1、专题部分厚煤层回采巷道支护技术研究摘要：在煤矿井巷中，回采巷道的长度约占整个矿井巷道长度的70左右，随着综采技术的不断发展，回采巷道长度不断扩大，特别是机轨合一巷的应用，使得巷道断面逐渐增大，回采巷道矿压显现非常剧烈，巷道破坏愈加严重。因此，找到矿压显现规律，进行有效的支护，将对维护巷道稳定和 保证矿井的正常生产起到重要作用。本文采用FLAC元法进行了支护优化的 数值模拟研究, 研究了工字钢、锚杆、锚索等不同支护形式对软弱厚煤顶板围岩变形、应力分布、塑性区发展破坏等的影响。给出了采用锚索与锚梁网支护软厚煤顶板的优化支护参数,应用证实了其可行性。关键词：厚煤顶板; 支护优化; 数值模拟; 锚索0
2、 引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000k了，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上，而缓倾斜厚煤层煤炭产量又占我国总产量的40%以上，我国很多矿区赋存有3. 56. 0m厚的煤层，这类煤层在邢台、开滦、徐州、充
3、州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，建设高产高效矿井，提高企业经济效益己成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。我国在引进国外大采高装备技术后，综采工作面日产量可达万吨，取得了举世瞩目的成绩。据目前国内外开采技术的发展，大采高综采是指采高在3.56.0m，工作面使用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架(支架工作阻力、单架支护面积和支架支撑高度大)控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋于大型化、重型化和自动化，其特点是技
4、术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率高。对于煤层倾角小于30的厚煤层(3.56.0m)开采，大采高综采与综采采煤法相比，具有下列优点:煤炭资源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出安全性好;对于34m不适宜综采开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。大采高综采与分层开采相比，具有下列优点:工作面生产能力大，有利于合理集中生产;回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低;回采工艺和巷道布置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间;节省材料(人工假顶材料等)和回采成本低等。高产高效大采高综采生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国内外厚煤
5、层(3.56.0m)开采技术的主要发展方向之一，其优势使得在国内外被广泛采用。但是，经过矿山实践和许多专家、学者多年的现场观测及理论研究发现，大采高综采与一般综采(采高3. 5m)相比，这种新的回采工艺工作面内支架围岩系统稳定性差、事故率高，尤其严重的是高架(大采高支架的简称)稳定性事故率高达19%以上，远高于一般采高综采面，高架的咬架、倒架事故直接引发的顶板事故及调整支架的难度、材料和工时的消耗，严重制约了大采高综采效能的发挥。采场支承压力是引起矿山压力显现的重要组成部分，其对开采煤层、顶底板及其作用范围内的煤岩层会产生很大的影响。在支承压力作用下，工作面煤壁前方煤层发生压缩和破坏，相应的部
6、位易出现顶底板相对移动以及支架受力变形等支承压力的显现，主要表现有：回采工作面煤壁片塌、冒顶和底鼓;冲击地压和煤层突出;超前巷道两帮煤壁压缩和片塌。煤层上方若赋存有坚硬岩层，大采高采场垮落的直接顶岩石往往不能填满采空区，而在坚硬岩层下方出现较大的自由空间，折断后的老顶岩梁难以形成“砌体梁”式的平衡，在其回转运动的过程中，工作面前方的煤体内形成较高的支承压力，并在工作面引起强烈的周期来压。因此，大采高采场老顶来压更为剧烈、局部冒顶和煤壁片帮现象更为严重，支架冲击载荷更为突出，这些都是影响高产高效大采高综采工作面机械化水平的重要因素。回采工作面是地下移动的工作空间，为了保证生产工作的正常进行与矿工
7、的安全，必须对它进行维护。然而回采工作面的矿山压力显现又决定于回采工作面周围所处的围岩和开采条件。因此，为了确保回采工作面空间的安全，必须对回采工作面形成的矿山压力显现加以控制。控制采场矿山压力的基本手段之一是回采工作面液压支架，其是平衡回采工作面顶板压力的一种构筑物，通过液压支架直接地支护直接顶，从而间接地对老顶的活动起一定的控制作用。采用综放工艺时, 回采巷道不再沿 用分层开采沿顶板掘进的布巷方式, 在倾斜煤层 中, 为便于一次采全高并提高回采率, 降低回采工 作面坡度、提高支架稳定性, 必然采用机巷沿顶、风 巷沿底掘进的布巷方式。然而, 如何经济有效地维 护沿软厚煤层底板掘进巷道的稳定性
8、成为支护设 计优化必须解决的问题。1 国内外研究现状1.1回采巷道支护技术现状1.1.1国外现状1联 邦 德 国主要用u型钢可缩性支架支 护 网 采 巷遗，占90%以上 。联邦薄国锚杆支护所 占比倒很小。只是在围岩移近率小于15%时采用。采 用树脂 锚杆，全长锚固，用拱形断面及早期承载巷旁充填条件。锚 杆支护设采用节理体或裂隙体理 论。设计原则是预计围岩移近量应少于临界移近量。为适应围岩大变形量，研制可伸长锚杆。其技术途径有二：一种用奥式体钢制造拉伸锚杆；另一研制各种滑动锚杆，伸长量达50%，剪切行程32cm。联德国的煤岩体加固技术(包括材科和配套设备)较成热，1937年拜尔发明的聚氨酯加固剂
9、至今被广泛应用，年用 量达1.6万吨。2波 兰井工开采深度大，巷道压力大，主要采用v型钢可伸缩支架。V型 钢系列有21、25、29，36和44 kgm波兰重视v型钢支架的研究，研制出非封闭式与封闭式、对称 式与非对称式，一般型与重型支架形式20多种，用于不同地质条件。波兰采矿研究总院有立式成组巷道支架试验台，有效空10x8.46.9m (长x宽x高)，总重量380t。波兰根据巷道围岩稳定性指数Sg，将围岩分为稳定、较稳定，能自稳，不稳定和极不稳定5类。他们认为，适当加大留巷的掘进断面，应用高工作阻力拱形可伸缩支架，改善巷旁支护与解决巷道与采空区之间的隔离问题是采用无煤拄护巷的有效途径。3法 国
10、煤巷都用掘进机掘进，平均断面15。金属可缩性支架占70%，其 中TH型钢支架占可缩性支架90。根据经验确定支护参数。 随着采煤工作面的推进，巷道支架多用单体支柱加强，允 许支架有较大的变形。支架一般不复用。法国锚杆支护多用于岩巷，且只有在均质、稳定顶板的煤巷中使用。锚杆设计考虑了上覆岩层的特性，直接定的特性，地质构造，上下采区的影响，对巷道围岩表面几米内窥镜观察结果。经常监测围岩的变形，仅在服务年限短的巷道使用锚杆，多数是锚杆与支架联合支护。4英 国英国主要用TH型钢支架支护巷 道，锚杆作辅支护手段，拱形支架与锚杆联合使用，效果良好。锚杆种类有管缝式、椭圆形式和涨壳式等形式。英国在围岩加固技术
11、方面做了3项工作：用注浆加固岩体，增加其自撑 能力用发泡水泥等材料进行支架壁后充填用锚杆加强TH型钢支架支护。5苏联苏联采准巷道主要用金属可缩性支架支护。1953年研制出异形 u型钢，19561973年问 又研 制出同形u型钢。U18A，B，U28A，B，U14，U17，U19、U22，U27和U33等系列u型钢。优先选用拱可缩 性支架。在煤层掘进 的无需挑顶的巷道内，采用平顶形可缩性支架，其维修量比拱形支架更少 。支 护形式有梯形，桶形，梯矩形，半拱形等。苏联无煤柱护巷约占一半。巷内支护基本形式是非封闭式和封闭式可缩性支架，辅以支柱，底梁，抬棚，支柱“穿鞋”等手段加强。巷旁支护有木垛，矸石带
12、，墩柱，排柱，磷石膏浇注带，钢筋，凝土板，填石术垛等。 为降低支架金属重量，研制高强度低合金钢(20F2AIIC)，其支架SGT5钢支架轻119。 锚杆主要用于回采巷道加固。在困难条件下采用联合支护，如锚杆同木支架，金属拱形支架，整体浇注混凝土支架等联合支护 。在埋深大的巷道被认为是最有前途的支护形式。还研制适用于大变形巷道的挤压滑动式，摩擦滑动式 等可拉伸锚杆。苏联研究加固巷道围岩认为，加固浆液 渗入裂隙后可将断裂的岩块固结成坚硬整体外壳，可提高围岩的稳定性。6美 国多年来，美国一直沿用房柱式连续采煤机开采工艺，所有巷道顶板都用锚杆支护。近些年发展长壁采煤，全国有100多个长壁工作 面一般上
13、下顺槽各3条巷道，全部用锚杆支护。根据地质条件及巷道断面大小和现场试验，用计算机确定锚杆结构和支护参数。在顶板稳定，直接顶为完整砂岩或石灰岩时，美国矿业局规定必须采用锚杆支护。一般用便宜的涨壳式锚杆，间距、排距及空顶面可大些。顶板为页岩、砂岩互层，层理、节理不十分发育时，多采用树脂单体锚杆 。在顶板层理，节理较发育，或断层破碎带时，采用钢带组合锚杆。若顶板破碎漏矸，则先铺金属网后安锚杆。在顶板水平拉应力大、裂隙多的条件下，采用普通桁架式锚杆。近几年来，成功地研制几种重型桁架锚杆，用于较差顶板，巷道交岔点，受多层煤采动影响的巷道桁架间距约112m。每架有两根斜向煤柱约45度的 锚杆，锚 杆孔底进
14、入煤柱大于15cm。回采工作面支承压力不明显时上下顺槽无需超前加强支护，支承压力明显，可超前工作面1O20m加强支护。一般顺槽围岩变形不 大，行人，通风、 运输畅通，工作面端头状况良好。1.1.2国内现状为了使矿井保持正常生产，每年维护和新掘大量的巷道，其中占比倒最大的是回采巷道。近十年来尽管由于工作面平均长度增加以及无煤柱护巷的推广，特别是沿空留巷等的应用，使回采巷道万 吨掘进率由1177m降到825m，即大约降低了30%，然而回采巷 道占年总进尺的比重并未发生明显变化，即基本上保持在60%上下。从 绝对值来看，仅我国统配煤矿总公司所属矿井每年就要掘进回采巷道4000余公里，如考虑其它地区及
15、小煤矿，则全国每年所掘回采巷道可接近一万公里。我国煤矿回采巷道支护改革的任务。根据统配煤矿总公司提出的在全面实现回采工作面支护手段更新换代的同 时，把支改革的重点转向巷道的要求，我国八五间支护工 作的奋斗目标是：1、进一步降低煤炭系统的坑木消耗。为此应广泛采用各种巷道非木支护。2继续 广泛应用光爆锚喷支护。3、在条件适宜的煤巷、半煤岩巷中，其中括受采动影响的回采巷道中推广锚杆支护。4、大力发展巷道金属支护。5、有条件的矿井应充分利用本地区拥有的材料资源，在回采巷遭中应用其它材料的非木支护 ，以代替我国资源贫乏的木材和供不应求的钢材。1.1.3回采巷道支护技术发展趋势根据我国国情，借鉴外国经验，
16、我国回采巷道支护可采取u型钢可缩性支架 、工字钢可缩性支架和锚杆支架并存的方式。从技术上看，约有13回采巷道可采用锚杆支护，而且我国有长期使用锚 杆的实践，每年岩巷锚喷1000km，开采深度平均不足500m，约有72煤 炭产量出自薄及中厚煤层，这是我国推广锚杆支护的有利条件。2 厚煤层回采巷道围岩控制2.1顶煤破碎机理与运移规律顶煤开采的实质是实现工作面煤炭和顶部煤炭同时采出，顶部煤炭的开采是依靠矿山压力作用，使其自行破碎与冒落，且自行流动与放出。顶煤的变形与破碎是一个十分复杂的过程，在支架与顶板所组成的系统中，支架通过顶煤对顶板实施控制，同时顶板的压力通过顶煤传递到支架上，顶煤在传递力的过程中也要发生移动，变形，破碎，冒落和放出，因此顶煤起到了一种媒介作用。2.2回采工作面周围支撑压力分布煤层开采过程破坏了了原
