单一中厚煤层沿空留巷巷修工艺及支护方案研究.pdf

732019 年第 9 期 收稿日期 2019-04-11 作者简介 郭贡献（1985-），男，河南永城人，助理工程师， 2008 年毕业于中国矿业大学，现从事煤炭开采工作。 单一中厚煤层沿空留巷巷修工艺及支护方案研究 郭贡献 （河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600） 摘 要 沿空留巷技术推广过程中部分留巷变形严重，无法继续为下一个工作面服务。通过对留巷工作面侧巷帮采用掘 进机扩帮、全断面拉底维修，满足了巷道回采需要，缓解了矿井采掘接续紧张问题，为切顶沿空留巷巷道快速维修提供了 借鉴。 关键词 煤层 巷道 维修 支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.09.028 Study on Repair Technology and Support Scheme of Gob-side Retaining Roadway in Single Medium-thick Coal Seam Guo Gong-xian Chensilou Coal Mine, Yongcheng Coal and Electricity Group Co., Ltd., Henan Energy and Chemical Industry Group, Henan Yongcheng 476600 Abstract During the popularization of gob-side entry retaining technology, some of the gob-side retaining roadways are seriously deed and cannot continue to serve the next working face. By using roadheader to expand the sides of roadway and carrying out bottom-drawing maintenance on the full section, it can meet the needs of roadway stoping and relieve the tension of mining continuity, which provides a reference for the rapid maintenance of retained roadway along the goaf with roof cutting. Key words coal seam roadway repair support 陈四楼煤矿目前已开采 22 年，采掘接续问题 逐渐显现。目前，沿空留巷技术成为解决矿井采掘 接续矛盾的关键环节。在沿空留巷过程中，由于受 深部厚层软弱复合顶板影响，一些采用沿空留巷技 术的巷道没有取得预期的效果，留巷变形严重，无 法满足回采要求，需要进行巷道维修施工后方可投 入使用。 2802下顺槽 （巷修） 通过一系列的工艺创新， 采用综掘施工工艺，实现了单一中厚煤层切顶沿空 留巷巷道的快速维修，缓解了矿井采掘接续矛盾。 1 工程概况 2802 下顺槽位于陈四楼煤矿八采区，设计长度 为 1405mm。沿二 2 煤层掘进，煤层倾角 117， 平均 5，整体坡度较缓。巷道为梯形断面，巷道 规格净宽 净高 44002600mm。巷道中心净 高不低于 2.6m，底板施工成水平。2802 下顺槽沿 二2煤层掘进， 煤层最大厚度3.07m， 最小厚度1.97m， 平均厚度 2.75m。 表 1 煤层顶底板情况 顶底板 名称 岩石 类别 最小～最大岩性 顶 板 基 本 顶 平均 厚度 /m 9.71 ～ 28.86 13.28 浅灰、灰白色，颗粒为粗～细～粗 结构，成分以石英、长石为主， 泥质胶结。微斜层理发育，裂隙 充填方解石，局部泥质团块较多， 呈不规则分布。 直 接 顶 泥岩 0.43 ～ 9.58 3.84 灰～深灰色，含菱铁质及植物化 石碎片，有大量黄铁矿薄膜，局 部有较多煤屑。 底 板 直 接 底 泥岩 1.58 ～ 6.79 4.67 灰黑色，含碳化、植物根部化石 碎片，下部具层理并含粉砂岩条 带和黄铁矿薄膜。 基 本 底 细粒 砂岩 2.92 ～ 18.96 16.41 浅灰色，成分以石英、长石为主， 分选性中等～差，泥质胶结，斜 层理发育。 2802 下顺槽巷道采用锚网带支护，三排锚索梁 配合恒阻锚索加固，经切顶爆破沿空留巷后，巷道 宽度为 2.53.2m，高度为 1.42.5m。巷道左帮为留 巷侧，帮部采用张拉钢丝绳张拉支护，同时巷道采 用单体液压支柱配 3.8m 长 π 型梁加固，一梁四柱 形式，其中左帮两个单体柱并列支护，其余单体柱 间排距为 800800mm。 742019 年第 9 期 目前，2802 下顺槽断面已无法满足下一个工作 面设备安装及回采要求，需进行巷道维修，维修长 度 1150m。 图 1 2802 下顺槽翻修平面布置示意图 图 2 2802 下顺槽巷道维修前巷道断面支护示意图 2 巷修工艺 （1） 2802下顺槽自车场口开始向里进行扩帮， 扩帮长度 1150m，扩帮宽度 1.8m，扩帮后扩帮侧巷 帮与原巷道中心线距离为 2950mm，要求扩帮后巷 道宽度不低于4.2m， 不超过4.6m， 高度不低于2.7m。 扩帮前期采用人工手镐扩帮，人工将煤、矸攉至刮 板输送机上运出。 （2）自车场口向里扩帮 30m 后，在巷道内安 装一部 DSJ80/40/275 胶带输送机，同时在巷道内 安装一部掘进机及一部桥式转载机，采用掘进机截 割并自行装煤至胶带输送机上将煤运出。 （3）扩帮前，应先拆除原扩帮侧的高强锚杆、 金属网和锚索，拆除时必须自上而下进行。超前扩 帮段在原巷道顶板向测量中心线左侧偏移 710mm （1760mm）布置一排锚索梁加固，锚索梁顺巷道 方向布置，每 3 根 π 型梁使用一根锚索梁索好， 锚索梁超前加固好后，保持巷道最左侧单体液压支 柱不动，拆除其余三根单体液压支柱，然后一次扩 帮、拉底到位，巷道最左侧单体液压支柱处底板回 柱后采用人工拉底。 （4）扩帮段锚网支护后，在巷修段巷道顶板 平行钢带方向布置锚索梁加固。加固前将超前支护 的 π 型梁梁端使用 Φ6mm 钢丝绳固定在巷道顶板 上，退掉锚索锚具。在加固锚索同一断面平行于钢 带方向布置 4m 锚索梁加固，锚索梁以退锚具的锚 索为基准布置，即该锚索穿入锚索梁从左至右第三 （二）个眼内。 （5）待巷道锚索梁加固结束后，拆除巷道最 左侧单体液压支柱，回掉顶板原抬棚 π 型梁。 （6）扩帮后，使用液压剪将原支护帮锚杆、帮 锚索剪断，剪断后锚杆、锚索外露不超过 100mm。 3 支护设计 3.1 临时支护 使用轻型单体液压支柱配合 π 型梁式临时支 护形式。 （1）扩帮期间采用两组临时支护装置进行临 时支护，每组临时支护装置为两根轻型单体液压支 柱配一根 π 型梁，具体临时支护参数见图 3。 （2）临时支护装置所需供水水压计算 ① 临时支护装置需要支撑的岩石重力为 RmaxγLBH201.81.80.2314.9kN 式中 Rmax-轻型单体液压支柱需要支撑的岩石重力， kN； γ- 支撑岩石的体积力，取 20kN/m3； L- 临时支护长度，取 1.8m； B- 巷道扩帮宽度，取 1.8m； H- 冒落拱高度，m； HB/2f1.8/（24）0.23m； 其中 B- 巷道掘进宽度，1.8m； f- 岩石坚固性系数，砂质泥岩取 4.0。 ② 轻型单体液压支柱需要的供水水压为 PRmax/[nπ（d/2）2] 14.9103/[43.14（0.1/2）2]0.48MPa 式中 P- 轻型单体液压支柱需要的供水水压，MPa； n-π型梁上打设的轻型单体液压支柱根数， 4根 ； d- 轻型单体液压支柱柱体的直径，取 0.1m。 ③ 巷修工作面供水水压 P供＞ P，因此，巷修 工作面轻型单体液压支柱的供水水压能满足临时支 护使用要求。 752019 年第 9 期 图 3 2802 下顺槽扩帮前探梁临时支护三视图 3.2 支护参数设计 （1）按悬吊理论计算顶锚杆参数 ① 锚杆长度计算 LKHL1L2 式中 L- 锚杆长度，m； H- 冒落拱高度，m； HB/2f4.6/24.00.58m； 式中 B- 巷道宽度，取 4.6m； f- 岩石坚固性系数，砂质泥岩取 4.0； K- 安全系数，一般取 K2； L1- 锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取 L10.4m； L2- 锚 杆 在 巷 道 中 的 外 露 长 度， 一 般 取 L20.05m。 经计算 L1.61m。 施工时选择顶锚长度 2.2m 满足施工需要。 ② 锚杆间排距计算 α[Q/KHγ]1/2 式中 α- 锚杆间排距，m； Q- 按高强顶锚杆锚固力 Q120kN 计算； H-0.58m； K- 安全系数，一般取 K2； γ- 被悬吊岩石的体积力，γ20kN/m3。 则 α[Q/KHγ]1/22.27m。 根据以往施工经验，取 α800mm、α850mm、 α700mm，可以满足要求。 3.3 永久支护 （1）顶板支护Φ222200mm 高强锚杆 金 属网 M 钢带 ① 锚杆为 Q500MPa 高强锚杆，直径 22mm， 长度 2200mm；M 型托盘规格1509010mm； 金 属 网10002200mm， 网 格 7070mm， 用 Φ6mm 钢筋加工。 ② M 钢带根据扩帮宽度选择长度为 1.0m（眼 距 800mm）或 1.0m 以上规格的钢带搭接使用，钢 带与原巷道顶板钢带方向一致平行布置，当扩帮宽 度小于 500mm 时，钢带可平行于巷道方向布置。 ③ 每 根 Φ222200mm 高 强 锚 杆 使 用 MSCK2350 树脂锚固剂和 MSM2350 树脂锚固剂各 1 根。 ④ 锚杆排距 800mm，允许偏差 100mm。 ⑤ 顶锚杆预紧力矩不小于 250Nm，不大于 300Nm。 （2）巷帮支护Φ222200mm 高强锚杆 金 属网 M 钢带 ① 帮 锚 杆 为 Q500MPa 高 强 锚 杆， 直 径 22mm，长度 2200mm；金属网10002200mm， 网格 7070mm，网，用 6钢筋加工；M 托盘规格 为 1501508mm。 ② 扩帮侧巷帮使用1.6m、 1m长的M钢带搭接。 ③ 锚杆排距 800mm，允许偏差 100mm。 ④ 每 根 Φ222200mm 高 强 锚 杆 使 用 2 支 MSM2350 树脂锚固剂。 ⑤ 帮锚杆的预紧力矩不得小于 200Nm，不大 于 250Nm。 3.4 巷道加固 （1）扩帮前，超前扩帮段在原巷道顶板偏移 测量中心线左侧 710mm（1760mm）布置一排锚 索梁加固，锚索梁顺巷道方向布置，每 3 根 π 型 梁使用一根锚索梁索好，锚索梁梁端锚索间距为 600mm。锚索梁使用 π 型梁加工，一梁两索，长 度 2.1m，眼距 1800mm，锚索为 Φ21.68300mm 钢绞线，每根锚索配一块 909016mm 锚索托盘。 锚索梁加固超前扩帮段不小于 5m。 （2）锚索梁超前加固好后，保持巷道最左侧 单体液压支柱不动，拆除其余三根单体液压支柱， 然后一次扩帮、拉底到位。 （3）扩帮段锚网支护加固后，在巷修段巷道 顶板平行钢带方向布置锚索梁加固，锚索梁滞后迎 头的距离不超过 50m。 ① 将扩帮侧 π 型梁梁端使用 Φ6mm 钢丝绳固 （下转第 78 页） 782019 年第 9 期 定在巷道顶板上。 ② 退掉超前支护的锚索锚具，在加固锚索同 一断面平行于钢带方向布置锚索梁（12槽钢加 工，一梁四索，长度 4.0m，梁左侧三眼相邻眼距为 1050mm，右侧眼距为 1500mm）加固，锚索梁排距 为 900mm。 ③ 使用锚索为 Φ21.68300mm 钢绞线。 （4）待巷道锚索梁加固结束后，拆除巷道最 左侧单体液压支柱，回掉原抬棚顶板 π 型梁。 3.5 架棚支护 （1）回柱。巷道巷修前需要将扩帮范围内中 间和扩帮侧的单体液压支柱拆除。回柱前，必须对 扩帮段顶板进行超前加固，待巷道锚索梁加固结束 后，拆除巷道最左侧单体液压支柱，回掉顶板 π 型梁。 （2）改柱打抬棚。改柱打抬棚前，对最左侧 单体液压支柱处巷道底板人工拉底顺平，然后在巷 道内紧贴采空区侧重新布置“π 型梁 单体液压支 （上接第 75 页） （a）位移量分布 （b）最大主应力分布 （c） 最小主应力分布 图 4 支护效果分析 从图 4 中分析可知，采用联合支护技术对断层 破碎带进行支护后，巷道围岩体的总位移量明显减 小，最大位移发生在底板两角处，这是由于地应力 在巷道角部集中所造成的，掘进巷道顶板和两帮的 位移量分布较为均匀，且位移量较小，仅为 0.1m 左右。可见围岩和两帮的位移已得到有效的控制， 从最大、最小主应力分布图中可以看出，巷道的围 岩应力分布较为均匀，受力情况明显改善。从以上 分析可知，针对掘进工作面过断层破碎带提出的联 合支护技术具有较好的支护效果，可保证掘进工作 面安全顺利地通过断层。 5 结论 （1）针对新疆天富小沟矿业掘进工作面遇到 断层的情况，提出了掘进巷道过断层破碎带时采用 超前支护与台阶施工法相结合的施工技术； （2）提出采用“U 型钢网喷 钢筋混凝土衬 砌 后注浆”对断层破碎带进行永久支护，并在有 限元软件中对该支护方案的支护效果进行了分析， 效果良好。 【参考文献】 ［1］ 韩永 . 掘进工作面过断层破碎带的安全措施 [J]. 山东煤炭科技，2019（04）19-20. ［2］ 陈吉 . 掘进巷道爆破法过断层施工工艺研究应用 [J]. 山东煤炭科技，2018（07）14-15. ［3］ 高志杰 . 综采工作面过断层实践研究 [J]. 山西煤 炭管理干部学院学报，2013，26（03）34-35. ［4］ 王立峰 . 软岩巷道过断层破碎带施工技术 [J]. 建 井技术，2011，32（05）9-12. ［5］ 阳金知，汪书祺 . 掘进工作面过断层的方法 [J]. 矿业安全与环保，2003（03）66-6770. 柱”进行加固（已布置抬棚加固的不再打设）， “一 梁四柱”，单体液压支柱平行于巷道方向布置。 图 4 2802 下顺槽巷道维修后巷道断面支护示意图 4 效果 2802 下顺槽自 2018 年 8 月开始巷修，至 2019 年 1 月 17 日巷修结束，共计巷修进尺 1175.5m，巷 修时间 5.5 个月，月均巷修进尺 214m/ 月。考虑陈 （下转第 80 页） 802019 年第 9 期 锁爆炸，最大限度地减少损失。 图 2 自动隔（抑）爆装置固定和工作方式示意图 3 隔爆作用效果 3.1 有效抑制有焰燃烧 作为一种链式反应，燃料分子在有焰燃烧过程 产生的高温下被活化，有氧条件下产生了大量的自 由基或活性基因，在具有高能量的自由基传播反应 基础上，燃烧过程不间断持续进行。当超细干粉灭 火剂释放后，在常压氮气驱动下，灭火剂与火焰充 分混合，灭火组分迅速捕获燃烧中的自由基，使得 燃烧反应产生的自由基消耗速度大于产生速度，由 于缺乏燃烧所必须的活性自由基，燃烧链式反应过 程即告终止，火焰迅速熄灭。 3.2 对表面燃烧强窒息作用 在井下工作面现场，超细干粉对扑灭有焰燃烧 速率和效率明显，对固体物质的表面燃烧（阴燃） 灭火作用更为明显。当超细干粉接触到高温燃烧物 表面时，两者会发生一系列反应，在固体表面燃烧 所产生的高温作用下，燃烧的固体周围会被熔融并 形成一个玻璃状覆盖层，固体表面与周围空气被覆 盖层隔开，将燃烧窒息（如图 3）。 图 3 自动隔爆试验效果说明图 3.3 有效遮隔火焰热辐射起到冷却被保护物的作用 灭火剂释放时产生的高浓度粉末与火焰相结 合，火焰的部分热量被有效地分解吸收，而在分解 反应过程中产生的二氧化碳、水蒸气等副产品对燃 烧区的氧浓度也具有部分稀释作用。超细干粉灭火 剂对大气臭氧层耗减潜能值 ODP 和温室效应潜能 值GWP均为零， 对人体皮肤和呼吸道并无副作用。 灭火后残留物无毒副作用，易清理，可广泛适用于 较多场所。 3.4 井上实验室模拟验证 邱集煤矿专门成立了技术试验小组，在井上实 验室模拟制造封闭巷道，使用该装置进行了多次试 验，试验中用钢化玻璃粘固制作曲线巷道模型（规 格矩形，长 100m 宽 2.0 高 1.8m），模型巷 道内安设自动隔爆装置， 并在该装置后90m距离 （曲 线范围）放置铁笼，铁笼内留有 2 到 3 只家鼠，然 后人为制造小范围瓦斯爆炸。现场模拟试验证明， 当出现瓦斯爆炸时自动隔爆装置可起到明显的抑制 效果，试验鼠均未受到伤害。 4 结论 邱集煤矿井下自动抑爆装置的投入使用，填补 了利用纯机械结构抑制瓦斯、煤尘爆炸这一科技领 域的空白，装置本身无任何安全隐患，最大程度保 护了井下设备和人员安全。它采用纯机械控制，结 构简单，安全可靠，技术易掌握，适合煤矿复杂 多变的使用环境。该装置响应时间控制在毫秒级 （14ms） ， 并且隔爆介质有效悬浮时间长 （6min） 。 井下自动隔爆装置的研制成功，改变了矿井隔爆技 术装备相对滞后、产品单一的局面，解决了井下安 全领域长期存在的诸多难题，为矿井阻隔爆产品的 研制提供了新的思路和发展方向。 【参考书目】 ［1］ 荣佳，胡双启 ，于传利 . 煤矿井下自动抑爆装置 的研制 [J]. 煤炭工程，2014，46（09）135-137. ［2］ 王德宽，刘同安，杨叶平 . 水电厂自动化技术新进 展 [J]. 水电站机电技术，2012，35（06）18-21. ［3］ 董建伟，焦广伟，王建华 . 消防新技术 [J]. 石油 库与加油站，2007，94（06）26-28. 四楼煤矿为煤与瓦斯突出矿井，掘进期间考虑瓦斯 治理、超前探测等因素，巷道综掘正常掘进月平均 进尺为 130m/ 月，掘进一条新巷道需 9 个月，采用 沿空留巷快速巷修巷道施工工期可提前 3.5 个月， 减小了采掘接续压力。 （上接第 78 页）