近距离煤层采空区下巷道围岩松动圈分析及支护技术研究_亢克勤.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 1工程概况 某矿 23305 下工作面位于二水平三采区中部， 工 作面主采 3 下煤层， 煤层厚度为 1m～3.2m， 煤层上方 直接顶为泥岩， 均厚为 1.9m， 基本顶为中粒砂岩， 均厚 为 8.3m， 3 煤层与 3 下煤层间的平均间距为 10m， 属 于近距离煤层， 煤层直接底为粉砂岩， 23305 下工作面 回风巷位于 23305 工作面采空区下方， 回风巷长度为 1094m， 回风巷断面的尺寸为宽高 4.63.2m， 工作 面为倾斜条带布置， 开切眼长度 180m， 采用综合机械 化采煤工艺， 现 3 煤层已经回采完毕， 故 23305 下工 作面回风巷属于近距离煤层采空区下巷道。 2巷道松动圈分析 为充分了解上覆 23305 工作面回采工作时对底 板的破坏深度及回风巷掘进过程中对巷道围岩的破 坏程度， 通过在 23305 下工作面回风巷顶板及两帮进 行松动圈测试， 以此确定巷道围岩的松动圈的范围。 在回风巷顶板及两帮使用钻孔打设 Φ42mm， 深 度为 5m的钻孔， 钻孔从距离工作面开切眼 20m的位 置处开始打设， 巷道断面上在左帮、 右帮及顶板上个 布置 1 个钻孔，巷道断面内的 3 个测孔一个测试组， 每个测试组之间的间距为 40m， 共计在巷道不同位置 对 12 个钻孔进行松动圈测试，其中顶板测试孔位 4 个， 两帮测试孔位 8 个， 具体回风巷松动圈测试位置 如图 1 所示。 图 1回风巷松动圈测试位置示意图 根据顶板松动圈测试结果， 4 个不同位置顶板松 动圈的测试结果如图 2 （a ） 所示， 通过分析图 4 能够 看出， 巷道不同位置 4 个顶板钻孔的波速基本保持一 致变化趋势， 在距离孔口 2m 的位置处， 孔内的波速 的变化较大， 随着钻孔深度的增大， 在距离孔口 2.5m 的位置处， 波速便又逐渐趋于稳定， 据此能够得知巷 道顶板松动圈的范围在 0～2.5m； 4 个不同位置两帮的 近距离煤层采空区下巷道围岩松动圈分析及支护技术研究 亢 克 勤 （阳煤集团三矿生产调度指挥中心 ， 山西 阳泉 045000 ） 摘要 为保证属于近距离煤层采空区下巷道的 23305 下工作面回风巷围岩的稳定，通过回风巷围 岩松动圈测试对围岩松动圈的厚度进行分析， 结合 3 煤层底板破坏深度分析对回风巷的支护方案进 行具体设计， 并进行矿压监测。结果表明 支护方案实施后， 巷道顶底板的最大移近量为 42mm， 两帮 最大移近量为 68mm， 保障了巷道围岩的稳定。 关键词 采空区 ； 近距离煤层 ； 松动圈 中图分类号 TD32文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0104-04 Analysis of surrounding rock loose ring and research on supporting technology in goaf of coal seam KANG Keqin （Three Coal Production and Dispatching Command Center of Yangmei Group , Yangquan 045000 ， China ） Abstract In order to ensure the stability of the surrounding rock of the return air roadway at the lower face 23305 which belongs to the close goaf of the coal seam, the thickness of the surrounding rock loose ring of the return air roadway was analyzed through the test of the surrounding rock loose ring of the return air roadway, and the support scheme of the return air roadway was specifically designed and the mine pressure was monitored by combining the analysis of the failure depth of no.3 coal seam floor. The results show that after the imple- mentation of the support scheme, the maximum displacement of the roof and floor of the roadway is 42mm, and the maximum displace- ment of the two sides is 68mm, which ensures the stability of the roadway surrounding rock. Key words Mined-out area ; Close range coal seam ; Loose circle 104 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 松动圈的测试结果也基本保持一致， 现对 1 号测试组 的波速 - 距孔口距离进行具体分析，曲线图如图 2 （b ） ，由图中能够看出巷道右帮钻孔内的波速在距孔 口 1.5m的位置处纵波波速发生了较大的变化，在距 离钻孔孔口 2m的位置处纵波波速逐渐趋于稳定， 巷 道左帮钻孔在 1.5m的位置处波速发生突变，据此可 判断该处巷道围岩存在裂缝 [1-2]，随着钻孔深度的增 大， 纵波波速在 2.0m的位置处趋于稳定， 基于上述巷 道顶板及两帮钻孔松动圈的分析结果， 综合确定巷道 松动圈的厚度在 2.5m。 （a ）顶板松动圈测试结果 （b）1 号测试组两帮松动圈测试结果 图 2回风巷松动圈测试结果 3支护方案与效果 3.1支护方案 1 ）3 煤层底板破坏深度计算。根据煤柱支承压 力对底板破坏的相关理论[3-4]， 可知采场底板损伤深度 h0、 底板岩体最大破坏深度距离工作面端的水平距离 l1和采空区底板破坏区沿水平方向的最大长度 l2的 表达式为 h0 M cosφf ln kγHCcotφ ξ C cotφ 4ξ tanφ cos π 4 φf 2 （） e π 4 φf 2 （）tanφf l1hmaxtanφf（1 ） l2 l 0tan π 4 φf 2 （）e π 2 tanφf 式中 k 为应力集中系数； H 为采深， m； M 为采 高， m； C 为煤体的内聚力， MPa； φ 为煤体的内摩擦 角， ； ξ1sinφ/1-sinφ； γ 为上覆岩层的平均容重， kN/ m3; φf为底板岩层的内摩擦角， 。根据 23305 工作面 的具体地质条件取 γ25 kN/m3， H410m， φ20， C 0.7MPa， φf40， 将上述数据代入式 （1 ） 能够得出底板 岩体最大破坏深度距离工作面端的距离 l19.9m， 3 煤开采造成的底板破坏深度 h011.9m， 采空区内底板 破坏区沿水平方向的最大长度 l252.1m。 2 ）3 下煤层围岩破坏程度分析。 根据围岩松动 圈测试结果可知， 23305 下工作面回风巷松动圈的 厚度为 2.5m， 再结合 3 煤层与 3 下煤层间的平均 间距为 10m，上覆工作面底板破坏深度 h011.9m 知，巷道围岩的松动圈处于上部煤层采空区的破坏 带中，由于上覆煤层采空区底板破坏带与巷道松动 圈完全重叠，致使两煤层间的岩层受到上覆工作面 开采破坏和下部巷道开挖破坏的叠加作用，使得巷 道围岩破碎严重。 3 ）支护参数的确定。根据上述分析结果知巷道 松动圈的厚度为 2.5m，顶板岩层受到采动和巷道掘 进的双重破坏， 破碎严重， 根据相关研究可知该种情 况下的支护方案应运用拱形支护， 运用组合拱理论对 支护参数进行设计， 通过组合拱理论计算得出的结果 与工作面的具体地质情况相结合对回风巷采用锚网 索支护的各项支护参数进行确定。 顶板锚杆的直径为 Φ22mm， 长度为 3000mm， 顶 板锚杆的间排距 700700mm， 锚固长度为 1m， 顶板 锚索参数为 Φ21.6mm6000mm，间排距为 2200 2200mm， 靠近两帮的锚杆向巷帮方向倾斜成 10安 装， 其余锚杆垂直与巷道顶板打设， 锚杆的锚固长度 为 1.2m， 锚杆的安装预紧力大于 300N.m， 锚杆托盘 采用拱形高强度托盘， 同时采用规格为 5.4m2.3m， 网孔规格为 5050mm的经纬金属网进行护顶； 锚索 采用三花布置， 每排打设 2 根锚索， 锚索垂直与顶板 打设巷道两帮锚杆参数为 Φ22mm2500mm 的 1 19 股的钢绞线， 锚杆的间排距为 700700mm， 锚索 的安装预紧力为 300kN，锚索采用一支 MSK 和两支 MSZ2360 型树脂型锚固剂对锚索进行锚固，锚固长 度为 2700mm，钢筋梯子梁宽度为 100mm，直径 Φ10mm， 具体回风巷断面支护示意图如图 3 所示。 巷帮锚杆的间排距为 700mm700mm，锚杆直 径为 20mm， 长度为 3500mm， 锚杆的型号为左旋无纵 筋螺纹钢锚杆， 巷道断面内每排安装 4 根锚杆， 靠近 底板的锚杆向底板方向倾斜 15安装，其余锚杆均 垂直巷帮安装， 锚杆预紧力、 锚固剂、 托盘、 金属网及 锚杆的锚固长度与顶板参数相同。 另外在巷道顶板及 两帮安装由两根直径为 16mm焊接成的钢筋梯子梁， 其长宽 4600100mm， 通过钢筋梯子梁增加锚杆 105 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 （索 ） 间的轴向连接， 23305 下工作面回风巷支护形式 如图 3 所示。 图 3回风巷支护形式断面图 3.2效果分析 为对支护效果的合理性进行有效验证， 工作面回 采期间在回风巷不同位置处布置矿压观测站对巷道 表面位移及锚杆的受力状态进行有效监测， 在距离工 作面煤壁前方 185m 的位置处布置 1 号测站， 在距离 工作面煤壁 105m 的位置处布置 2 号测站， 在 2 个监 测站的位置处分别通过 “十字布点法” 进行巷道表面 位移的监测， 在锚杆 （索） 上安装 MJ- 40 锚杆测力计 对锚杆、 锚索的受力状态进行监测， 巷道观测断面内 布置 5 个锚杆测力计， 1 个锚索测力计。 1 ） 巷道表面位移。 根据矿压监测结果能够得出两 监测站巷道表面位移规律如图 4 所示。 （a ） 1 号测站 （b） 2 号测站 图 4巷道表面位移变化曲线 根据巷道表面位移的监测结果显示， 巷道两个不 同位置的测站基本呈现出一致的变化趋势， 1 号测站 均在 0～14 天内巷道围岩变形量较大， 顶底板最大移 近量为 40mm， 两帮最大移近量为 65mm， 顶底板的变 形速率为 2.85mm/d， 两帮变形速率为 4.64mm/d； 2 号 测站的顶底板最大移近量为 42mm， 两帮最大移近量 为 68mm， 顶底板的变形速率为 3mm/d， 两帮变形速 率为 4.86mm/d，在 14～25 天的时间内 2 个测站巷道 顶底板及两帮移近量均基本保持稳定， 这即表明巷道 围岩已经处于稳定状态， 巷道顶底板的最大移近量为 42mm， 两帮最大移近量为 68mm， 巷道围岩变形量在 现有支护方式下得到了有效控制。 2 ） 锚杆 （索 ） 受力状态。 通过对巷道顶板锚 （索 ） 的 受力状态进行持续 25d 的监测， 将所得数据绘制成曲 线， 如图 5 所示。 （a ） 1 号测站 （b） 2 号测站 图 5工作面回采期间回风巷锚杆 （索） 受力状态 通过分析图 5 可知， 两测站的锚杆 （索 ） 的受力状 态基本一致， 在工作面推进 11d， 顶板锚杆的受力状 态略有增幅，锚索的受力状态呈现水平状态， 在 11d～13d 期间， 锚杆 （索 ） 的受力状态均以较平缓的趋 势上升， 当工作面推进约 13d 时， 巷道锚杆受力特征 呈现逐渐增大的趋势， 但从总体看帮部锚杆的受力状 态较为平缓， 顶板锚杆的最大受力为 5MPa， 帮部锚杆 的最大受力为 5.2MPa， 锚索的最大受力为 4.8MPa。 故 根据锚杆、 锚索监测期间的受力状态可知， 大部分锚 杆、 锚索的受力值均小于设定值， 锚杆 （索） 处于稳定 状态， 故由此可知 23305 下工作面回风巷设计支护参 数较为合理。 4结论 通过对 23305 下工作面回风巷进行围岩松动圈 测试得知巷道围岩松动圈的厚度为 2.5m，根据理论 分析知 3 煤开采造成的底板破坏深度 h011.9m， 基 于此并结合具体地质情况对回风巷的支护参数进行 设计， 根据矿压监测数据知， 巷道在现有支护方式下 两帮的移近量为 68mm， 顶底板的移近量为 42mm， 有 效的控制了采空区下巷道围岩的变形。 （下转第 109 页 ） 106 ChaoXing （上接第 106 页 ） 参考文献 [1] 武宇,戴俊,李晨， 等.声波测试技术在巷道围岩松动区测 定中的应用[J].煤炭工程,2016,48 （12） 80- 8286. [2] 赵宾,梁宁宁,王方田， 等.浅埋高强度采动巷道围岩松动 圈 演 化 规 律 研 究 [J]. 煤 炭 科 学 技 术 ,2018,46（05） 33- 3946. [3] 孔皖军,郑根源,国伟， 等.采动条件下底板岩层破坏深度 动态测试研究及应用[J].煤炭工程,2018,50 （10） 96- 100. [4] 罗生虎,伍永平,王红伟， 等.大倾角煤层长壁开采底板非 对称破坏形态与滑移特征 [J]. 煤炭学报,2018,43 （08） 2155- 2161. 作者简介 亢克勤 （1987 年 1 月 -） ,男,汉族， 山西阳泉人， 助理工程 师， 现就职于阳煤集团三矿生产调度指挥中心。 （收稿日期 2019- 3- 18） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 电缆终端及接头处， 可使其充分紧密接触， 对整个电 缆接头的温度监测更密集、 更灵敏。 图 3电缆接头的测温光纤布设方式 3.2电缆桥架中探测光缆的安装 图 4电缆槽内测温光纤布设方式 煤矿井下各类缆线在实际敷设过程中为了美观 和达到标准化要求， 较多地采用桥架封闭安装。这给 电缆的散热和人工测温造成极大的不便， 针对此类监 测对象的特点，光缆安装采用 S型曲线方式铺设， 桥 架中电缆的温度就可以实时掌握。 3.3采用电缆钩吊挂的电缆的温度监测方式 煤矿井下现场各类电缆往往通过电缆钩成排吊 挂， 此时采取每根电缆紧密贴合布置一根光缆， 如图 5 所示 图 5 煤矿井下成排吊挂的电缆测温光纤布设方式 3.4高压开关柜静触头、 母排温度在线监测 煤矿地面各变配电所高压开关柜、井下防爆高 开、 移动变压器、 组合开关、 变频器等箱体式电气设备 都可采用光纤绕盘固定的安装方式， 对特定危险点重 点监测， 如图 6 所示。 4结语 王家岭煤矿在应用光纤测温系统后， 在其井下 15.7km巷道范围内， 总计约 57260m长的各类高低压 电缆沿途， 共布置了 6314 个温度监测点， 测点分布之 广、 监测信息量之大、 传输距离之长是传统测温方式 远远不能达到的。另外光纤测温系统的本安性、 耐腐 蚀、 耐高压、 抗电磁干扰性能特别优异， 并且能够自动 检测光缆断点精确位置， 为系统快速修复提供便利。 图 6 高压开关柜内测温光纤布设方式 在安全和经济效益方面， 光纤测温系统有效解决 了传统煤矿电工因工作量大、 疏忽大意、 责任心不足 等因素， 造成的人工巡查不到位， 火灾隐患发现不及 时 （往往等到冒烟时才能发现 ） 的巨大隐患， 给煤矿大 大节省了人力成本， 提高了煤矿井下供电系统的安全 可靠性。 参考文献 [1] 张在宣,刘天夫,张步新等.激光喇曼型分布光纤温度传感 器系统.光学学报,1995;15 （11） 1585～1589 [2] 林全德.浅谈煤矿井下电气火灾原因及其预防[J].能源与 环境,2006, （4） 110～111. [3] 李艳秋,曹钟中,靳涛.电力电缆火灾监测及防火预警系统 的研制[J].华北电力技术,2001, （2） 23～24. 作者简介 [1] 张学斌， 男,1985 年 10 月生,煤矿机电工程师， 山西王家 岭煤业有限公司机电副总工，毕业于河北工程大学， 研 究方向 煤矿机电。 [2] 王韶伟， 男,1984 年 10 月生,煤矿机电工程师， 山东科技 大学测控技术与仪器专业毕业， 研究方向 煤矿机电。 （收稿日期 2018- 11- 15） 109 ChaoXing