大断面软岩巷道掘进煤帮片帮防治探究_王力.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 软岩巷道的实质就是巷道围岩工程强度较差， 岩 石内部裂隙发育， 在受到工程扰动后， 极易发生垮落 失稳[1]。 在我国煤炭开采过程中， 软岩巷道围岩控制问 题较为突出， 尤其是在煤层巷道掘进过程中。煤层巷 道在掘进过程中， 在综掘机截割煤层后， 巷道永久支 护之前，由于煤层自稳能力差加之临时支护强度弱， 在巷道煤壁受到掘进扰动的影响， 极易发生片帮垮落， 给一线掘进人员与掘进设备造成严重的安全隐患[2]。 贾晓龙 [3] 针对煤巷在掘进过程中的片帮问题，采用 FLAC3D数值模拟的方法，研究了巷道掘进过程中锚 杆预紧力、 锚杆强度对巷道表面位移、 围岩塑性区分 布影响， 为防止煤壁片帮对某矿全煤巷道在掘进时的 永久支护形式进行了设计， 但未能提出有效的控制巷 道在临时支护期间的煤壁片帮问题进行研究。郗泽 松[4]针对某矿快速掘进煤巷中的煤壁片帮问题， 从实 践出发， 提出了 “短掘短支” 的巷道掘进控制煤壁片帮 的方法， 但这一方法对矿井所配置的机械设备要求较 高， 所需成本加大， 不太适宜全面推广。同时， 由于矿 井地质条件纷繁复杂， 难以采用一准理论与方法一以 贯之，必须针对某一煤层甚至某一顺槽进行具体分 析， 才能有效解决顺槽在掘进过程中的片帮问题。 1工程概况 霍尔辛赫 3308 运输顺槽掘进工作面主要开掘 3 煤，位于一水平三盘区采区名称，地面标高 935～942m， 底板标高 420～440m， 地面主要村落均处 于保护煤柱范围内， 巷道上方各构筑物均都在保护煤 柱线内， 巷道掘进与工作面回采对其无影响。 3308 运 输顺槽井下东侧为五条大巷； 西、 南侧未掘进； 北侧为 3301、 3302 回采工作面已经回采完， 3307 工作面目前 正在回采。巷道预掘长度 749.8m。3 煤层煤质为黑 色， 块状， 细条带状结构， 中下部夹薄层泥岩， 岩性为 炭质泥岩， 煤层厚度为 5.5～5.7m 平均 5.6m， 煤层倾 角 2～10平均 6， 煤层层理为中等发育， 煤层节 理为中等发育， 巷道顶底板厚度与岩性见表 1。3308 运输顺槽掘进范围内无明显地质构造， 无断层与陷落 柱揭露， 3308 运输顺槽掘进范围内地质条件与水文 地质情况简单。 3308 运输顺槽沿 3 号煤层底板掘进，设计长度 749.8m， 巷道为矩形断面， 净宽 5.0m， 毛宽 5.2m， 净高 大断面软岩巷道掘进煤帮片帮防治探究 王力 （山西霍尔辛赫煤业有限责任公司 ，山西 长治 046600 ） 摘要 本文依托霍尔辛赫 3308 运输顺槽掘进工作面临时支护失效导致多次煤帮片帮的事故发生 的工程实际， 采用现场调研的方法， 确定运输顺槽围岩均为 3 煤层， 采用实验室岩石力学与 SEM的 方法确定顺槽围岩为软岩。结合现场实际， 确定了顺槽临时支护失效的原因。提出 “巷道顶帮联合控 制” 的掘进工作面临时支护原理， 并进行了设计与应用。 关键词 掘进工作面 ； 巷道两帮片帮 ； 临时支护 ； “巷道顶帮联合控制” 中图分类号 TD353 文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0160- 04 Study on Prevention and Control of Coal Band Slab in Large Section Soft Rock Roadway Driving WANG Li （Shanxi Holsingh Coal IndustryCo., Ltd. , Shanxi Changzhi 046600 ） Abstract In this paper, based on the engineering practice that the failure of support during the excavation of Halsinkh 3308 transport trench leads to the occurrence of many accidents of coal side and side, the of field investigation is adopted to determine that the surrounding rock oftransport trench is 3 coal seam, and the surroundingrock oftransport trench is determined tobe soft rock bythe oflaboratory rock mechanics and SEM. Combining with the field practice, the reasons for the failure of temporary support along the groove are determined. This paper puts forward the principle of “joint control ofroofand side ofroadway” in face oftime support, and designs and applies it. Keywords Drivingface ; Twosides and one side ofroadway; Temporarysupport ; “Joint control ofroadwayroofand side” 160 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 3.3m，毛高 3.4m，净断面积 16.5m2，掘进断面积 17.68m2， 顺槽断面较大， 主要担负 3308 工作面主要 设备运输与工作面煤流运输以及为输送工作面新鲜 风流等任务。 表 1煤层顶底板情况表 2煤岩力学性质实验室测定 （a ） 部分煤岩样（b） 抗压强度测定 （c ） 抗拉强度测定（d） 抗剪强度测定 图 1试件测定仪器及测定过程 为充分对 3308 运输顺槽围岩强度进行分析， 在 运输顺槽围岩稳定段钻取岩芯， 在实验室加工成标准 件后， 进行岩石力学强度测定， 见图 1。 3308 运输顺槽 围岩强度见表 2。 表 2岩石物理、 力学性质试验成果表 同时， 采用 SEM的方法， 对煤层微观结构进行了 观测， 见图 2。3 煤构造裂隙较为发育， 裂隙面平直， 延伸较长， 可切入其它分层； 变质气孔较为发育， 但分 布不均匀， 单个气孔在形态上有圆形、 椭圆形和不规 则形态等， 相互之间的连通性较差。煤层节理裂隙的 发育， 推测煤层强度较弱。 （a ） 放大 300 倍（b） 放大 2400 倍 图 23 煤层微观结构 3巷道原有巷道临时支护及效果 3.1巷道原有支护参数 巷道在综掘机截割后， 在敲帮问顶确定顶板安全 之后， 立即铺顶网， 并进行临时支护， 具体参数为 前 探梁采用长 L5.0m、 外径 3 寸钢管制作， 共 2 根 （备 用一根， 壁厚 6mm ） ， 前探梁表面无锈蚀、 无裂痕， 无 变形；每根前探梁配有 2 套特制吊环 （采用厚度 5mm、宽度 50mm、长度 800mm 的铁板弯制成边长 200mm 吊环，在吊环上焊接锚杆吊挂专用吊具） ， 吊 挂在顶板锚杆上；在每根前探梁前端增加一套 L梁， L梁上焊接三组挂钩，用于安设工作面迎头护帮板。 前探梁上放置 1 块护顶板和 1 块护帮板，护顶板规 格 4500mm 200mm 40mm， 护 帮 板 规 格 4500mm200mm40mm， 如图 3 所示。 图 3原临时支护示意图 3.2巷道原有支护效果 巷道在掘进时， 由于对巷道帮部控制不足， 盲目 认为掘进工作面的临时支护重点为控制巷道顶板变 形， 对巷道全断面临时控制片面的转换为巷道顶板支 护， 共造成巷道帮部片帮 3 次， 片帮素描图， 见图 4。 由这三次煤壁片帮形态可知， 由于煤壁受到掘进 扰动集中应力的影响， 原生裂隙发育的煤体更为裂隙 发育， 在顶板载荷与自重应力的双重作用下， 随即发 顶底板 名称 岩石 名称 厚度 （m ） 岩性特征 老顶 细粒 砂岩 2.50 细粒砂岩， 浅灰色， 中厚层状， 以石英为主， 长石次之， 含少量暗色矿物， 小型板状交错层理， 产少量不完整 植物根部化石， 参差状断口半坚硬。 直接顶泥岩2.80 泥岩， 灰色-深灰色， 中厚层状， 参差状断口， 产丰富不 完整植物根茎叶化石， 半坚硬， 与下伏岩层呈明显接 触。 伪顶泥岩0.50 泥岩， 灰色-深灰色， 中厚层状， 参差状断口， 产丰富不 完整植物根茎叶化石， 半坚硬， 与下伏岩层呈明显接 触。 直接底泥岩0.70 泥岩， 深灰色， 中厚层状， 参差状断口， 产丰富不完整 植物根茎叶化石， 半坚硬， 与下伏岩层呈过渡接触。 老底 砂质 泥岩 2.00 砂质泥岩， 浅灰色， 中厚层状， 以石英为主， 长石次之， 含少量暗色矿物， 均匀层理， 参差状断口， 半坚硬。 采样点岩性抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内磨擦角/ 3 煤老顶泥岩 16.71.73028′ 3 煤 煤9.50.7.42836′ 3 煤直接底中粒砂岩 50.04.783340′ 161 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 生拉压破坏，最大破坏高度 2.4m，最大破坏深度 0.8m。 （a ） 压破坏（b） 拉破坏（c ）自重引起的破坏 图 4煤壁片帮素描图 4巷道优化支护形式及效果 4.1巷道优化支护形式确定 针对 3308 运输顺槽掘进工作面两帮煤壁失稳破 坏的问题， 认为单纯的对掘进工作面顶板以及迎头面 进行支护的措施，无法有效控制掘进工作面围岩稳 定，故考虑通过设置掘进工作面临时支护煤壁护帮 板， 加大对两帮煤壁位移的控制， 提供一定的支护强 度， 以保证煤壁的稳定性。 优化临时支护措施为 前探 梁采用长 L5.0m、 外径 3 寸钢管制作， 共 7 根 （备用 2 根， 壁厚 6mm ） ， 前探梁表面无锈蚀、 无裂痕， 无变 形； 每根前探梁配有 2 套特制吊环 （采用厚度 5mm、 宽度 50mm、长度 800mm 的铁板弯制成边长 200mm 吊环， 在吊环上焊接锚杆吊挂专用吊具 ） ， 吊挂在顶板 锚杆上； 在每根前探梁前端增加一套 L 梁， 用于安设 工作面迎头护帮板。 前探梁上放置 1 块护顶板和 1 块 护帮板， 在两排锚杆中间使用铰接环在掘进工作面平 行方向上安置两根前探梁， 在每根前探梁前端增加一 套 L 梁，安设工作面两帮护帮板。护顶板规格 4500mm200mm40mm，护帮板规格 4500mm 200mm40mm。 图 5优化临时支护示意图 4.2支护效果检测 优化后的 “巷道顶帮联合控制” 的临时支护措施， 对巷道迎头以及两帮裸露面进行了主动支护， 提供了 一定的支护强度， 有效避免了运输顺槽在受到掘进扰 动后的两帮片帮问题。为进一步观察 “巷道顶帮联合 控制” 对顺槽围岩稳定性的影响， 对掘进工作面两帮 围岩进行了原位钻孔窥视， 以观察顺槽掘进工作面在 临时支护后的围岩稳定情况， 见图 6。 （a ） 顺槽左帮（b） 顺槽右帮 图 6优化临时支护两帮 0～1m 窥视图 在图 6 中， 可以清晰看到， 顺槽接近工作面临时 支护段围岩基本保持稳定， 围岩内部裂隙未见明显扩 展， 说明 “巷道顶帮联合控制” 的临时支护措施基本保 障了顺槽围岩的稳定性， 这种方法较原临时支护措施 在成本与操作步骤上类似，但对围岩控制效果明显， 相较于其他控制掘进工作面煤壁片帮的方法有着明 显的成本优势， 值得大范围推广。 5结论 本文依托霍尔辛赫 3308 运输顺槽掘进工作面临 时支护失效导致多次煤帮片帮的事故发生的工程实 际， 进行了研究， 得出了以下结论 1 ） 3308 工作面运输顺槽围岩均为 3 煤层， 实验 室测得煤层 9.5MPa， 结合 SEM观测可以发现煤层节 理裂隙的发育，综合确定 3308 运输顺槽围岩属于软 岩范畴。 2 ） 结合 3308 工作面运输顺槽掘进工作面临时 支护段煤帮数次片帮实际，确定掘进工作面片帮主 要诱因为在临时支护段未能对巷道煤帮提供有效支 护强度。 3 ） 提出 “巷道顶帮联合控制” 的掘进工作面临时 支护原理， 并进行了设计与应用。 实践表明， 该措施具 有简单易操作、 支护效果好、 成本投入少等优点， 可以 大范围推广。（下转第 165 页 ） 162 ChaoXing （上接第 162 页 ） 参考文献 [1] 王渭明,高鑫,景继东,刘成良,周继华.弱胶结软岩巷道锚 网索耦合支护技术研究[J].煤炭科学技术,2014,42 （01） 23- 26. 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[4] 郗泽松. 易片帮巷道快速掘进与维护技术研究 [J]. 煤, 2016,25 （07） 20- 22. 作者简介 王力 （19987-） ， 男， 汉族， 山西武乡人， 本科， 2014 年毕 业于太原理工大学， 助理工程师。（收稿日期 2019- 6- 6） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 在保持前面中试验中其它条件不变的情况下， 改 变 超 声 波 辐 照 时 间 ， 分 别 为 10min， 20min， 30min， 40min 和 50min， 记录浮精产率及灰分， 绘制可 燃体回收率变化曲线， 如图 2 所示。 图 2不同时间超声波辐照后浮选可燃体回收率变化趋势 如图 2 所示， 随着超声波辐照时间的延长， 浮选 可燃体回收率呈现先增加后降低的趋势。这说明， 随 着超声波处理时间的延长， 风化煤颗粒表面的氧化层 清洗程度加大， 疏水性能的改善程度加大， 同时由于 超声波的作用， 捕收剂的分散度及反应活性也都进一 步改善， 因此可燃体回收率不断增加。当这两种作用 的改善程度达到一定阶段后， 可燃体回收率达到最大 值， 此时在一定范围内继续增加超声波辐照时间不能 继续改善浮选效果， 相反， 如果超声波辐照时间过长， 空化作用的效果过于剧烈， 使得煤泥水中的极细颗粒 比例增加， 不利于浮选效果的改善， 因此如图 2 中所 示， 当超声波辐照时间达到 50min 后， 可燃体回收率 出现降低趋势。综合以上分析， 本文认为超声波的最 佳作用时长应为 40min。 3结论 本文采用单因素试验法进行实验室单元浮选试 验， 采用超声波辐照法对风化煤泥进行处理， 并以浮 选精煤可燃体回收率作为主要评价指标， 确定最佳的 超声波处理工艺， 改善风化煤泥浮选效果， 并得到以 下结论 1 ） 超声波辐照既可以清洗风化煤颗粒表面， 又可 以改善捕收剂分散效果及反应活性， 因此采用在超声 波辐照前添加捕收剂的处理工艺可使其对浮选的改 善效果最大化， 起泡剂添加与超声波辐照的先后顺序 变化对浮选效果没有明显影响； 2 ） 在改善浮选效果的用途中， 超声波辐照时间最 佳值为 40min， 可燃体回收率由 53.6增加至 81.1， 辐照时间过长或过短都会对浮选效果造成负面影响。 参考文献 [1] 李政勇,余悦发.超声波处理对高灰氧化炼焦煤泥浮选的 影响[J].煤炭技术,2017,36 （12） 288- 291. 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