受动压影响大断面煤巷支护技术应用研究_武飞飞.pdf

受动压影响大断面煤巷支护技术应用研究 武 飞 飞 （西山煤电马兰矿 ，山西 古交 030200 ） 摘要 为了解决马兰矿 18506 大采高工作面运输顺槽顶板下沉严重， 两帮煤壁破碎， 巷道严重变形 等问题， 通过理论分析、 查阅资料以及现场实践和观测， 设计并应用了以 “长短结合、 强弱结合、 疏密结 合” 为原则的锚杆、 锚索支护体系， 有效的抑制了巷道变形， 为工作面的正常生产提供了保障。 关键词 大采高工作面 ； 锚杆 ； 锚索 ； 巷道支护 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0033- 04 Study on the application of support technology in 18506 transport of large section coal roadway in malan mine WU Feifei （Xishan Coal and ElectricityMalan Mine ，Shanxi Gujiao 030200 ） Abstract 18506 large mining height in order to solve the Malan mine transport gateway roof subsidence, two coal wall broken, the problem such as severe deation ofroadway, through theoretical analysis and field practice, data access and observation, the design and application in “combining, combined strength, density and length“ as the principle of anchor rod and anchor rope supporting system, effectively restrain the roadwaydeation, has provided the safeguard for the normal production ofworkingface. Keywords Large miningheight workingface ; anchor rod ; anchor cable ; roadwaysupport 1工程概况 马兰矿的 18506 综采工作面开采的煤层为石炭 系太原组 8 号煤层， 属于稳定可采厚煤层， 结构复 杂，中部和中下部均有夹矸，煤层厚度 3.80～ 4.80m， 平均为 4.5m， 煤层顶底板特征见表 1。工作面 位于南五下组煤采区左翼， 西北侧 18504 工作面正在 回采，截至 2018 年 1 月 10 日工作面回采至皮带巷 362m。工作面节理较发育， 走向为北北东和北北西 向， 断层密度 2- 11 条 /10m， 对回采有一定影响。 表 1顶底板特征表 18506 和 18504 工作面为大采高一次采全高综 采工作面， 准备巷道的高度等于煤层厚度， 18506 工 作面与正在回采的 18504 工作面相邻， 正在掘进阶 段的 18506 工作面的运输顺槽变形严重， 巷道顶板 下沉剧烈、 煤帮内挤变形剧烈、 顶板锚索破断率高， 时有冒顶事故的发生， 已经严重影响工作面的正常 生产， 需定期进行维护耗费了大量的人力、 物力， 现 阶段为 18506 工作面的准备阶段， 依据该矿的具体 地质条件，对 18506 运输顺槽支护进行设计研究， 选取合理巷道支护的工艺和方法， 保证工作面的正 常生产。 2巷道层状顶板失稳机理 通常情况下用于地下资源采掘的巷道， 其长度 远远与其巷道宽度，我们可以忽略其长度的影响， 将其简化为平面的问题， 巷道两帮对上部岩层起支 撑作用，上覆岩层在形成期间就是层状的堆积结 果， 我们将顶板简化为梁来分析其稳定性。由于巷 道顶板为岩层， 而两帮为煤体， 岩层的硬度及完整 性均大于煤层， 因此在顶板与煤壁接触处可以简化 为两端简支的纵横弯曲梁， 顶板上部岩层对于顶板 的压力作用简化为均布载荷 q，巷道两侧的实体煤 岩体对于顶板水平方向的挤压作用简化为水平方 向的一对平衡力， 当顶板较厚时， 水平方向的力对 于其变形量的影响并不大， 而对于层理发育良好的 顶板岩层， 离层为较薄的分层顶板， 水平方向的挤 压力就会很大程度上影响着顶板的弯曲程度。对于 顶板岩层受力简化为如图 1 所示的力学模型， 根据 材料力学的相关知识进行稳定性分析[1] 梁内任意一点的弯矩和挠曲的微分方程为 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 顶底板名称岩性厚度 （m ）岩性特征 老顶粉砂岩 1.71～3.16 2.33 灰色， 由上而下颗粒变细， 普氏硬度 5.3。 直接顶L1 泥灰岩 1.75～2.70 2.32 深灰色， 富含动物化石， 黄菱铁矿星 星散状分布，节理充填方解石脉， 普 氏硬度 7.5。 直接底粉砂质泥岩 0.75～1.66 0.97 灰黑色，含植物根化石，普氏硬度 4.5。 老底粉砂岩 2.88～5.45 3.60 灰黑色， 富含根部化石， 中夹 0.1m菱 铁矿， 局部相变为中细粒砂岩， 普氏 硬度 5.3。 33 ChaoXing 图 1 巷道顶板受力模型 M 1 2 qLx- 1 2 qx2-Nω d2ω dx2 M EI - M EI ω qLx 2EI - qx2 2EI ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （1） 式中 M- 顶板岩梁弯矩； E- 弹性模量； ω- 挠度； I- 惯性矩。 假设 k2 N EI （2） 则有 ωAcoskxBsinkx- qx 2N qL 2N x EI N2 q（3） 由力学模型可知，梁的两端为实体煤岩体， 其 挠度为零， 即梁两端的边界条件为 x0， ω0 xL， ω ｛ 0 （4） 将上述边界条件带入式 （3） 可得 A- EI N2 tanμ B EIq N2 coskL- 1 sinkL ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （5） 设 μ 1 2 kL， 可得 B- EIq N2 tanμ（6） 将式 （6） 带入式 （3） 即可得到任意一点的挠度 解析式 ω- EIq N2 coskxtan 1 2 N EI■ （）sinkx-｛｝ 1 q 2N（lx- x 2） （7） 根据材料力学的知识以及经验可知顶板中部 的挠度 （下沉量） 最大 ωmax- EIq N2 （secμ- 1） qL2 8N （8） 通过对于顶板岩层的受力分析可知， 巷道顶板 最易发生变形破断的为顶板的中间区域， 当各个岩 层的变形量不协调时就易发生顶板的离层， 而且两 侧为比较软弱的煤体，巷道顶板的下沉量会较大， 在进行支护设计时应当尽量避免顶板的离层， 增强 其整体性。 3锚杆锚索对层状顶板结构面的加固作用 1）组合梁理论。组合梁理论认为， 巷道顶板有 多个岩层，可以看作是一种以道路两侧为支点的 梁。锚杆用于将层结合成整体的组合梁， 以防止岩 石沿着层滑动并避免层的分离。在上覆载荷作用 下，该厚复合梁的最大弯曲应变和应力将大大减 小， 并且偏转也将减小。根据组合梁理论建立如图 2 所示的受力模型， 在未进行锚杆支护时， 巷道顶板 岩层为单独的层状薄板， 在竖直方向上的应力及水 平力的作用下发生弯曲变形， 并且存在着水平方向 上的相互错动， 顶板下沉量会较大， 如 （a） 所示； 而 经过锚杆支护后将顶板岩层的软弱结构面进行加 固， 将顶板岩层联结为一个更为完整的梁， 根据材 料力学的知识， 其弯曲变形在同等受力条件下会大 大减少[2]。 （a）层状顶板组合前 （b）支护组合后 图 2组合梁结构示意图 2） 悬吊理论。锚的悬吊作用是在上部稳定岩层 中悬挂巷道顶部的不稳定岩层，主要用于层状岩体 中。通过弯曲， 变形和老顶分离的直接顶部锚固件悬 挂在关键层，减少和限制了直接顶板的下沉量和分 离， 达到维护顶板稳定以及支撑的目的;如果巷道上 部岩层中的浅部岩层软弱破碎， 在巷道开挖导致地应 力二次分布， 老顶上方形成破裂带， 此时， 利用锚杆的 悬挂功能将破碎岩体的一部分悬挂在上部未松散坚 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 34 ChaoXing 硬岩体上。 综上所述， 锚杆和锚索对层状顶板结构面的加 固作用主要体现在以下几个方面 1） 锚杆锚索安装时施加高预应力， 使顶板岩层 间的层理裂隙闭合， 锚杆和围岩形成一个整体， 我们 进行巷道围岩稳定分析时应将其看作一个整体， 即锚 固体。 2） 锚杆的安装改善了巷道围岩的力学性能， 使 围岩的峰值强度、 峰值后强度和残余强度得到提高; 3） 与普通断裂岩体相比， 锚固体破坏前后的力 学性能得到了改善。因此在巷道失稳形变过程中锚 杆一直没有丧失其功能。 4大断面煤巷层状顶板多层次支护技术 为了有效的避免 18506 工作面运输顺槽顶板岩 层离层， 巷道变形量过大， 结合着锚杆支护的组合梁 理论、 悬吊理论对大断面煤巷层状顶板的稳定性控制 进行设计研究， 主要的目的是， 增强巷道顶板的连续 性， 避免顶板岩层之间的相互错动， 加强巷道顶角处 变形的治理， 减少巷道的整体变形量。 设计的锚杆、 锚 索支护体系主要的原则为 “长短结合、 强弱结合、 疏密 结合” ，根据马兰矿 18506 工作面回采巷道顶板的具 体条件 顶板跨度大、 层间粘结性不强、 层间含有较多 软弱夹层等， 设计应用以长锚杆、 短锚索和长锚索为 主体结构的支护体系， 来提高围岩的整体性， 有效地 降低由于巷道开挖对于顶板的破坏[3]。 1） 长锚杆； 锚杆长度为 2.8 到 3.2m 之间， 锚杆 长度必须大于极易冒顶的非稳定层边界， 采用全长 锚固， 尽可能的将层状顶板联结为一个整体， 避免 岩层间的错动，根据 18506 运输顺槽跨度较大、 顶 板分层较多并且非常薄， 必须利用锚杆提供的预紧 力在浅部顶板形成较高的法向应力， 综合考虑设计 顶板采用 MSGLW- 500/22- 3200 型高强度左旋无纵 筋螺纹钢锚杆， 排距 1.2m， 间距 1.0m， 与两帮煤壁 的距离为 0.25m。 两帮采用 MSGLW- 500/22- 2800 型 高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆， 排距为 1.2m。 2） 短锚索； 锚索长度为 5.4m， 该类型的锚索主 要作用于非稳定层和深部稳定岩层之间的亚稳定 岩层， 增强该区域内岩层的整体性， 增加顶板层间 滑移阻力， 在一定程度上继续提高非稳定层的整体 性， 提高其自稳能力， 将巷道顶板处的应力集中转 化为一个更大的结构来承载。根据巷道的具体情况 选用采用 SKP22- 1/1720- 5400 型锚索，顶板短锚索 排距为 2.4m， 间距为 1.5m， 与两侧煤壁的距离均为 0.4m， 对称布置； 煤帮采用相同型号的短锚索， 排距 为 1.2m， 间距为 0.95m。 （3） 长锚索； 锚索长度为 7.4m， 根据悬吊理论， 将 非稳定层及亚稳定层联结的整体通过长锚索悬吊与 上部的稳定层中，有效地降低巷道顶板的应力集中， 增强巷道周围煤岩体的整体性。 根据回风顺槽顶板的 发育情况， 选用型号为 SKP22- 1/1720- 7400 型锚索， 锚索的间排距与短锚索相同，与煤壁的距离为 1.25m。 （a）巷道全断面 （b）巷道顶板 （c）巷道煤壁 图 3多层次锚杆支护示意图 经过各个层次的支护设计， 18506 工作面回风顺 槽巷道围岩的支护结构详细情况如图 3 所示， 在安装 锚索位置处焊接两段纵筋， 在锚杆排距之间铺设钢筋 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 35 ChaoXing （上接第 32 页） 3） 针对工作面配套在生产应用中遇到的问题， 对工作面采煤机、 支架、 刮板运输机等关键技术进 行改进， 均取得了较好了效果。 4） 该套支架在杨河煤业 42051 工作面的试用， 证明通过技术改进，液压支架配合采煤机回采， 满 足了 “三软” 煤层开采需要。 参考文献 [1] 刘青云, 李婧芳. “三软煤层” 综采低位放顶煤开采技术在 焦家寨矿的应用[J]. 轻工科技, 2013 （5） 117- 117. [2] 李志刚. 三软不稳定厚煤层条件下综采放顶煤技术[J]. 煤炭科学技术, 2005, 33 （2） 19- 21. [3] 杜长胜.“三软” 煤层放顶煤开采研究[J]. 矿山压力与顶 板管理, 1999 （2） 42- 45. [4] 梁华， 张力友， 邓淑昌.三软煤层低位放顶煤开采技术在 白坪煤矿的应用[J]. 中州煤炭, 2013. [5] 王锁锋, 董正坤. 综采放顶煤技术在 “三软” 大倾角厚煤 层开采中的应用[J]. 煤炭技术, 2009, 28 （2） 63- 66. [6] 杨富锋, 张建新, 信长瑜,等. 三软煤层悬移支架机采放顶 煤开采实践[J]. 能源与环保, 2011 （8） 63- 65. 作者简介 王国华 （1963-） ， 男， 河南汝南人， 高级讲师， 学士， 1987 年毕业于焦作矿业学院矿井建设专业， 现主要从事煤矿建设 生产技术、 管理及安全培训工作， 曾参与起草河南省煤矿其 它从业人员安全培训大纲及安全培训教材数十种， 2017 年 被上级主管部门认定煤矿安全生产培训专家。 （收稿日期 2019- 5- 1） 网型号为 GW6.5/100- 2.31.35，防止小块煤岩体的 掉落，在巷道两个顶角处锚杆采用斜打顶角锚杆， 抑 制巷道的形状扭曲， 锚杆、 长锚索及短锚索形成连续 的预应力结构共同承载， 最终达到保证围岩的长期稳 定的目的。 （a） 顶板下沉量 （b） 两帮移进量 图 4巷道围岩变形量监测结果 5结论 巷道支护完成，待 18506 大采高综采工作面进 入到回采阶段后， 为了考察支护体系的效果， 在距 离开切眼 30m、 60m、 100m 分别布置了巷道位移量 的监测站 1、 2、 3 号，进行了为期三个月的监测活 动， 得到的数据整理后结果如图 4 所示。 从巷道表面位移监测结果可知， 在工作面回采 期间， 巷道顶板位移最大为 70mm， 两帮最大位移为 145mm，并且变形集中在巷道成型后的 40 天内， 之 后巷道围岩基本稳定， 可以说明取得了良好的支护 效果。 参考文献 [1] 李永亮. 赵庄矿大断面煤巷层状顶板变形失稳机理及控 制技术[D].中国矿业大学 （北京） ,2017. [2] 孟庆安.大断面巷道顶板失稳分析与控制技术[J].煤炭科 学技术,2018,46 （03） 44- 48. [3] 余行贤.复杂条件下大断面巷道顶煤自燃治理技术[J].煤 炭工程,2017,49 （S2） 121- 123. 作者简介 武飞飞 （1987-） ， 男， 山西古交人， 2016 年 1 月毕业于太 原理工大学采矿工程专业， 采煤助理工程师职称， 现从事煤 矿生产技术工作。 （收稿日期 2019- 1- 18） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 36 ChaoXing