急倾斜煤层开采一直是煤炭采矿技术研究的一个重要课题, 长期以来, 大量专家学者对此作出了许多研究, 并取得了一些令人满意的成果。在实际煤炭开采过程中由于急倾斜煤层开采地质条件的特殊性构筑完善可靠的支护方案仍然是此类煤炭矿井改善其开采技术经济面貌的重要举措。从大量工程实际支护效果来看, 锚杆 (索) 支护在巷道实际加固支护中发挥出较为优良的应用效果。锚杆 (索) 支护技术不仅可以强化开采巷道周围围岩强度, 增强围岩综合稳定性能;同时锚杆 (索) 支护技术还具有综合投资较低、成巷速度较快、开采巷道维护返修量小、增加开采巷道断面利用效率等优点, 被广泛作为矿井开采巷道修复加固支护的一种主要技术措施[1]。
1 急倾斜煤层开采巷道变形与破坏特征机理分析
在急倾斜煤层中, 由于在原煤层应力场相互作用下, 耐压强度相对较低的煤层会在上部煤层的自重应力叠加破坏力作用下, 向下和向侧面发生拉伸破坏作用。当外部作用力达到煤层耐压极限时, 在煤层局部薄弱地方还会出现剪切破坏作用。急倾斜煤层在自重作用下有沿着强度较低的薄弱煤层下滑倾斜趋势, 相应煤层岩体就会发生沿薄弱煤层的“错动”发生变形破坏沿煤层薄弱部位逐步形成一个破碎带, 这就是造成急倾斜煤层后期开采施工困难甚至发生矿井冒顶的主要原因。急倾斜煤层开采巷道破碎围岩发生变形和破坏现象时, 其主要表现出非对称性, 经大量研究和工程实践发现, 此类非对称性主要与煤层的倾角、煤层巷道围岩强度、以及急倾斜煤层开采巷道中薄弱层所处的结构位置等因素有关。
2 急倾斜煤层破碎围岩巷道综合支护原则
从上分析可知, 导致急倾斜煤层开采巷道破碎围岩发生变形和破坏的影响因素较多, 其表现出非对称特性, 因此, 在制定综合支护方案措施时, 应充分结合急倾斜破碎煤层巷道现有支护设施和巷道变形破坏实际情况, 根据不同破坏类型采取不同支护加固技术方法。在急倾斜煤层破碎围岩巷道综合支护措施方案制定时, 应该满足以下多个原则。
(1) 按照开采巷道路径, 由外向里, 从易到难, 制定逐段支护加固方案。
(2) 在加固巷道破碎围岩时, 按先内后面进行全面修复加固, 即先采取注浆手段加固巷道深部破碎围岩, 在围岩强度得到提高后, 再加固围岩外部砌碹体。
(3) 在对巷道顶部进行支护时, 应先加固巷道两帮后, 再对顶部进行修复支护控制。
从大量工程实例来看, 由于受传统巷道支护理念的制约, 很多煤矿矿井开采巷道在进行修复支护时, 一般只重视巷道顶部的局部支护, 而忽略了巷道两帮的支护, 这样从表面看好像已经对巷道顶部进行支护控制, 但是随着巷道运行时间的加长, 巷道顶部潜在的危害岩体会逐步扩大到极限自稳隐形拱部位, 可能给整个巷道带来巨大破坏, 直接威胁到整个矿井开采巷道的安全性能。
(4) 制定合理锚喷支护设计方案, 并按标本兼治主动修复支护模式进行巷道加固处理。
对于急倾斜煤层破碎围岩巷道的加固支护, 常规的被动支护不能对巷道两帮及顶部进行完善系统的主动修复加固, 随着巷道使用时间的加长, 巷道破碎岩体就会演变成极限隐形拱, 从而导致巷道被动支护设施出现性能减弱甚至失效等危险情况发生[2]。
(5) 充分结合巷道原有支护设施构筑联合支护体系, 减少修复加固支护过程中的外部扰动。
(6) 采取分区分段逐步支护措施, 按分部施工、总体控制目标推动整个加固支护工程高效稳定的施工。
3 急倾斜煤层破碎围岩巷道综合支护措施方案
在制定急倾斜煤层破碎围岩巷道综合支护措施方案时, 首先应该对整个巷道的实际情况进行充分分析研究, 在掌握巷道变形破坏的主要机理和可能存在的安全隐患后, 结合破碎围岩巷道综合加固修复支护目标原则, 制定科学合理的完善支护加固修复方案, 保障整个支护工程高效稳定的有序进行。
3.1 巷道两帮部加固支护处理
3.1.1 结实帮部加固支护
急倾斜煤层开采巷道虽然随煤炭开采不断进行, 其围岩结构体变得比较破碎, 但从整体来看, 原有支护支架等加固体已和巷道围岩体间有了非常紧密的接触联系整个巷道帮部依然可以看成是一个完整整体。在修复加固支护过程中, 清除掉巷道内原有的任何支护结构体 (包括巷道内破碎围岩体) 均会在施工过程中对破碎围岩带来新的外力扰动, 非常不利于巷道的整体安全高效修复加固支护处理。因此, 在巷道支护方案设计和实际施工过程中, 应将巷道破碎围岩与原有支护设施看成一个“待加固支护”整体, 然后采用巷道支护工程中常用的锚网加固技术对整个巷道体进行系统完善加固支护处理[3]。
3.1.2 破碎帮部加固支护
在急倾斜煤层煤炭开采掘进过程中, 开采巷道的围岩体均会受到不同程度的变形破坏, 尤其是一些薄弱部分其破坏十分严重, 从而引起巷道帮部出现深度较深面积较广的破坏, 使其变成松散状。对于这些表现为松散状的帮部围岩应采取深部注浆加固方案, 提高其综合强度。在对破碎帮部进行加固处理时, 原则上不应将帮部碎岩屑进行剥离, 而应想办法尽量维持破碎围岩原有的结构状态, 从而提高巷道帮部综合作用强度。在对破碎帮部进行修复加固支护处理时, 首先用铺网与围岩原支护体进行有机互联起来, 在加固锚杆长度可及范围内, 用具有加固作用的锚固钢筋锚杆对破碎围岩原有加固支护体进行修复加固;然后在松散式围岩体处打注浆式锚杆, 利用注浆和充填加固手段提高破碎围岩深部强度;接着对加固后的围岩体上钢筋梁, 并在1~2小时后对加固钢筋锚杆施加预应力, 同样24小时对注浆锚杆施加加预应力, 以提高整个加固支护综合效果;最后采取喷浆对整个加固支护后的破碎围岩进行封闭处理。
3.2 顶部处理
当急倾斜煤层破碎围岩巷道帮部修复加固支护处理妥善后, 按照分部施工、总体控制原则, 加固已加固处理帮部一侧的巷道顶部, 对一半巷道进行快速完善的加固处理, 利用一半的稳固作用力, 缩小加固施工过程中巷道顶部的不稳定面。首选选取稳定性能较强的一半顶部, 采取加网打锚杆加固手段。锚杆通常按间距为700mm, 排距为800mm进行均匀布置;对于空顶距离小于800m的部分采用锚网支护措施。
如果在巷道加固支护施工过程中, 遇到需要开帮加固处理的高冒区时, 应首先对巷道顶板上己经脱离的破碎体在确保施工安全的条件下进行放落清理处理, 然后按“自上而下、先顶后帮”的加固支护原则进行锚喷网综合修复支护处理, 彻底清除巷道内部存在隐患, 加固整个破碎围岩, 保证整个加固支护施工快速、高效、高质的稳定进行。
摘要：在对急倾斜煤层开采巷道变形与破坏特征机理进行归纳分析后, 结合巷道综合支护原则, 对急倾斜煤层开采巷道两帮部及顶部综合加固支护处理技术措施进行详细分析研究。
关键词：急倾斜煤层,开采巷道,支护加固技术措施
参考文献
[1] 石平五.西部煤矿岩层控制泛述[J].矿山压力与顶板管理, 2002 (l) :6～8.
[2] 何满潮, 袁和生, 靖洪文.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004.
[3] 倪红梅.数值模拟锚杆参数对支护结构水平位移的影响[J].煤炭工程, 2007 (2) :88～90.