三交河煤矿复杂顶板巷道围岩变形控制研究与应用_董胜杰.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 软岩巷道围岩控制技术研究一直以来都是地下 空间支护的难点问题之一， 针对煤矿井下软弱顶底板 巷道的支护与围岩变形控制研究， 有专家学者曾做了 详尽研究[1-5]。 山西焦煤霍州煤电集团三交河煤矿现开 采 10 煤层， 煤层直接顶为较厚泥岩层， 最大厚度达 到 8.7m，此顶板巷道支护时，锚杆锚索锚固效果不 佳， 甚至出现锚固体失效现象， 以 10- 203 回采巷为 例，巷道掘进后 1～2 个月内出现了顶板变形破碎严 重， 局部出现垮落冒顶现象。 现采用理论分析、 取样试 验、 工程实测的综合研究方法， 对顶板泥岩试样做了 相关特性分析研究， 并在研究基础上对现场巷道进行 了支护参数优化， 实现了 “锚 - 网 - 喷” 联合支护方 式控制围岩， 取得了良好的实际效果， 从而保证了巷 道安全稳定， 降低了巷道返修率， 促进了回采效率提 升， 具有重要的理论指导意义与实际工程实用价值。 1工程概况 1.1煤层特征 表 1煤层顶底板岩性特征 山西焦煤霍州煤电集团三交河煤矿 10- 203 回采 运输巷位于井下二采区 850m 水平南翼，其掘进工 作面东侧 30m为 10- 201 采空区，西侧为实体煤， 南 侧为实体煤， 北侧为下组煤辅助运输巷。 10- 203 掘进 巷道沿 10 煤层走向布置， 底板掘进， 设计断面为矩 形， 净宽 4.0m， 净高 2.7m， 设计长度 1765m， 主要用于 10- 203 回采工作面进风、 运煤及行人。10 煤层埋深 326m～369m， 平均埋深 348m， 煤层厚度 1.6～2.5m， 平 均厚度 3.5m， 煤层倾角 0～10， 平均倾角 5。煤 层特征为 黑色块状， 条带状结构为主， 呈弱沥青光 泽， 煤层组份以亮煤为主， 暗煤次之， 镜煤少许。煤层 三交河煤矿复杂顶板巷道围岩变形控制研究与应用 董胜杰 （霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司 ， 山西 洪洞 041602 ） 摘要 为解决霍州煤电三交河煤矿厚泥岩顶板回采巷道围岩变形严重且不易控制的难题，现采用 理论分析、 取样试验、 现场监测的综合方法， 研究了试样泥岩的 X 射线衍射图谱、 崩解过程及扫描电 镜图， 提出了巷道锚 - 网 - 喷联合支护体系。结果表明 试样泥岩矿物成分含量达 70， 遇水膨胀， 裂 隙发育严重； 经高强度锚 - 网 - 喷优化支护后， 巷道围岩变形能够控制在合理范围之内。 关键词 泥岩顶板 ； 变形严重 ； 取样试验 ； 联合支护 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0036- 04 Research and Application of Surrounding Rock Deation Control in Complex Roof Roadway of Sanjiaohe Coal Mine DONG Shengjie （Huozhou Coal and ElectricityGroup Luhe CokingCoal Co., Ltd. , Hongdong 041602 ， China ） Abstract In order to solve the problem that the surrounding rock of the thick mudstone roof mining roadway in Huojia coal- fired Sanjiaohe coal mine is seriously deed and difficult to control, the X- ray diffraction pattern of the sample mudstone is studied by the comprehensive of theoretical analysis, sampling test and on- site monitoring. , disintegration process and scanning electron micrograph, proposed a roadway anchor- net- spray combined support system. The results showthat the mineral content of the mudstone of the sample is up to 70, and the water swelling is serious, and the crack is developed seriously. After the high- strength anchor- net- spray optimization support, the deation ofthe surroundingrock ofthe roadwaycan be controlled within a reasonable range. Key words mudstone roof; severe deation ; samplingtest ; joint support 顶底板名称岩石名称厚度/m岩性特征 基本顶K2 灰岩10.1～13.5 深灰色， 裂隙发育， 有方解石充填， 含大 量动物碎片化石。 直接顶 泥岩0～3.0深灰色， 泥质结构， 遇水膨胀， 平坦端口。 煤线0～0.7黑色， 块状， 亮煤夹暗煤。 泥岩0.8～5.0深灰色， 泥质结构， 遇水膨胀， 平坦端口。 直接底泥岩2.5～6.7 深灰色， 泥质结构， 裂隙发育， 平坦端口， 含植物化石， 局部为泥质灰岩。 老底K1 砂岩2.1～5.3 灰白色， 长石， 石英为主， 分选性差， 分布 炭质纹理。 36 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 可采指数为 1， 变异系数为 15， 夹矸为泥岩。 煤层直 接顶与直接底均为泥岩， 结构稳定性较差， 顶底板岩 性特征见表 1 所示。 1.2水文地质情况 通过对地表水、 煤层顶板含水层、 上覆采空区积 水等情况的勘察与分析， 10- 203 水文地质条件为中 等。 其中顶板上部含水层为 K2、 K3 灰岩含水层， 在地 质构造发育及含水层裂隙发育地段， 顶板淋水可能性 增加， 会对回采及掘进工作面造成一定影响。 1.3巷道支护方式 10- 203 回采巷道顶板采用锚网梁、 锚索、 钢板联 合支护方式，顶锚杆选用 φ182000mm 的高强锚 杆，“五五” 布置， 间排距为 900mm1000mm， 顶锚 索选用 φ21.6mm5200mm 的钢绞线，“二二” 布 置， 间排距为 2000mm2000mm； 巷道两帮采用锚网 梁支护方式，帮锚杆选用 φ18mm2000mm 的高强 锚杆，“三 三” 布置， 间排距为 1000mm1000mm。 1.4巷道围岩破坏特征 距现场调研及观察， 10- 203 新掘巷道采用现有 支护体系下， 在掘出 1 个月左右时， 巷道顶板开始出 现开裂、 破碎、 脱落、 淋水等现象， 甚至局部发生整体 冒落情况， 顶板部分锚索出现拉裂、 脱落现象， 对巷道 安全及行人安全均带来了巨大威胁， 加之巷道高度不 大， 返修维护等作业进行难度随之增加。 2泥岩顶板特性分析 如图 1，为顶板泥岩试样的 X 射线衍射图谱， 可 见， 泥岩试样成分中， 石英、 高岭石、 伊利石等黏土类 矿物成分占比极大， 其含量高达 70左右。 图 1泥岩试样 X 射线衍射图谱 如下图 2， 为顶板泥岩试样经过饱水 - 风干连续 4 个循环的破坏崩解过程， 可见， 初始泥岩试样为完 整岩芯， 如图 2 （a ） ,在经历 2 个循环过后， 出现了一定 程度的断裂、 掉落现象， 如图 2 （b ） ； 在经历 3 个循环 过后， 近半岩芯已完全破碎脱离整体， 如图 2c， 在经 历 4 个循环之后， 岩芯发生了完全破断、 碎裂现象， 如 图 2 （d ） 。 （a ）初始岩样（b） 2 个循环 （c ）初始岩样（d）2 个循环 图 2泥岩试样崩解过程 如图 3， 为顶板泥岩试样扫描电镜图， 可见， 有大 量薄片状高岭石及条叶状绿脱石与伊利石， 其毫无规 则的杂乱堆积， 相互间插， 无规律分布， 结构单元体已 失去应有的定向性， 可见有明显裂隙生成。 图 3泥岩试样扫描电镜图 结合以上研究所述， 10- 203 巷道顶板泥岩中黏 土类矿物含量占比较大， 遇水易膨胀破碎， 且泥岩结 构内生裂隙发育。当巷道开挖后， 巷道围岩应力重新 分布， 导致顶板泥岩微小裂隙发育严重， 同时扩展、 贯 通， 宏观表现为明显裂隙生成， 易形成导水通道。 3围岩支护优化 由上文分析可知，巷道顶板泥岩层的不稳定性 是巷道整体失稳的关键问题所在， 顶板泥岩软弱、 破 碎的性质使得锚固体锚固效果不佳，锚固区内围岩 结构强度不足， 承载能力较差， 而且， 顶板泥岩层遇 水极易膨胀，故现有的支护体系已不能够成为巷道 保持稳定的依靠，亟需以新的支护体系加强对围岩 变形的控制。 3.1围岩结构优化 原先巷道断面尺寸为 4000mm2700mm，现对 37 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 即将要掘出的巷道要求断面为 4200mm2800mm， 即两帮各扩宽 100mm， 顶板上扩 100mm， 为喷射混凝 土留设足够空间。另外， 由于 10 煤层顶板存在大约 500mm 厚的破碎伪顶难以控制，且煤层直接底也为 裂隙发育、 遇水膨胀的泥岩层， 所以要求新掘巷道改 为沿 10 煤层破顶破底掘进。 3.2围岩支护参数优化 1 ） 喷射混凝土。对新掘巷道围岩要求喷射密集 混凝土， 其中， 巷道顶板喷射厚度 50mm， 巷道两帮 上部500mm 内喷射厚度 30mm， 严格遵守喷射规程， 达到要求喷射强度。 2 ） 支护体优化。锚杆顶板采用 φ20mm 2200mm 高强度螺纹钢锚杆取代原先的 φ18mm 2000mm锚杆， 两帮仍采用 φ18mm2000mm的高强 锚杆， 为了加强控制巷道上帮角围岩处的变形， 巷道 顶角及两帮角的锚杆布置均向上帮角倾斜 20。锚 索 顶 板 锚 索 长 度 由 原 先 的 5200mm 增 长 为 7000mm，布置角度由原先的垂直布置改变为向外倾 斜 20布置。锚网 为加强顶板下位岩层刚度， 采用 φ6.5mm钢筋焊接网取代原铁丝网和钢筋梯子梁。 巷 道优化支护方案与原支护方案断面对比图如图 4。 （a ）原方案（b）优化方案 图 4巷道支护优化方案与原方案断面对比图 4优化效果分析 4.1数值试验分析 （a ）5MPa（b）10MPa（c ） 15MPa 图 5围岩破裂演化过程 如图 5 所示， 为 10- 203 应用优化支护方案后的 巷道围岩破裂及剪应力演化过程。 可见， 初始阶段， 锚 杆索所受剪应力分布匀称， 变形协调较好， 支护体系 整体较为稳定，能够有效控制围岩变形；当加压至 10MPa 时，巷道顶角开始出现一定裂隙；当加压至 15MPa 时， 锚索仍能够承担围岩剪应力， 并能切断围 岩顶角的塑形滑移线， 使得在巷道顶板上方能够形成 一个具有一定能力和范围的承载体结构。总的来说， 优化支护方案可使巷道围岩稳定性得到良好的控制。 4.2工程应用分析 在 10- 203 回采巷道应用优化支护方案后， 在 10- 203 回采工作面推进过程中，对回采巷道围岩变 形情况进行了实时动态监测， 监测结果如图 6 所示。 图 6围岩变形监测曲线图 由图 6 可知， 回采期间， 回采工作面距测站 40m 以外时， 巷道 ing 版及两帮位移量变化不明显； 回采 工作面距测站 40m 时，回采巷道顶板及两帮变形开 始增加； 当回采工作面推进至距测站 20m 时， 巷道顶 板及两帮位移急剧加大；当工作面与测站重合时， 顶 板累积下沉量为 370mm， 两帮累积收缩量为 250mm。 以上监测结果表明， 采用优化支护方案后的巷道能够 保证回采安全生产， 且距工程现场调研可知， 采用优 化支护方案后， 10- 203 回采巷道围岩整体变形量能 够控制在合理范围之内， 且巷道支护构件受力较为均 匀， 巷道整体较为稳定， 有效改善了原先巷道围岩破 坏严重， 顶板变形不易控制的难题。 5结论 1 ） 顶板泥岩试样中，黏土类矿物成分占比高达 70， 遇水极易膨胀， 且内生裂隙较为发育； 2 ）提出采用高强度锚杆索 - 喷射混凝土 - 钢筋 焊接网联合支护巷道围岩技术； 3 ）优化支护参数后的 10- 203 泥岩顶板回采巷 道可保证围岩变形量控制在合理范围之内， 巷道稳定 性明显提升， 同时可保证回采作业的安全快速进行。 参考文献 [1] 何满潮,郭志飚,任爱武,等.柳海矿运输大巷返修工程深部 （下转第 41 页 ） 38 ChaoXing （上接第 38 页 ） 软岩支护设计研究[J]. 煤岩土工程学报,2005,27 （9） 977- 980． [2] 柴肇云,康天合,李义宝.物化型软岩微结构单元特征及其 胀缩性研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25 （6） 1265－ 1269． [3] 姜耀东,王宏伟,赵毅鑫,等.极软岩回采巷道互补控制支 护技术研究[J]岩石力学与工程学报,2009,28 （12） 2383－ 2390． [4] 刘长武,陆士良.泥岩遇水崩解软化机制的研究[J].岩土力 学,2000,21 （1） 28－31． [5] 周翠英,邓毅梅,谭祥韶,等.饱水软岩力学性质软化的试 验研究与应用[J].岩石力学与工程学报,2005,24 （1） 33－ 38． 作者简介 董胜杰 （1984 年 8 月 -） ， 男， 汉族， 山东菏泽人， 2017 年 1 月毕业太原理工大学， 采矿工程专业， 本科学历， 助理工程 师， 现任霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司生产处科员。 （收稿日期 2019- 7- 17） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 况， 巷道围岩破碎， 锚杆、 锚索锚固力不能满足设计需 要时， 需对巷道两帮围岩进行注浆加固， 充填巷道围 岩裂隙， 改善围岩结构， 提高围岩整体性， 从而提高巷 帮承载能力。在巷道两帮施工上下两排钻孔， 矩形布 置， 上排钻孔距顶板 1m， 下排钻孔距顶板 2m， 排距 2m， 采用 525 水泥和水玻璃进行注浆。 4 ） 顶板全锚索支护。 当巷道过陷落柱期间顶板锚 杆、 锚索锚固力不满足实际需要时， 改变顶板支护方 式， 采用顶板全锚索支护， 由锚索替代原锚杆支护， 锚 索间排距与原锚杆间排距保持一致， 并采用全长预应 力锚固， 保证顶板锚索支护锚固力。 5 ） 围岩喷浆封闭。由于巷道直接顶为泥岩， 易风 化变形破碎， 加之陷落柱影响范围内巷道围岩节理裂 隙发育， 使得空气通过节理裂隙进入围岩内部， 导致 深部围岩风化， 加速巷道围岩变形破坏， 因此， 根据探 测揭露陷落柱情况，在陷落柱前后影响区各 20m 范 围内进行喷浆封闭巷道围岩，防止围岩产生风化变 形。喷浆采用 C20 混泥土， 喷浆厚度 50mm。 6 ） 顶板动态监测。在巷道陷落柱影响范围内， 每 隔 10m安设一个顶板离层仪，及时监测顶板离层情 况， 发现离层加大， 顶板出现网兜等情况时， 提前采取 措施进行顶板补强。 4实施效果分析 通过井下工业性试验， 采用 EBZ260 机组截割过 陷落柱， 可以有效提高掘进效率。掘进进尺由原来的 每天 2m， 可以提高至每天 5m， 掘进效率提升 150， 很大程度上缓解了采掘衔接紧张的局面。 同时取消打 眼放炮作业， 节省人工， 避免放炮所带来的各种风险。 采用喷浆作业后， 顶板等到了有效控制， 并采用 “十 字” 测量法对硐室开口处顶板下沉量进行监测， 顶板 下沉量不大于 150mm， 两帮收缩量不大于 250mm， 巷 道支护效果良好。 5结语 地质构造是影响巷道掘进效率的重要因素之 一， 陷落柱内矸石硬度大时需要采用炮掘， 掘进效率 低，通过改进巷道掘进设备，采用大功率的掘进机 组， 直接截割过陷落柱， 巷道掘进效率提升 150； 优 化了巷道过陷落柱期间的支护方案， 通过采用 “增强 顶板护表、 检测支护质量、 注浆加固巷帮、 顶板全锚 索支护、喷浆封闭和顶板动态监测”等综合技术措 施， 保证了巷道支护效果， 实现了巷道安全、 快速、 高 效过陷落柱。 参考文献 [1] 禹程. 矿井大断面巷道快速掘进技术 [J]. 能源与节能， 2019，（2） 136- 137. 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