三软煤层巷道支护方式及围岩控制效果分析.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 1 0 0 5 50 4 V 0 1 ．3 3N o ．1 J a n ．2 0 0 4 三软煤层巷道支护方式及围岩控制效果分析 徐金海“3 ，诸化坤2 ，石炳华2 ，冯梅梅3 1 中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．徐州矿务集团公司，江苏徐州2 2 1 0 0 6 ；3 ．中国矿业大学理学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要在分析三软煤层极不稳定煤巷矿压特点基础上，研制了适应两帮大变形的可缩性工字钢 支架、适应两帮及顶底严重变形特别是底鼓的u 。可缩性环形支架，设计了锚架注联合支护的参 数与工艺，并在同一采区先后进行了工业性试验．采用数值模拟方法研究了三软条件下锚梁网索 支护不同参数选取、不同布置形式对围岩变形的控制效果，优选了支护参数并进行了现场试验． 比较试验结果，表明极不稳定煤巷围岩变形主要特点是强烈和持久的两帮移近及底鼓。锚梁网索 支护是控制围岩大变形的有效方法。其技术关键是提高锚杆初锚力、布置底角锚杆及顶角锚索． 关键词三软煤巷；底鼓；支护试验；顶角锚索 中图分类号T D3 5 3文献标识码A A n a l y s i so fS u p p o r tW a y so fR o a d w a ya n dI t sS u r r o u n d i n g ’S C o n t r o lE f l e e ti nT h r e e S o f tC o a lS e a m X UJ i n h a i l ⋯，C H UH u a k u n 2 ，S H IB i n g h u a 2 ．F E N GM e i m e i 3 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dE n e r g yR e s o u r c e s ，C U M T X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 2 ．Q u a n t a iM i n e ，X u z h o uC o a lM i n i n gG r o u p ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 6 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fS c i e n c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ey i e l d i n gI - s t e e ls u p p o r ta d a p t i n gt h el a r g ed e f o r m a t i o no fs i d e t o s i d ea n dt h eU 2 9 y i e l d i n gr o u n ds u p p o r ta d a p t i n gt h el a r g ed e f o r m a t i o no fs i d e t o - s i d ea n dr o o f t o f l o o r ，e s p e c i a l l y t h ef l o o rh e a v e ．w e r ed e v e l o p e db yt h ea n a l y s i so fu n d e r g r o u n db e h a v i o ro fm i g h t yu n s t a b l e r o a d w a y si nt h et h r e e s o f tc o a ls e a m ．T h ep a r a m e t e r sa n dt e c h n i q u e so ft h ec o m b i n e ds u p p o r tu s i n g a n c h o r i n g ，s u p p o r t i n ga n dg r o u t i n gw e r ed e s i g n e d ，a n dt h ei n d u s t r i a lt e s tw a sd o n es u c c e s s i v e l yi n t h es a m em i n i n ga r e a ．T h ee f f e c to nt h ec o n t r o lf o rs u r r o u n d i n gd e f o r m a t i o no fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s a n dd i f f e r e n ta r r a n g e m e n tw a y so ft h ec o m b i n e ds u p p o r tu s i n gb o l t s - b e a ma n dm e s h 、c a b l eo nt h e c o n d i t i o no ft h r e e s o f tw a ss t u d i e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．a n dt h es u p p o r tp a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e da n ds p o tt e s tw a sc a r r i e do u t ．T h et w ot e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i n c i p a lc h a r a c t e r so f t h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o no ft h em i g h t yu n s t a b l ec o a lr o a d w a y sa r et h es h a r pa n dp e r s i s t e n t f l o o rh e a v ea n dd i s p l a c e m e n to fs i d e t o s i d e ．T h eb o l t s b e a ma n dm e s h c a b l es u p p o r ti sa ne f f e c t i v e m e t h o dt oc o n t r o lt h el a r g ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，a n dt h ek e yo ft e c h n i q u ei st o i m p r o v et h es e t t i n ga n c h o r a g ef o r c eo fa n c h o rb o l t ，l a ya n c h o rb o l to fb o t t o ma n g l ea n da n c h o r c a b l eo ft o pa n g l e ． K e yw o r d s t h r e e s o f tc o a lr o a d w a y ；f l o o rh e a v e } s u p p o r t i n gt e s t ；a n c h o rc a b l eo ft o pa n g l e 徐州矿区东部权台、旗山、董庄等煤矿主采的二叠纪石盒子组3 号煤层，是典型的“三软”煤层 收精日期2 0 0 3 0 4 1 4 基金项目，国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 5 ；博士点基金项目 2 0 0 1 0 2 9 0 0 0 3 作者简介棘金海 1 9 6 3 一 ，男．扛苏省靖江市人．中国矿业大学副教授，博士研究生，从事采动岩体力学及采矿工程方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 同时其回采巷道具有断面大、埋深大、围岩地质条 件复杂、区段煤柱小等特点，按照“回采巷道围岩稳 定性分类方案”属于极不稳定回采巷道[ 1 ‘2 ] ，维护十 分困难．权台矿先后在其北翼采区回采巷道中试验 了可缩性工字钢支架、u 。型钢可缩性拱形支架和 环形支架、锚架注联合支护等，但均因围岩控制效 果不理想或施工工艺过于复杂、支护成本过高等因 素而未能大范围推广．近年来该矿与中国矿大合作 进行了三软煤层巷道锚杆支护技术研究，通过提高 锚杆初锚力、布置底角锚杆及顶角锚索，有效地控 制了围岩变形特别是强烈的底鼓．目前锚粱网索支 护方案已在全矿推广应用o ] ． 1 极不稳定煤层巷道矿压特点 1 ．1 围岩地质条件 北翼采区3 煤平均煤厚4 ．5m ，平均倾角1 7 。． 伪顶厚0 ．5 ～1 ．0m ，为泥或炭质泥岩，极易冒落． 对3 煤直接顶、直接底板岩石用x 衍射仪进行矿 物成分分析，确定顶板，底板粘土矿物分别占9 5 ％ 和9 9 ％，粘土矿物均以高岭石为主，顶、底板皆定 为灰黑色泥岩．顶底板厚度及力学性能见表1 ． 表1 璜底板力学性能 T a b l e1T h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft o p t o f l o o r 蝴称罂7 黼M P s 揣煮盛篱 直接顶 泥岩2 ～53 4 ．172 87 ．43 1 1 170 ．1 8 直接底 泥岩 ‘2 ．0 7 ～4 ．7 1 8 ．23 ．9 57 ．80 ．2 8 3 煤。’4 ～67 ．4 * ．因顶底板破碎，岩芯采取率仅为5 84 “．底板岩石试件数量 不足，无法做剪切强度试验} * * ．因煤的强度太低且破碎，试件基 本无法采取，仅做了单轴抗压强度试验} E 为弹性模量} c 为粘聚 力． 1 ．2 矿压特点 1 围岩强度低．巷道两帮及底板为3 煤，煤质 松软易破碎；顶板为泥岩，节理、裂隙、层理发育． 2 围岩受高构造应力及高支承压力的作用． 巷道埋深已达9 0 0m ，围岩静压力就达2 4M P a ，是 煤层强度的3 倍多．区内大小断层发育，存在较高 的构造应力． 3 巷道断面大、区段小煤柱增加了围岩控制 难度．目前工作面两巷掘进断面为1 3 ．0 2m 2 ，切眼 1 6m 2 ．区段煤柱宽4 ～5m ． 4 围岩变形剧烈，维护极其困难．变形特征表 现为两帮和顶底移近量大，尤其是底鼓量大，巷道 服务期间一般需经6 ～7 次卧底返修． 2 可缩性拱形支架及环形支架支护试验 2 ．1 试验条件及支护方案 试验巷道为北翼采区3 1 0 8 上分层回风平巷， 炮掘工艺，u 。支护试验段巷道净断面积1 0 ．5 6m 2 ， 环形支架试验段巷道净断面积6 ．6 7m 2 ，巷道埋深 4 7 5m ，区段煤柱宽5m ．由外至里分别为u 。型钢 可缩性拱形支架及环形支架支护试验段，支架间距 均为0 ．6m ．U t ，型钢可缩性拱形支架及环形支架 结构见图1 ． 图1U 。。型钢可缩性拱形支架及环形支架结构 F i g ．1T h ef r a m e w o r ko f s h a p es t e e la r c h e dy i e l d i n g s u p p o r ta n ds t e e lr o u n dy i e l d i n gs u p p o r t 2 ．2 试验结果评价 u z 。拱形可缩支架对巷道两帮及顶板既有较高 的支护阻力，又能适应软岩变形规律有一定的可缩 量，且架设方便，工人易于操作．因此在软煤层回采 巷道中曾得到广泛应用．但因支架与围岩之间存在 架后空隙，支架对围岩没有主动支护作用，对底板 没有支护作用，故无法有效控制巷道底鼓．由表2 可见，巷道顶底相对移近量累计21 6 9m m ，其中 8 0 ％是由底鼓引起的，两帮相对移近量12 3 8m m ． u z 。环型可缩性支架是全封闭式支架，支护阻 力比u 。。拱形可缩支架大大提高，因而控制围岩变 形效果明显，尤其是控制底鼓效果明显，但支架加 工、制造较复杂，施工麻烦，回收支架困难，因而未 能得到推广应用． 裹23 1 0 8 工作面风巷U 2 9 拱形和U 2 9 环形支护段矿压观测结果 T a b l e2T h es t r a t ac o n t r o lo b s e r v a t i o nd a t ao fU 2 sa r c h e da n dc i r c u l a rs u p p o r ti n t h ea i re n t r yo f3 1 0 8c o a lf a c e 万方数据 第1 期徐金海等三软煤层巷遭支护方式及围岩控制效果分析 3 锚架注联合支护试验 3 ．1 试验条件及支护方案 试验巷道为北翼采区3 1 1 6 t 分层回风平巷， 炮掘工艺，净断面积7 ．4 4m 2 ，巷道埋深6 8 0m ，区 段煤柱宽4 ～5m ，支护方案在巷道掘进头用杆体 可拉伸锚杆与工字钢梯形侧向可缩性支架联合支 护，锚杆只加固巷道两帮和底角，滞后迎头一定距 离用Z D K 高水速凝材料注浆加固巷道下帮和底 角‘引． 支护参数i 工字钢梯形侧向可缩支架用1 l 号工字钢制造，一侧最大侧向缩量2 5 0m m ，侧向 滑移阻力4 0k N ，支架棚距0 ．8m ．2 锚杆布置如 图2 所示．用A 。圆钢制成 1 4m m 杆体可伸长锚 杆，长1 ．7m ．每两架金属支架之间打一排锚杆，锚 杆排距0 ．8m ．3 注浆采用Z K D 高水速凝材料，水 灰比1 ．8 ；1 ，注浆孔深2 ．0m ，孔间距0 ．6 ～ 0 ．8 m ，排距0 ．8 m ，布置方式如图3 所示．注浆压 力0 ．1 ～0 ．1 5M P a ，最大不超过0 ．2M P a ，注浆工 艺滞后掘进头1 5 0m ． 图3 注浆孔布置图 F i g ．3G r o u t i n gh o l ea r c a n g e m e n t 3 ．2 矿压观测结果分析 锚架注联合支护由锚杆加固巷道两帮和底角， 由注浆加固巷道底角及底板，由工字钢可缩支架支 护顶板及两帮围岩，既充分发挥了锚杆及注浆加固 围岩、提高围岩自承能力和稳定性的作用，又利用 可缩性支架阻止围岩进一步变形、离层和破坏口] ． 由表3 可见，这种支护方式较好地控制了巷道底 鼓，巷道断面收缩率比上述两种支护显著降低，支 架的复用率也较高．但联合支护方案成本高工序复 杂，因而也未能得到推广应用． 表33 1 1 6 工作面风巷矿压观测结果 T a b l e3T h eo b s e r v a t i o nr e s u l to fr o c kp r e s s u r e o ft h ea i r w a yo fw o r k i n gf a c eo fN o ．3 1 1 6 接架注联合支1 0 0t4 0 226 7 037 44 9 ．7 ∥ 2 00l7 8 521 7 938 94 77 注卧底次数指每次卧底高度均为0 ．3m ；巷道高度指不计卧底 的回复高度；巷道面积指不计卧底的回复面积． 4 锚梁网索支护的数值模拟与参数设计 4 ．1 试验巷道支护参数的确定 试验巷道为北翼采区3 1 1 8 综放面运输平巷和 回风平巷，煤层平均厚度4 ．5m ，倾角1 8 ～2 3 。，掘 进断面1 3 ．0 2m 2 ．巷道埋深在7 2 0 ～8 0 0m ，区段煤 柱宽4 ～5 1 2 1 ． 为了选择支护方式，确定支护参数，根据试验 巷道围岩地质条件和力学参数，采用F L A C 3 ．3 软 件比较了锚梁网索与桁架锚杆支护效果；计算分析 了锚索锚杆布置方式对控制底鼓的作用；及锚粱网 索支护参数的模拟优选． 4 ．1 ．1F L A C 3 ．3 数值模拟结果分析 1 锚杆锚索联合支护与单独桁架锚杆支护相 比，顶底板移近量减少了2 5 ％，其中顶板下沉量减 少了1 3 0 ％，底鼓量减少了2 1 ％，两帮移近量减少 了4 5 ％，煤帮塑性区减少了2 1 ％．可见锚杆锚索 联合支护方案优于单独桁架锚杆支护． 2 锚索向两帮靠近后两帮相对位移量为 6 2 0m m ，底鼓量7 2 5m m ，顶板下沉为4 5m m ；锚索 向巷道中间布置后两帮相对位移为8 2 0m m ，底鼓 量9 3 0m m ，顶板下沉为3 5m m ．巷道顶、帮与底三 者相互影响相互联系，锚索布置方式对控制底鼓起 重要作用．因此选择支护参数时必须综合考虑． 3 巷道岩性不同，锚杆 索 长度、问排距、锚 固长度等选择范围也不同，过大、过小对控制围岩 变形都不利．锚杆长度对煤帮塑性区深度影响较 大，锚杆长为2 ．4m 时，底板鼓起，仅顶板局部受 拉破坏，两帮煤体塑性区深度为7 ．9 5m ；锚杆长为 1 ．8m 时，顶底板皆严重受拉破坏，两帮煤体塑性 区深度达8 ．9 2 m ，比锚杆长为2 ．4 m 时，塑性区深 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 度增加近1m ． 4 ．1 ．2 支护参数 顶板锚杆 2 0 22 0 0m m 高强螺纹钢锚杆， 树脂药卷加长锚固，排距8 0 0m m ；帮底锚杆 1 8 18 0 0m mA 3 圆钢锚杆，排距8 0 0m m ；钢筋梯梁 姐8 圆钢焊接加工；菱形金属网8 4 铁丝编制；锚固 剂C K 2 3 3 5 和Z E 3 6 0 型树脂药卷每锚杆孔各一 卷；顶板锚索十1 5 ．2 4 65 0 0m m 钢绞线，每根距 帮5 0 0 ～8 0 0m m ，沿轴向两列布置，排距为30 0 0 h i m ．支护断面如图4 所示． 图4 锚粱网索支护断面图 F i g ．4T h ec r o s ss e c t i o no fs u p p o r tu s i n g b o l t s ．．b e a ma n dm e s h ．．c a b l e 4 ．2 方案实施效果分析 锚杆锚索支护属于主动支护，安装时施加较大 的预紧力，围岩强度得到提高，将载荷体变为承载 体，有效地控制巷道围岩变形．锚索靠近两帮布置 可使顶板中形成的应力拱脚向巷道深处发展，降低 了煤帮浅处与底板中的应力，有效地控制巷道两帮 位移与底鼓[ 6 ] ．由表4 可见，与棚式支架相比，巷道 裹43 4 1 1 8 综放面巷道变形观测结果 T a b l e4T h ed e f o r m a t i o no l m e r v a t l o nr e s a l to ft h e r o a d w a yo ft h ef u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c eo fN o ．3 4 ”8 巷道名称测站项一毪需肾搿搿 ；怒髻警 变形量已大大降低．同时，由于锚杆支护简化了回 采期间超前支护及上_ F 出口支护工序，省去了繁重 的替棚工作，为工作面综放开采实现高产高效创造 了条件． 5 结论 1 与棚式支架相比，锚梁网索支护控制极不 稳定巷道围岩在技术和经济上存在明显优势．u 。。 拱形支架由于不能有效控制底鼓，不适应极不稳定 巷道围岩条件．u 。。环形支架虽然控制底鼓效果较 好，但对较大的巷道轴向水平应力不适应，造成支 架损坏严重．且制造成本高，安装及回收工序复杂． 锚架注联合支护有效地控制了围岩变形，但工序复 杂，支护成本高． 2 锚粱网索联合支护的技术关键是强调高强 锚杆的初锚力，以及采用顶角锚索配合底角锚杆控 制底鼓．权台煤矿工程实践中锚杆初锚力控制在 2t 以上，顶角锚索距帮0 ．5 ～o ．8m ． 3 权台煤矿3 4 1 1 8 工作面两巷及切眼进行的 锚梁网索支护试验，取得了良好的社会效益和安全 效益，经济效益也十分可观．试验的成功证明了在 三软厚煤层、大采深高应力、大断面小煤柱极不稳 定回采巷道使用锚杆支护是可行的．目前这种支护 方式已在权台矿及徐州矿区推广应用． 参考文献 [ 1 ] 邹喜i E ，万德营．徐州矿区缓倾斜、倾斜煤层回采巷道 围岩稳定性分类方案的研究口] ．江苏煤炭，1 9 8 9 3 ； 1 1 1 7 ． [ 2 ] 邹喜正，万德营．徐州矿区回采巷道支护专家系统的 研究[ J 3 ．江苏煤炭，1 9 9 4 4 3 6 3 9 ． [ 3 ] 诸化坤，刘相寿．极不稳定顶板“三软”煤层巷道支 护技术研究[ J J ．江苏煤炭，2 0 0 2 1 56 ． E 4 3 侯朝炯，郭励生，勾攀峰．煤巷锚杆支护E M 3 ．徐州中 国矿业大学出版社，1 9 9 9 ．2 1 3 2 1 6 ． F 5 3 杨新安，陆士良．软岩巷道锚注支护理论与技术的研 究口] ．煤炭学报．1 9 9 7 ，2 2 1 3 2 3 6 ． [ 6 ] 缪协兴，陈智纯．软岩力学E M 3 ．徐州中国矿业大学 出版社，1 ．9 9 5 ．1 ．7 0 2 0 1 。 责任编辑王玉浚 万方数据