但在巨大壓力作用下依然遭受變形破壞，其破壞類型為：巷道斷面形狀呈尖桃形，砌體在拱頂和直墻部分發(fā)生錯動開裂，裂縫方向沿巷道軸線方向延伸，并伴隨著發(fā)生底臌（圖2）。1.1.3尖桃狀，解桃狀采區(qū)運輸平巷曾試用金屬拱形支架，受力后支架變形呈尖桃狀，發(fā)生歪斜和扭偏（圖3）。從3種典型地段不同支護材料的變形破壞上可以知道，巷道支架變形破壞主要是受側(cè)壓力的作用，該壓力來自構(gòu)造應(yīng)力。1.1.4推出大量煤炭其坍塌高度一般達3～l0m，寬2～3m，并側(cè)推出大量煤炭（每次數(shù)十至上百t）（圖4），煤層及圍巖變得非常松碎，惡化工作條件，掘進和維護困難。這種動力現(xiàn)象的產(chǎn)生是地應(yīng)力作用的結(jié)果。1.2不適應(yīng)地應(yīng)力的巷道支護該礦井巷道除承受常見的垂直壓力外（巖石重量，即拱形巖石壓力），還要承受水平方向的側(cè)壓力，而且水平壓力大于垂直壓力，但巷道支護方法是按照普通的垂直壓力設(shè)計的，因而不適應(yīng)地應(yīng)力的作用，這就是產(chǎn)生巷道變形的癥結(jié)所在。1.3繩道逆差與主應(yīng)力下降的原因從該礦井巷道支護變形破壞的研究資料中可以看出，不同方向的巷道其變形破壞有很大的差異，如主井繩道開掘之后返修了3次還難以維護，究其原因，即是繩道的方位正處于與地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向近于垂直的部位。而凈斷面11.4m2、長22m的變電所近于平行地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向，因而完整穩(wěn)定。1.4道底板底量受構(gòu)造應(yīng)力的明顯作用，巷道和硐室都出現(xiàn)底臌（巷道底板呈扇錐形凸起）。底臌量一般0.3～0.6m，最大0.85m。沿煤層布置的順槽或在構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的巷道，在服務(wù)期間一般要進行2～4次臥底。1.5巷道圍巖殘余應(yīng)力穩(wěn)定煤層礦井中的巷道一般開挖之后，經(jīng)月余其承受的壓力及圍巖變形便趨于穩(wěn)定；在松軟巖層中巷道支架在第一個月內(nèi)壓力及圍巖變形增長速度較快，第三個月之后其增長漸趨緩慢。但該礦井為構(gòu)造復(fù)雜煤層，巷道地壓顯現(xiàn)不同于上述情況，如斜井車場巷道開挖支護已有4～5a，礦壓顯現(xiàn)依然劇烈，+410m背斜軸部巷道掘出2a未受采動影響，其殘余應(yīng)力仍然很大（支架載荷l3t），充分顯示地應(yīng)力的時間效應(yīng)，這是構(gòu)造復(fù)雜煤層巷道支護所具有的特殊性。巷道支護受力產(chǎn)生變形破壞既是地應(yīng)力作用的結(jié)果，又從側(cè)面反映出地應(yīng)力作用的特點，因此了解巷道支護變形破壞的規(guī)律，對改進構(gòu)造復(fù)雜煤層巷道布置和掘進施工方法具有一定的指導(dǎo)意義。2支護方式及支護效果該礦井在對巷道地壓進行實地觀測，充分認識和掌握了巷道地壓顯現(xiàn)的規(guī)律，為支護改革提供了比較充分的科學(xué)依據(jù)，針對不同類型巷道及其礦壓特點合理布置巷道，選擇了工字鋼、U型鋼可縮性支架、錨噴、讓壓錨桿、防腐坑木、木磚料石、前探梁、無腿棚等不同支護方式，有效地解決了支護難題，取得了較好的經(jīng)濟效益。2.1可收縮金屬支架2.1.1直空間支架情況該礦與北京煤科總院開采所進行技術(shù)合作，首先將U型鋼可縮性支架應(yīng)用于礦壓顯現(xiàn)劇烈的文賓山+410m背斜軸部運輸巷，該巷道長度約210m，架設(shè)25U型鋼對稱直腿三節(jié)式半圓拱結(jié)構(gòu)的6YG-3型支架270架，支架間距0.78～0.8m，架設(shè)支架時在其腿下預(yù)埋0.1m×0.1m×0.05m的鐵板以增加架腿接觸面積，架間用雙槽形夾板連接件連接，以提高支架的整體性和穩(wěn)定性。頂板和兩幫用木板背實。據(jù)觀測：支架最大載荷l3.5t，最小1.0t，平均6.0t。巷道開拓l8個月后實測資料統(tǒng)計，煤層段支架下沉260mm，巖層段支架下沉70mm。但金屬支架經(jīng)受了考驗，巷道基本滿足了通風(fēng)和運輸?shù)囊?，這是其它支護方式所不能及的。2.1.2鋼加工巷道支護垂直可縮性梯形支架（圖5a）采用11號工字鋼加工，主要應(yīng)用于圍巖中等穩(wěn)定，底臌和圍巖變形量不太大（相對移近量小于450mm左右），頂壓較大，側(cè)壓較小，斷面小于8m2的巷道支護。2.1.3半礦大模式分析金屬支架的主要架型見圖5.拱梯形可縮性支架（圖5b）拱梯形可縮性支架既具有梯形支架斷面利用率高、接頂好等優(yōu)點，又具有拱形支架承載能力較高，水平方向可縮性能好等優(yōu)點，主要應(yīng)用于圍巖松軟、破碎、側(cè)壓大，圍巖移近量在700～800mm之間的巷道支護。半圓拱可縮性支架（圖5c）主要應(yīng)用于圍巖松軟、破碎、側(cè)壓大、圍巖移近量在800～950mm之間的巷道支護。以上3種支架分別在文賓山+4l0m、+395m運巷、+380m北運巷、五號井f2北運巷等不同地質(zhì)條件巷道使用，從使用情況看，500多m支架基本完好，未發(fā)現(xiàn)較大的變形和破壞。該礦井共使用金屬支架2260架，支護巷道長度2052m，大大改善了井下圍巖壓力大的巷道支護狀況，基本上解決了構(gòu)造復(fù)雜地層巷道支護的一大難題，節(jié)約巷道維護費用30多萬元；原煤坑木耗從1985年的4l3m3/萬t降至1997年的85m3/萬t。2.2動壓巷道錨桿發(fā)展現(xiàn)狀該礦井從80年代末開始，積極推廣使用錨噴支護。先從石門、底板巖巷、上下山等圍巖比較穩(wěn)定的巷道逐步發(fā)展到動壓巷道，錨桿品種由一般鋼筋、鋼絲繩錨桿，發(fā)展到可延性讓壓錨桿。該礦井采用錨噴支護巷道長度8683m。與以往采用料石和混凝土砌碹相比平均每m可節(jié)省費用162元，共計140萬元。2.3其他地點的簡介漳平煤礦生產(chǎn)礦井有的巷道由于受地溫較高、濕度較大、通風(fēng)效果不好的影響，坑木腐爛得很快，如五號井使用8個月就開始發(fā)霉、長白菇、腐爛損壞，需要更換；文賓山井+460m回風(fēng)巷木支架使用期只有4個月，其他地點為6至8個月。為了解決防腐坑木問題，該礦于1988年從永安礦務(wù)局引進GZH-200型移動防腐坑木車，使用CCA防腐劑進行坑木防腐。l988年該礦首次在井下使用防腐坑木158m3，經(jīng)過多年使用，完好無損，未發(fā)現(xiàn)發(fā)霉、長白菇、腐爛等現(xiàn)象，使用壽命可提高至8a以上。據(jù)統(tǒng)計，頭4a該礦共使用防腐坑木2560m3，大大降低了巷道維護量和坑木消耗，節(jié)約坑木1660m3。隨著時間的推移，其發(fā)揮的經(jīng)濟效益愈來愈大，該礦累計節(jié)約坑木l2000m3，節(jié)約資金672萬元。該礦防腐坑木的應(yīng)用還從井下擴展到地面建筑，如維修舊房和新建工程的木料（瓦條、屋面板、門框等）基本上都有經(jīng)過防腐處理。3礦壓現(xiàn)存規(guī)律研究和技術(shù)革新精神相結(jié)合筆者于80年代末至90年代初