大埋深高应力回采巷道支护技术研究_史智元.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 汾西矿业集团曙光煤矿现平均开采深度已超过 500m， 巷道在掘进及回采阶段矿压现象明显， 对于两 侧均为实体煤的回采巷道而言， 在本工作面回采超前 动压影响下， 巷道所受压力增大， 两帮及底板变形明， 平均底鼓变形量可达到 500mm左右；对于一侧采空 一侧实体巷道而言， 受上区段工作面侧向残余支承压 力和本工作面回采动压的双重影响， 巷道围岩的变形 更为剧烈， 帮部顶底角锚杆发生破断事件， 巷道变形 进一步加剧，局部地段巷道底鼓变形量可达到 2000mm， 需要经常进行卧底返修工作， 严重影响回采 工作面的正常推进， 阻碍了矿井安全高效生产。 针对曙光煤矿大埋深高应力巷道变形破坏特征， 亟需探索研究控制巷道胃炎大变形破坏的技术， 该项 研究的顺利推进已成为矿井急需解决的生产难题。 基 于上述背景，以一采区 1228 工作面运输巷为研究对 象， 开展地质力学测试分析与评估、 原有巷道支护设 计分析、 1228 运输巷支护设计及现场矿压监测等试 验。 通过 1228 运输巷道的井下试验， 探索寻求解决曙 光煤矿类似地质条件下， 大变形回采巷道有效的锚杆 支护技术， 解决制约影响工作面安全快速回采的技术 难题。 1工程地质条件 1228 工作面运输巷地表标高 950～1035m， 煤 层底板标高 460～510m， 1228 工作面运输巷位于 井下一采区西翼，其南侧为 1226 运输巷，北侧为 1232 材料巷， 东侧与一采区集中轨道巷相邻， 1228 运 输巷掘进区域无回采工作面，属于两侧实体煤巷， 巷 道设计长度为 1666m。由 1228 运输巷附近的钻孔资 料可知， 8- 2 钻孔显示煤层埋深为 469m、 7- 5 钻孔 显示煤层埋深为 539m，同时结合井上下对照图与煤 层底板等高线图， 综合确定巷道由掘进开口位置至切 眼位置埋深逐渐增加， 切眼处的巷道埋深最大， 最深 处超过 600m，巷道围岩控制难度也由开口向切眼处 逐渐增大， 1228 工作面平面布置图如图 1 所示。 1228 运输巷属于沿顶掘进巷道， 沿着 2 煤层顶 板掘进， 2 煤层平均厚度为 2.82m，煤层倾角为 2～5， 煤层中含 2 层夹矸， 夹矸主要成分为泥岩或炭 质泥岩， 伪顶为均厚 0.3m的灰黑色炭质泥岩、 直接顶 为均厚 2.56m 的灰黑色粉砂质泥岩、基本顶为均厚 大埋深高应力回采巷道支护技术研究 史 智 元 1,2 （1. 煤炭科学研究总院开采研究分院 ， 北京 100013； 2. 天地科技股份有限公司开采设计事业部 ， 北京 100013 ） 摘要 本文以曙光煤矿 1228 工作面大埋深高应力回采巷道为研究对象， 对巷道围岩地质力学参数 进行了评估， 分析出巷道原有支护方案存锚杆锚索同排布置、 锚杆锚索预紧力小及托盘形状及承载能 力不足的问题， 因而导致了巷道围岩的大变形， 基于此提出了改进支护方案， 工业性试验结果表明， 该 方案可有效控制巷道围岩变形， 效果良好。 关键词 大埋深 ； 高应力 ； 回采巷道 ； 支护 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0008- 04 Study on support technology of roadway with large buried depth and high stress SHI Zhiyuan （1. Coal MiningBranch， China Coal Research Institute ， Beijing100013 ， China ; 2. Coal Miningand Design Department， Tiandi Science and TechnologyCo．， Ltd．， Beijing 100013 ， China ） Abstract this article in shuguang coal mine 1228 face big buried deep high stress roadway, as the research object, the parameters of the roadway surrounding rock geological mechanics uation, analysis of the original support scheme of roadway deposit with anchor bars and rowlayout, small pre- tighteningforce ofanchor bars and shape ofthe trayand the problemofinsufficient bearingcapacity, and thus lead tothe large deation of surrounding rock of roadway, the supporting plan, based on the proposed to improve the industrial test results show that the scheme can effectivelycontrol the deation ofroadwaysurroundingrock, the effect is good. Keywords large buried depth ； high stress ； miningroadway； support 8 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 7m的深灰色砂质泥岩或细砂岩、 直接底为均厚 1.2m 的浅黑色粉砂岩、 基本底为均厚 6.08m的黑灰色粉砂 质泥岩、 粉砂岩， 围岩综合柱状图如图 2 所示。 图 11228 工作面平面布置图 图 2围岩综合柱状图 2巷道围岩地质评估与分析 对巷道支护参数进行设计前， 首先需要进行巷道 围岩地质评估与分析， 除收集分析矿井基础地质资料 外， 还需进行相关地质参数测试， 主要包括 地应力测 试、 巷道围岩结构观察、 巷道围岩强度测试等， 通过掌 握巷道基础资料， 为巷道支护方案确定提供依据。 2.1地应力分析 曙光煤矿进行了 6 个测点的地应力测量工作， 测 点主要分布于 2 煤层主采区，第 1 和第 2 测点位于 1226 材料巷 150m和 1100m位置， 1226 材巷沿 2 煤 层顶板掘进， 巷道断面宽 4.7m， 高 3.2m， 采用锚网索 支护，测点位置埋深分别为 467.0m和 480.0m。第 3 和第 4 测点位于采区集中轨道巷 4050m和 4300m位 置， 巷道断面直墙半圆拱， 拱高 2.2m， 墙高 1.8m， 采用 锚网索喷联合支护，测点位置埋深为 425.0m 和 435.0m。第 5 和第 6 测点位于 1216 材料巷 220m 和 450m位置， 巷道断面宽度 4.7m， 高度 3.2m， 采用锚网 索联合支护， 测点位置埋深为 490.0m和 510.0m。 表 1曙光煤矿水压致裂地应力测量结果 地应力测量结果见表 1 所列， 根据测试数据分析 地应力的分布规律。 1 ）地应力量级。曙光煤矿 6 个测点最大主应力 介于 10.91～15.88MPa， 属于中等水平应力量级。 2 ）地应力场类型。曙光煤矿 6 个测点均表现为 最大水平主应力大于垂直主应力大于最小水平主应 力， 形成 型地应力场， 表明矿区主采煤层以构造应力 为主。 3 ）地应力方向。曙光煤矿 6 个测点最大水平主 应力方向均呈 NW 向，主要为 N31.8W～N86.0 W。 4 ）巷道支护指导意义。根据地应力测试基本结 论， 对 1228 工作面运输巷支护设计具有以下指导作 用①曙光矿主采 2 煤层采煤区域最大水平主应 力最大值为 15.88MPa， 未超过 18MPa， 属于中等应 力量级， 对巷道围岩稳定性会产生较大影响； ②形成 型应力场， 属于构造型应力场， 水平应力占主导地位。 对于 型构造应力场，依据地应力场与巷道巷道布置 相关理论， 得到巷道轴向与水平最大主应力方向的理 想夹角为 41～72；③结合曙光煤矿采掘工程平 面布置图知，所有综采工作面巷道均沿 N90W 布 置， 主采煤层区域水平最大主应力方向为 N32W～ N86.0W，两者夹角在 4～58，说明重合区域 41～58间顺槽布置方位最佳， 巷道掘进受到水平 应力方向影响最小； 而非重合区域 4～40间顺槽 布置方位并非最佳， 巷道掘进受到水平应力方向影响 很大； ④因 1228 工作面沿北偏西向 N90W布置， 由 此判断属于 A 类型，巷道左上帮顶板和左下帮底板 位置受到水平应力作用非常大， 这些部位是应力集中 测点 序号 测段埋 深 （m ） 压裂参数 （MPa ）主应力值 （MPa ） 破裂方向 （ ） PbPrPsσHσhσv 1447.213.989.907.5312.297.3311.18N31.8W 2461.915.309.778.6715.888.4911.55N83.0W 3410.712.207.976.6311.636.4910.27N72.3W 4417.79.806.404.7310.916.3610.44N86.0W 5469.18.407.376.9313.006.7211.73N40.2W 6491.48.305.674.5314.478.7812.29N67.9W 9 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 区域， 容易出现应力集中， 需加强支护。 曙光煤矿 1228 工作面埋深大，最大深度超过 600m， 垂直应力易于巷道两帮形成应力集中， 煤层强 度低， 裂隙发育， 容易导致煤帮偏帮， 需要加强帮部支 护。 2.2巷道围岩结构分析 1 ）巷道顶板围岩结构分析。采用钻孔窥视仪对 巷道顶板围岩结构进行窥视，以掌握岩层结构特征， 选择 1 号测点进行描述，顶板窥视钻孔深度为 21m、 巷帮窥视钻孔深度为 10m， 通过钻孔窥视可了解锚杆 （索 ） 控制范围内岩层岩性及节理、 裂隙等发育情况。 巷道顶板 10m 范围内岩层主要为砂质泥岩和细砂 岩， 岩层节理裂隙发育程度较低， 岩层整体性较为完 整； 巷道顶板 3m 范围内岩层主要为砂质泥岩， 并无 明显的节理裂隙发育，巷道所选用的锚杆长度小于 3m， 有利于发挥锚杆锚固效果； 3～7m 范围为细砂岩， 而锚索长度常选用 4～6m， 属于锚索锚固层位， 有利于 发挥锚索锚固力， 控制巷道围岩变形。 2 ）巷道帮围岩结构分析。第 1 测点煤帮钻孔成 像观察结果显示， 0～2.7m范围煤层松散裂隙发育， 完 整性差， 在 0～0.8m范围煤层破碎严重； 2.7～5.9m范围 煤层完整性好， 6.0m以内深度煤体破碎塌孔。第 2 测 点煤层观察结果显示， 8m 范围内煤层裂隙发育程度 高， 破碎程度大。 2.3围岩强度测试与分析 对 1 号测点顶板及巷帮钻孔内围岩物理力学参 数进行测试， 得到如下结果 0～3.0m 岩层岩性为砂质 泥岩， 抗压强度平均为 43.32MPa； 3.0～4.5m 岩层岩性 为细砂岩，抗压强度平均为 53.50MPa； 4.5- 10.3m 岩 层岩性为砂质泥岩， 抗压强度平均为 38.35MPa； 2 煤 层抗压强度平均为 13.03MPa。 3原有支护设计剖析 3.1原锚杆支护设计 1228 运输巷选用矩形断面， 巷道高度为 3.5m、 宽 度为 5.0m， 巷道原支护方案中， 锚杆与锚索同排进行 布置， 具体支护方案如下 1 ）顶板首排锚杆 （索 ） 布置方式 布置 3 根锚杆、 3 根锚索， 选用直径为 20mm、 长度为 2400mm 的左旋 螺纹钢锚杆， 间排距为 1800mm1000mm； 锚索选用 直径为 21.6mm、长度为 13000mm的 17 故钢绞线 锚索， 间排距为 1800mm1000mm； 托盘均选用宽度 300mm、厚度 12mm 的平钢板；钢带选用长度为 4800mm、 宽度为 280mm 的 W 钢带， 除巷帮角锚杆与 顶板呈 75倾斜布置外， 其余锚杆 （索） 均垂直于巷 道顶板布置。 2 ）顶板第二排锚杆 （索） 布置方式 布置 4 根锚 杆、 2 根锚索， 选用锚杆及锚索规格不变， 锚杆间排距 仍为 1800mm1000mm，锚索装位置距巷中偏北 450mmm，以及距巷道右侧帮 250mm 位置，排距为 1000mm， 两排依次循环。 3 ）巷帮锚杆布置方式巷道两帮各布置 4 根直 径为 20mm、长度为 2400mm 的左旋螺纹钢锚杆， 均 垂直于巷帮布置，上部 3 根锚杆配合使用长度为 2000mm的钢筋梯子梁，最下部锚杆配合使用 400 280mm 的 W 钢带，最上部锚杆与巷道顶板距离为 400mm， 锚杆间排距为 900mm1000mm。 4 ）金属网采用 12 铁丝编织的菱形网，规格顶 板为 1100mm5000mm， 两帮为 1100mm2800mm， 网间搭接 100mm， 间隔 150mm采用 16 铅丝联网。 图 3巷道原支护方案示意图 3.2原有支护方式存在问题 针对 1228 运输巷现支护方案及现场使用中存在 的问题进行分析， 其支护效果不佳， 主要存在如下几 方面问题 1 ） 锚杆锚索布置方式， 曙光煤矿现有巷道支护方 式中锚杆及锚索采用同排布置的方式， 该种布置方式 与现有支护理念相违背。 锚杆和锚索设计长度悬殊过 大， 通常情况下锚杆支护长度小于 3.0m， 通过锚杆支 护对巷道浅部围岩形成有效控制， 进而防止巷道围岩 的深部扩容变形； 锚索设计支护长度一般在 4～6m 范 围， 在巷道中深部对巷道围岩形成有效承载， 与浅部 锚杆相配合形成有效承载体， 由此可知， 当锚杆与锚 索同排进行布置时，不但没提高围岩的承载能力， 反 而弱化了锚杆支护区域的支护效果。 2 ）锚杆锚索预紧力，锚杆锚索预紧力大小对巷 道围岩的支护效果起着重要作用， 一般情况下， 预应 10 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 力值不小于其破断载荷的 10～70，曙光矿使用的 锚索破断载荷为 520kN， 预紧力为 200kN， 已达到下 限值。 3 ）锚杆锚索托盘，曙光矿主要使用斜托盘和蝶 形托盘， 该型托盘具有如下缺陷， 托盘口径较小， 容易 发生卡口而导致锚杆破断，托盘的偏心调节作用较 差， 安装后容易发生偏载现象， 造成杆体破断； 基于此 建议采用高强度拱形托盘， 其长宽为 150mm、 厚度为 10mm， 然而其承载能力可达到 450kN， 通过孔口的倒 角可实现偏心角度调节，其拱形高度可达到 36mm， 有良好的让压效果。 锚索使用平托盘同样会造成锚索 受力不均， 因此将平托盘改为拱形托盘， 以提高其承 载能力及适应性。 4新支护方案 1 ）顶板支护 锚杆仍选用直径为 22mm、 长度为 2400mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆， 托板采用可调心 拱型高强度托盘配减摩垫片，规格为 150150 10mm， 承载能力不低于 250kN， 每排布置 6 根锚杆， 其间排距为 1000mm1000mm；锚索选用直径为 21.8mm、 长度为 6300mm 的钢绞线锚索， 锚索托盘改 为 30030014mm 的高强度拱形托盘，采用“三 三” 布置方式， 间排距为 1800mm2000mm， 上述锚 杆锚索均垂直于巷道顶板布置。 2 ）两帮支护 帮锚杆选择直径为 22mm、 长度为 2400mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆， 锚杆托盘采用可 调心拱型高强度托盘配减摩垫片，每帮布置 4 根锚 杆， 最上部帮锚杆距离巷道顶板 300mm， 最下部锚杆 距离巷道底板 500mm， 帮锚杆间距为 900mm、 排距为 1000m， 改进后的支护方案如图 4 所示。 图 4优化后的巷道支护示意图 5巷道支护效果分析 1228 运输巷改进支护方案后，进行了现场工业 性试验， 在试验巷道内布置矿压观测站， 对巷道围岩 变形进行观测， 巷道围岩变形曲线如图 5 所示。 图 5巷道围岩变形曲线 由图 5 可得， 距掘进迎头 100m 范围内， 顶板下 沉量增长较快， 距掘进迎头 100m 之后， 顶板基本上 稳定， 测站 1 顶板最终下沉量为 11mm。 距掘进迎头 125m 范围内， 两帮移近量基本上呈 线性增长； 距迎头 125m 之后， 两帮趋于稳定， 稳定时 两帮移近量 14mm左右。 6 结论 1 ）曙光煤矿 1228 工作面埋深大， 最大深度超过 600m， 垂直应力易于巷道两帮形成应力集中， 煤层强 度低， 裂隙发育， 容易致煤帮偏帮， 需加强帮部支护。 2 ）巷道原有支护方案存锚杆锚索同排布置、 锚 杆锚索预紧力小及托盘形状及承载能力不足的问题， 因而导致了巷道围岩的大变形。 3 ）改进后的支护方案现场应用效果表明，巷道 顶板及两帮变形量较小，有效控制了巷道围岩变形， 可为同类矿井巷道支护参数设计提供一定参考借鉴。 参考文献 [1] 黄帅. 大埋深高应力煤柱回采区矿压观测研究与应用[J]. 内蒙古煤炭经济,2019 （15） 86- 87. 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