冲击地压矿井淋水构造高应力区煤巷支护体系优化研究_侯会伟.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1概述 针对冲击地压矿井来说， 煤巷掘进巷道的支护成 为重中之重， 特别在淋水、 构造、 高应力 区多重特定 条件的叠加下如何安全、 有效、 经济的保证支护强度 是首要难题。 星村煤矿七采区三号探巷是一个较典型的淋水、 地质构造复杂、高应力区煤巷掘进巷道，埋深在 - 1150～- 1180m、 水平应力大。3 煤顶、 底板砂岩含水 层由 2 煤顶板至 3 煤底板之间的砂岩组成， 砂岩厚度 平均 35.84m， 属于开采上煤组直接充水含水层， 断层 附近及裂隙发育处锚索眼内会有淋、 渗水出现。 七采区三号探巷施工时，采用锚杆 锚索 金 属菱形网的支护方式巷道后部出现频繁断锚索的现 象，据统计最多一个班次出现断裂恒阻锚索 11 根情 况 （支护失效统计表见表 1 ） ， 危及巷道支护及施工人 员安全。 出现频繁断锚索的情况后 （锚索破断统计表及状 态图如图 1 所示 ） ， 立即采取加强支护的措施， 对断锚 索区域至迎头补打顶板锚索， 但采取以上措施后仍出 现断锚索现象， 如何优化与强化现有支护体系， 解决 淋水、 构造、 高应力巷道的支护失效问题迫在眉睫。 表 1七采区三号探巷支护失效统计表 图 1锚索破断统计表及状态图 冲击地压矿井淋水构造高应力区煤巷支护体系优化研究 侯会伟 ， 闫春来 （山东省天安矿业集团业有限公司 ，山东 曲阜 273100 ） 摘要 星村煤矿七采区三号探巷为淋水、 构造、 高应力区煤巷掘进巷道， 巷道施工初期采用锚杆 锚索 金属菱形网的方式出现多次支护失效问题， 通过采取锚杆加长锚固、 提高锚杆预紧力、 全长预 应力锚固锚索、 柔性网片代替金属菱形网的方式解决了淋水构造高应力区巷道支护失效问题， 提高支 护强度的同时减少了支护失效频次， 有效的保证了该类巷道的支护安全。 关键词 冲击地压矿井 ； 淋水构造高应力区煤巷 ； 支护体系研究 中图分类号 TD752文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0097- 03 Research on optimization of coal roadway support system in high stress area of rockburst mine watering structure HOU Huiwei , YAN Chunlai （ShandongTianan MiningGroup IndustryCo., Ltd. , Qufu 273100 , China ） AbstractThe No. 3 exploration roadway in the 7th mining area of Xingcun Coal Mine is a coal roadway in a coal roadway with water drip- ping, structure, and high stress. In the initial construction of the roadway, bolts, anchor cables, and metal rhombuses were used for multiple support failures. The of lengthening anchors, increasing anchor pretension, full- length prestressed anchor cables, and flexible meshes instead ofmetal rhombuses solves the problem ofroadway support failure in high- stress areas with water- spreading structures, while reducing support strength while reducingThe frequencyofsupport failures effectivelyguarantees the support safetyofthis type ofroadway. Key words rockburst mine ; coal roadwayin high stress area with water- spreadingstructure ; support systemresearch 序号时间班次距离破坏形式 15 月 11 日早班开门口向里约 318m断锚索 2 根 25 月 14 日夜班开门口向里 387m断普通锚索 1 根 35 月 14 日早班开门口向里 385m断恒阻锚索 1 根 45 月 14 日中班开门口向里约 376m断恒阻锚索 1 根 55 月 15 日中班开门口向里约 396m2 根锚索退索 65 月 18 日早班开门口向里约 390m断锚索 75 月 19 日中班开门口向里约 407m断锚索 85 月 23 日中班开门口向里约 434断锚索 11 根 95 月 24 日夜班开门口向里 384m断锚索 2 根 97 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 2淋水构造高应力区煤巷支护体系优化研究 2.1七采区三号探巷支护失效原因分析 2.1.1原岩应力大 1 ） 依据七采区地应力测量报告两个原岩应力点 实测结果为 最大主应力呈水平向， 大小为 68.46～ 68.56 MPa， 其方位角为 152.86～156.87； 中间水平 主应力的大小为 49.63～54.69 MPa，其方位角为 54.69～65.57；最小主应力为竖直方向，大小为 34.92 ～35.23MPa， 其倾角为 73.73～77.44 图 2七采区三号探巷位置示意图 2 ） 七采区三号探巷位置示意图如上图 2 所示， 三 号探巷开门点位于七采区辅助轨道巷终端，按照 9147′向右侧拐弯施工。根据最大水平应力理论， 地应力对巷道掘进的影响具有明显的方向性， 其中垂 直应力分量是导致巷道两帮破坏的主要动力， 方向呈 正交关系的最大水平应 3 ） 力分量和最小水平应力分量则对巷道顶、 底板 影响具有明显的方向性， 具体关系如下 ①当巷道轴 向与最大水平主应力平行时，受水平应力影响最小， 对顶底板的稳定最有利。 ②当巷道轴向与最大水平主 应力垂直时， 受水平应力影响最大， 对顶底板的稳定 最为不利。 ③与最大水平主应力以一定角度斜交的巷 道， 巷道一侧出现应力集中而另一侧应力释放， 因而 顶底板的变形破坏会偏向巷道应力集中的一侧。 4 ） 七采区三号探巷最大水平主应力方向与巷道 呈一定角度斜交，并且中间主应力也呈水平方向， 应力水平也大。巷道开挖后， 垂向应力因巷道开挖急 剧降低， 水平主应力造成顶板破坏与底鼓。 2.1.2顶板破碎 1 ） 通过在七采区三号探巷断锚索区域打设窥探 孔， 利用顶板窥视仪观察巷道顶板离层情况， 发现巷 道顶板煤层在 1.5～4m 范围内非常破碎且明较大裂 隙。 并且顶板有水平错动， 导致锚索发生 “拉剪” 破断。 2 ） 根据煤层冲击倾向性鉴定情况分析， 顶板容易 储存弹性势能， 割煤、 卸压施工并未释放掉或转移掉 煤层及其顶底板的能量， 顶板围岩在应力达到一定水 平后， 弹性能突然释放， 形成冲击压力， 容易造成锚索 的瞬间破断。 2.2支护体系优化与强化研究 2.2.1锚杆采取加长锚固 使用 KMG500- 22- 2400 型螺纹钢锚杆，矩形布 置，间排距为 800800mm，每根锚杆使用 1 根 MSCK2535 （里） 和 2 根 MSK2550 （外） 型树脂锚固剂 锚固， 钻孔直径 32mm， 实际锚固长度为 1566mm， 占 钻孔深度（2300mm ） 的 68.1锚固力不小于 120kN/ 根，锚杆预紧力矩不小于 280N.m。顶板锚杆配合长 4500mm、厚 10mm 的梯形钢带、帮部锚杆配合长 2000mm及 1400mm、 厚度 2.75mm的 W型钢带支护， 锚杆与专用托盘配合使用支护到钢带上。 2.2.2提高锚索预紧力 以往锚索规格直径 21.8mm， 长度 8.0m， 实际锚 索预紧力在 50kN～70kN之间。 锚索长度越长， 要求锚 索预紧力越高， 目前七采区三号探巷采用锚索长度较 长， 但预紧力施加太小， 十分不利于控制巷道围岩前 期变形。 通过对锚索托盘眼口进行处理配合调心垫圈 使用， 改用直径 21.8mm、 长度 6.3m的锚索， 提高锚索 预紧力至 300kN。 2.2.3全长预应力锚固锚索 1 ） 对于端部锚固的锚索， 锚固剂的作用在于提供 粘结力， 使锚索能承受一定的拉力。锚索拉力除锚固 端外， 沿长度方向是均匀分布的。对于端部锚固的锚 索， 任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个索体的 长度上，导致索体受力对围岩变形和离层不敏感， 支 护刚度低。 2 ） 全长预应力锚固锚索采用的锚索规格 φ22 8000mm； 强度级别≥1860MPa， 破断力≥400kN； 延伸 率≥3.5。注浆锚固料 型号 MZM- 70 （1 天抗压强 度≥30 MPa； 3 天抗压强度≥50 MPa； 28 天抗压强 度≥70 MPa ） 。锚索间排距为 1600800mm 的 3 43 形式布置， 预紧力不小于 24t。 2.2.4性网片代替金属菱形网 1 ） 金属菱形网一般由 8 或 10 铅丝加工制成， 网片规格为宽度 1.35m， 长度 2.5m。经测算， 菱形金 属网的拉伸强度 170～190kN/m，拉断伸长率大于 12，重量为 13kG， 网孔边长一般为 30mm。使用金 属菱形网支护，首先需要人工扛到施工地点相应位 置， 然后再进行铺网、 绑扎、 联网、 撩网。整个挂网过 程， 工艺非常繁杂、 挂网效率相对低下， 需要多次扛 98 ChaoXing （上接第 96 页 ） 分进行了整垮拆除更换 （两侧共计 60.5m ） ， 对其他部位 进行了加固处理 （100 处 ） 的方案。根据桥梁人行道宽 度确定支架长度， 支架采用 L75758 角钢， 手弧焊 形式焊接， 下料时加工坡口， 将焊缝两侧 20～30mm范 围内用丙酮擦净。 焊接时不要在焊件上随意引弧， 焊后 可采取强制冷却措施， 加速接头冷却速度。 图 3桥梁人行道及护栏、 支架断面图 4桥梁支架病害修复治理技术的应用效果 课题组组织完成了电厂线胜利河桥桥梁支架的 病害修复治理， 经过 1 年多的现场持续应用， 效果 良好， 有效解决了桥梁支架关键节点病害治理的问 题， 消除了安全隐患， 确保了作业人员、 铁路设施及 行车安全， 实现了铁路运输的安全畅通； 该治理方 案因地制宜、 安全可靠、 成本低、 易实施， 提高了治 理效率， 节约了大量资金； 为矿区铁路桥梁支架、 人 行道及护栏修复治理提供了科学依据与指导， 对其 他地段出现类似问题的桥梁均可参照治理， 具有广 泛的推广应用价值。 作者简介 周恒 （1982-） ， 男， 汉族， 山东省金乡县人， 2005 年毕业 于山东科技大学自动化专业， 工程硕士， 现就职于兖州煤业 股份有限公司铁路运输处， 从事铁路工程、 技术管理工作， 工 程师。 （收稿日期2020- 2- 6） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 网、 铺网， 同时需要工人频繁搭接， 以致工作面所挂的 网片整体性较差。 由于淋水的影响， 致使金属网锈蚀， 给现场带来严重的安全隐患。 2 ） 矿用柔性网片是一种新型树脂纤维聚合网片， 一般采用高强度、 高模量、 低蠕变的聚合长丝纤维经 纬向整体编织及表面涂层处理制成。 柔性网片单片宽 度 5m， 长度 100～500m， 可根据井下工作面实际的使 用尺寸提前在地面编织为整体网片。 网片经纬向无弯 曲状态， 交叉点全部用高强纤维长丝针织捆绑结合起 来， 形成牢固的结合点， 可以充分发挥网片的整体稳 定性和特殊力学性质。 3效果分析 1 ） 有效的减少了三号探巷支护失效频率。 2 ） 锚杆加长锚固对巷道周围煤体有更好的约束 作用， 提高了锚杆的支护作用。 3 ） 锚索预紧力的提高有效的控制了巷道围岩的 前期变形。 4 ） 对于全长锚固， 应力、 应变沿锚索长度方向分布 极不均匀， 离层和滑动大的部位锚索受力很大， 杆体受 力对围岩变形和离层很敏感，能及时抑制围岩离层和 滑动， 支护刚度高的同时提高了锚索的抗剪性能。 5 ） 矿用柔性网片具有网片面积大、 柔韧轻盈、 抗 拉力强、 阻燃抗静电性能优异、 重量轻、 便于运输的特 点。 网片施工过程工人劳动强度小、 灵活性强， 可预制 成不同强度和规格； 另外由于网片网孔小， 减少了顶 板漏矸问题， 极大地提高了施工安全性。 4总结 1 ） 冲击地压矿井来说， 煤巷掘进支护出现大范 围高频次失效后应立即停止掘进分析原因，采取措 施进行处理，保证支护强度的同时降低经济指标为 首要问题。 2 ） 针对现场出现的支护失效问题对巷道支护进 行系统性优化， 提高系统整体支护效率， 提高掘进 速度， 降低巷道支护综合成本， 解决生产接续紧张 等问题。 作者简介 侯会伟1986- ， 男， 汉族， 山东省济宁市人， 2010 年毕业 于山东科技大学采矿工程专业， 本科。现就职于山东省天安 矿业集团有限公司， 从事安全管理工作， 工程师。 （收稿日期 2020- 2- 6） 99 ChaoXing