东峰煤矿大断面全煤巷道围岩控制研究_赵云.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 随着我国煤炭开采技术与装备的发展， 采煤工作 面高度不断加大， 工作面配备的采煤机、 刮板输送机 以及液压支架运输尺寸增大的同时， 工作面煤炭产量 也在不断升高， 工作面皮带尺寸加大， 工作面需风量 增大[1]。 这就对巷道的断面提出了新的要求， 必须在巷 道宽度与高度方面有一定的拓展[2]。在巷道跨度增加 之后， 围岩应力增大， 围岩失稳破坏， 严重影响巷道安 全使用。 众多学者针对这一问题， 进行了广泛的研究。 学者王成[3]针对成庄矿 5312 工作面大断面回风巷受 工作面动压扰动失稳问题， 利用数值模拟与理论分析 的方法， 对大断面巷道围岩的失稳破坏与巷道围岩运 移非对称性机理进行了分析， 并提出了新的锚索网联 合支护方案， 缩短了锚杆、 锚索间排距， 增加了锚索的 长度。改进支护方案在该巷道进行应用之后， 巷道围 岩得到了良好的控制，保障了巷道的安全高效应用。 学者李雪佳[4]基于上湾矿 12105 大采高工作面大断面 回风顺槽支护的工程实际，采用 FLAC3D数值模拟软 件对大断面巷道跨度影响进行了研究， 结合理论分析 提出了新的合理的支护方案， 并得到现场应用， 取得 成功。但现有研究主要集中于理论与数值模拟部分， 不能够产生普适结论， 在解决具体矿井问题时， 还必 须针对具体生产实际进行研究。 本文依托东峰煤矿生产实际， 实地调研巷道地质与巷 道断面该矿。 理论分析巷道跨度与巷道煤层强度对巷 道围岩稳定性的影响， 并对锚杆、 锚索的设计参数进 行设计， 并进行了现场应用。并通过现场钻孔窥视与 巷道表面位移监测， 对支护形式进行效果判定。 1工程概况 1.1地质条件 东峰煤矿 3 煤厚平均厚度 5.93m， 局部有 1～2 层 块状夹矸。该工作面煤层为近水平、 厚煤层、 稳定煤 层， 倾角为 1～7， 煤层构造整体为单斜构造， 断层 与陷落柱零星分布，煤层地质与水文地质条件简单。 该煤层最大埋深为 391m， 最小埋深为 248m。煤层顶 底板情况， 见表 1。 表 1煤层顶底板情况表 东峰煤矿大断面全煤巷道围岩控制研究 赵云 （山西兰花集团东峰煤矿有限公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 依托东峰矿大断面全煤巷道的支护实际， 利用理论分析的方法， 对巷道跨度对巷道失稳高度 以及巷道围岩强度对巷道围岩稳定性的影响进行了详细分析； 采用工程类比的方法， 设计了该矿大断 面全煤巷道的支护参数， 并进行了现场应用， 通过钻孔窥视与巷道位移监测验证了其合理性。 关键词 大断面巷道 ； 全煤巷道 ； 散体拱 ； 巷道支护 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0043-03 Study on surrounding rock control of large section coal roadway in Dongfeng Coal Mine ZHAO Yun （Shanxi Orchid Group Dongfeng Coal Mine Co., Ltd., Jincheng , Shanxi 048000 ，China ） Abstract Depending on the support practice of large cross-section Full-coal roadway in Dongfeng Coal Mine, the influence of roadway span on roadway instability height and roadway surrounding rock strength on roadway surrounding rock stability is analyzed in detail by using theoretical analysis . The supporting parameters of large cross-section Full-coal roadway in Dongfeng Coal Mine are de- signed by engineering analogy and carried out. The rationality of the field application is verified through borehole peeping and roadway displacement monitoring. Keywords Large section roadway ; full coal roadway ; granular arch ; roadway support 顶底板名 称 岩石名称 厚度 （m ） 特征 老顶中粒砂岩3.57 灰褐色， 中厚层硅～钙质胶结， 具斜层理 及收敛形斜层理。 直接顶粗粉砂岩3.01 黑色， 含少量植物叶部化石碎片。 伪顶泥岩0.46 黑色薄层致密。 底板 直接底泥岩0.7灰黑色， 团块状致密含大量植物根部化石。 老底泥岩4.96 黑色， 薄层～片状， 下部含菱铁矿结核。 顶板 43 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1.2巷道概况 3201 轨道顺槽沿 3 号煤层底板掘进，为有效保 障综采放顶煤工作面支架以及可伸缩皮带运输机的 顺利安装， 设计该巷道为矩形断面， 净宽为 5.0m， 净 高 3.3m，断面积 16.5m2；掘进宽度 5.2m，掘进高度 3.4m， 掘进断面积 17.68m2， 为全煤巷道。 2大断面全煤巷道失稳理论分析 2.1巷道跨度影响 开挖巷道之后， 破坏了巷道周围围岩的地应力原 有分布， 引起地应力的再分布。 当巷道埋深较小， 水平 应力不明显， 这时巷道收到水平应力有限， 巷道顶板 受到明显拉破坏作用， 巷道顶板极易形成散体垮落拱 结构，如图 1 所示。顶板破坏高度计算见式（1 ） 、 式 （2 ） 、 式 （3 ） 、 式 （4 ） 。 图 1拱线与巷道力学模型 2b- l a2 λ■ - b1（1 ） b1 a2 λ■ - 2bl （2 ） a2a2b2 ■ （3 ） l bλtan2θarctanθ λ （4 ） 式中 θ 为垮落角， θπ λ - φ 2 ； φ 为煤层内摩擦 角， rad； b1为散体垮落拱高， m； 2a 为巷道掘进宽度， m； λ 为侧压系数； 2b 为巷道掘进高度， m。 通过式 （1 ） 和式 （2 ） 可以看出， 跨落拱随巷道跨度 增大而升高， 故顶板需要的支护强度增大。 2.2巷道围岩强度影响 由于 3 煤层厚度较大，导致巷道顶板以及两帮 围岩全部为煤层， 由于煤层强度较弱， 在巷道开掘后 引起巷道周围应力重新分布后以及工作面回采时的 采动应力影响。 煤层失稳破坏后， 残余应力过小， 难以 形成稳定的承载结构， 巷道顶板中部与巷道两角等应 力集中部位， 极易发生拉破坏与剪破坏， 对巷道稳定 产生严重的影响。 3巷道支护方案提出 为有效减小巷道跨度加大后带来的影响， 结合相 邻矿井 3 煤层巷道支护设计时， 巷道间排距过大， 导 致支护失效的失败经验。 必须适当减少巷道支护时锚 杆的间排距， 同时应当将锚杆与锚索锚固段固定于稳 定岩层中， 防止锚杆与锚索失效。初步设计巷道支护 参数为 顶部每排采用六根高强锚杆支护， 两根锚索 补强。锚杆型号 Φ20～2200mm，间距 900mm，排距 1000mm，两顶角锚杆与巷道轮廓成 10～30角， 中间四根与巷道顶板垂直，每根锚杆使用 2 支锚固 剂， 先安装一支 K2335 型锚固剂， 再安装一支 Z2360 型锚固剂， 锚杆预紧力矩不小于 100N m， 锚固力不 小 于 100kN。 锚 索 型 号 Φ17.8～8400mm， 间 距 2200mm， 排距 2000mm， 距两帮 1400mm， 每根采用三 支锚固剂， 先安装一支 K2335 型锚固剂， 再安装两支 Z2360 型锚固剂， 预紧力为 120kN； 巷道两帮采用五 根普通锚杆进行支护， 锚杆型号 Φ16- 1800mm， 间距 750mm，排距 1000mm。两上帮锚杆与巷道水平成 10～15角，两下帮锚杆与巷道水平成 - 10角， 每 根锚杆使用一支 Z2360 型锚固剂， 锚杆预紧力矩不小 于 100N m，锚固力不小于 100kN。巷道具体支护形 式见图 2。 图 23201 工作面轨道顺槽支护方案 4巷道支护效果监测 为检测巷道支护效果，在 3201 工作面轨道顺槽 掘进完成后， 进行了钻孔窥视， 对巷道围岩状况进行 了观测， 见图 3。在 3201 工作面回采期间， 对工作面 前方巷道表面位移进行了监测见图 4。 44 ChaoXing （上接第 42 页） [2] 张学臣,李大勇,陈士海,李德胜,范德伟.跨采巷道的围岩 稳定性预测与控制 [J]. 采矿与安全工程学报,2008 （03） 361- 365. 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[6] 刘桂仁,戴进,张可斌,朱学军.近距离跨采巷道支承压力 研究[J].煤炭科学技术,2001 （09） 34- 3631. 作者简介 孟敏（1986 年 1 月 12 日 -） ，男，汉族，山西古县人， 2009 年 7 月毕业于太原理工大学阳泉学院 ，现就职于霍州 煤电集团晋北煤业有限公司生产技术科科长， 工程师。 （收稿日期 2019- 4- 19） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 图 33201 工作面轨道顺槽顶板窥视 在图 3 中， 可以看出， 巷道表面 0～2m 范围之内， 围岩整体性较好， 可见锚杆锚索与围岩形成了一定的 稳定的支撑结构， 保障了巷道的安全高效使用。 （a ）巷道顶底板移近量 （b）巷道两帮移近量 图 43201 工作面轨道顺槽表面位移监测 由图 4 （a ） 巷道顶底板相对移近量图， 可以看出， 轨道顺槽顶底板最大移近量为 128.5mm；由图 4 （b ） 巷道两帮移近量可以看出， 巷道轨道顺槽两帮移近量 最大为 31.7mm。巷道变形量均在巷道安全使用范围 之内， 由此可见， 该种支护方式对东峰矿 3201 工作面 轨道顺槽大断面巷道围岩稳定性起到了控制作用。 5结论 大断面巷道以其高效率与高通风量受到煤矿的 欢迎。在大断面全煤巷道掘进后， 由于受到原岩应力 集中与采动扰动影响， 其大跨度与围岩强度较弱的原 因， 增加了巷道围岩失稳的可能性。在适当减少巷道 锚杆、 锚索间排距并增加长度后， 设计了巷道支护方 案， 在现场应用后， 巷道表面 0～2m 围岩稳定， 在工作 面回采时巷道顶底板最大移近量 128.5mm， 两帮最大 移近量 31.7mm 满足巷道安全使用要求， 巷道支护方 案起到了作用。 参考文献 [1] 严永胜,陈艾,刘小明.羊场湾煤矿大断面巷道支护参数分 析与选择[J].西安科技大学学报,2010,30 （01） 19- 23. [2] 许帮贵. 大断面巷道综掘一次成巷锚杆支护试验研究[J]. 采矿与安全工程学报,2006 （03） 370- 373. [3] 王成,丁子文,熊祖强,姜涛,欧阳凯.大断面动压回采巷道 围岩变形规律及其控制技术 [J]. 中国安全科学学报, 2018,28 （05） 135- 140. [4] 李雪佳. 大断面回采巷道矿压显现规律数值模拟及支护 技术[J].煤炭科学技术,2017,45 （S1） 51- 54. 作者简介 赵云 （1983-） ， 男， 汉， 山西高平人， 本科， 助理工程师， 研 究方向 采矿专业和安全管理。 （收稿日期 2018- 11- 24） 45 ChaoXing