大采高工作面锚杆支护巷道局部冒顶机理研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 孙志勇林 健王子越等.大采高工作面锚杆支护巷道局部冒顶机理研究.煤炭科学技术 . / .. . . . / .. 大采高工作面锚杆支护巷道局部冒顶机理研究 孙志勇林 健王子越张 镇颜立新王 涛 天地科技股份有限公司 开采设计事业部北京 摘 要基于大采高工作面巷道冒顶制约煤矿安全生产的问题采用现场实测和数值模拟方法研究了 巷道局部冒顶的影响因素 现场测试表明冒顶位置巷道直接顶板为 . 泥岩且为多层复合锚 索锚固端附近存在泥质页岩软弱岩层黏土矿物占比达 . 锚杆锚固区内外均发生明显离层支 护体受岩层错动发生剪切变形 数值模拟得出受回采动压未稳定区域掘巷、护巷煤柱尺寸小、支护 强度和刚度不足等因素影响顶板软弱节理面发生离层支护应力场完整性丧失围岩塑性破坏后发 生冒落 提出在地质异常区及时支护、增大支护强度防止锚固区离层、加强施工质量检测等技术手 段提高巷道安全系数为减少冒顶事故提供工程借鉴 关键词大采高工作面锚杆支护现场测试数值模拟冒顶原因 中图分类号 文献标志码 文章编号 .. . . . . . . . . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目国家重点研发计划资助项目国家自然科学基金面上基金资助项目中国煤炭科工集团有限公司科技 创新创业资金资助项目 作者简介孙志勇男山东诸城人助理研究员硕士 . 引 言 目前顶板事故是我国煤矿事故主要类型根据 国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察 局 事故查询系统公布的数据 “ 十二五” 期间 年全国煤矿事故发生 起死亡 人其中顶板事故 起占 .死亡 人占 . 年全国煤矿顶板事故 起和死亡 人继续居各类事故之首分别占总事 故起数和总死亡人数的 .和 .安全生 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 孙志勇等大采高工作面锚杆支护巷道局部冒顶机理研究 年第 期 产形势依然严峻 煤矿锚杆支护巷道局部冒顶主要 发生在掘进工作面处、巷道维修处和巷道交叉点冒 顶形式大致可分为 类掘进工作面片冒型 主要是由于存在不稳定顶板、围岩节理裂隙发育等 地质条件造成的大范围压垮型一般发生在 已施工的巷道中主要是由于支护设计不当、支护体 破断、工程质量低劣等因素造成的局部漏冒 型巷道直接顶板易风化或受节理裂隙的影响顶锚 杆之间发生局部漏顶继而扩大塌漏抽冒如不及时 控制则最终形成冒落拱 锚杆支护因其成本低、施工速度快、围岩控制效 果好等优点被广泛应用在煤矿巷道围岩控制 中 樊克恭等研究了巷道围岩弱结构破坏 失稳过程提出了采用非均称控制理论来控制巷道 围岩的方法周维垣指出巷道围岩失稳的决定因 素在于岩体中的结构面它直接制约着岩体的变形、 破坏和裂纹扩展过程康红普等认为锚杆支护能 够有效控制锚固区围岩的变形、破坏和裂隙扩张提 高围岩的承载能力减少冒顶事故的发生 山西晋 煤集团从 年开始推广应用锚杆支护技术目前 每年采用锚杆支护的巷道总长度在 万 以上 锚杆支护率达到 以上 随着矿井采掘设备的 大型化、瓦斯涌出量的加大以及生产规模的扩大采 掘巷道断面越来越大顶板管理的难度也在增 加 寺河煤矿作为晋煤集团的主力生产矿井巷 道跨度达到 .. 年锚杆支护巷道发生 冒顶事故 起侥幸未造成人员伤亡 笔者基于此 次冒顶事故系统分析了锚杆支护巷道支护失效的 原因为提高锚杆支护技术管理水平和巷道安全系 数减少或杜绝类似条件巷道冒顶事故的再发生提 供工程借鉴 工程概况 冒顶事故发生地点为寺河煤矿西井区 巷巷道断面为高宽. . 巷道开口沿 号煤层底板掘进由于不易留设顶煤变更为沿 号 煤顶板掘进巷道共掘进 冒顶位置前端距巷 口 距变坡点 尾端距掘进工作面 处冒落断面为长宽高 如图 所示 该位置 号煤层底板标高 对应地面 标高 盖山厚度为 附近无明显地质构 造影响 工作面于 年 月下旬回采结 束、 巷为留巷巷道继续为下个工作 面服务 巷为底板岩巷掘进层位距 号 煤层底板垂距为 与 巷之间平距为 距 采空区净煤柱 图 巷道布置 巷于 年 月中旬开始施工与 巷之间净煤柱宽度为 巷道采用锚杆 锚索支护支护参数为顶板每排布置 根型号 为 的高强螺纹钢锚杆树脂加长锚 固预紧力矩为 间排距为 . . 配套 的钢筋梯梁支护 沿煤层底板掘进时 顶锚索型号为 ./ 变坡后 锚索长度变更为 . 树脂加长锚固预紧力为 采用 “”布置间距 . 排距 . 煤帮采用非对称支护方式煤柱侧帮每排布 置 根型号为 的高强螺纹钢锚杆 树脂加长锚固预紧力矩为 间排距为 . . 配套规格为 的 型钢护板支护 实体煤侧帮采用型号为 的单体圆钢锚杆支护 采用悬臂式掘进机掘 进单体锚杆钻机支护掘进循环一般为掘 排支护 排或者掘 排支护、 排 现场取样及测试分析 . 岩层矿物成分分析 从冒顶现场分析巷道冒高 锚索锚固 端边缘之间存在多层厚度不大、分层明显的泥质 岩层强度较低冒高 以上岩层光滑平整 在冒 高 之间岩层进行取样 依据 沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物 射线衍射 分析方法进行岩层岩性及成分分析岩性均为泥 质页岩 将岩样的 射线衍射图谱与矿物的标准 射线衍射数据对比进行定性分析确定岩样中矿物 种类和含量以及黏土矿物总含量见表 黏土矿 物 射线衍射分析结果见表 试验结果表明巷道上方 顶板岩性为泥 质页岩黏土矿物占比达到 .其他成分为石 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 英、钾长石、斜长石、菱铁矿占比为 . 黏土矿 物主要为伊蒙混层、高岭石、伊利石及绿泥石其中 伊蒙混层占黏土矿物的 .高岭石占 .伊 利石占 .绿泥石占 . 表 矿物 射线衍射分析结果 编号 矿物种类和含量/ 石英钾长石斜长石菱铁矿 黏土矿物 总含量/ ..... ..... ..... 表 黏土矿物 射线衍射分析结果 编号 黏土矿物相对含量/ / / 混层比 / / / 注 为蒙皂石类 / 为伊蒙混层 为伊利石 为高岭石 为绿泥石/ 为绿蒙混层 从黏土矿物 射线衍射分析结果来看其中具 有强膨胀性、吸水软化膨胀力学特性的伊蒙混层含 量高达 .伊蒙混层含量较高的黏土矿物遇水 后极易发生膨胀降低岩体的力学性能降低导致巷 道维护困难顶板变形量增大 . 顶板岩性分析 为了获取冒顶区域附近巷道顶板岩层的真实信 息最直接有效的方法为钻孔取心 对钻取的岩心 进行岩性判定编制岩层柱状图如图 所示冒顶 位置直接顶板泥岩和砂质泥岩的厚度增大至 . . 与工作面综合柱状图中泥岩厚度为 . 存 在很大区别 . 顶板结构测试 利用钻孔窥视仪观测顶板围岩结构从测试结 果分析巷道浅部围岩和深部围岩均有离层现象发 生节理裂隙极其发育浅部和深部离层为顶板冒落 提供了初始裂隙如图 所示 离层主要发生在以 下位置. 锚杆自由段、.. 锚索自由 段和锚固段、.. 锚索锚固端上方 . 围岩与支护体变形分析 巷掘进过程中顶煤难以留设围岩变 形明显围岩变形特征如下 巷道顶板为泥岩自身强度较低掘进期间 围岩裂隙开始扩展并逐渐由浅扩展至深部产生大 范围松软破碎区金属网凸起形成大挠度的鼓包 下沉明显顶板呈现倒 字型巷道断面收缩严重 图 图 巷道顶板岩层柱状 . 图 顶板结构测试结果 图 巷道围岩变形特征 巷帮变形呈现不对称性实体煤侧帮采用圆 钢锚杆小托盘单体支护支护强度偏低距巷道底 板 . 处帮部出现台阶式鼓出鼓出量达 支护体整体外移煤柱侧帮变形量较小 图 为冒顶区回收的锚杆锚杆尾端锚固剂呈 现螺旋状说明该位置岩层较软打孔过程中钻孔呈 现螺旋状最终导致锚固剂搅拌过程中出现这种 情况 支护体锚杆锚索 受力复杂需承受拉、压、 扭、转、弯等多种载荷及其叠加作用锚杆、锚索受岩 层错动影响发生弯曲锚杆弯曲位置主要有 个位 置孔口、锚杆自由段、锚杆锚固段自由段交界面 锚索弯曲主要发生 个位置孔口、距孔口 位置 锚杆锚固端边缘说明这些位置顶板岩层发生过 明显的水平错动变形特征如图 所示 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 孙志勇等大采高工作面锚杆支护巷道局部冒顶机理研究 年第 期 图 锚杆尾部螺旋状锚固剂 图 锚杆索支护体变形特征 巷道支护数值模拟分析 根据寺河矿地质资料建立数值分析模型表 选用摩尔库仑本构模型在岩层交界处建立 模拟层理面用 单元模拟煤层及围 岩 采用固定边界条件底部采用固定约束上部施 加等效载荷两端边界沿 方向工作面倾斜方向 固定约束前后边界沿 方向巷道轴向方向固定 约束 开挖过程按照工程实施步骤进行开挖真实 地模拟了顶板冒落过程 表 岩层模拟参数 层位层厚/ 体积模 量/ 剪切模 量/ 抗拉强 度/ 黏聚力/ 粗砂岩..... 中砂岩..... 泥质页岩..... 砂质泥岩..... 泥岩..... 号煤..... 泥岩..... 粉砂岩..... 工作面回采完全垮塌后受强烈动压影 响 巷围岩塑性区明显扩展 与 巷间 煤柱在 开挖之前已发生 塑性变形顶板岩层结构面发生剪切滑动破坏在层 理面下方围岩的支承下此时围岩并未发生离层 工作面回采后采空区上覆围岩压力向工作 面邻近围岩转移 巷与 巷间隔 煤柱所受垂直应力量值进一步增大达到 . 与原岩应力相比上升了 工作面 回采后围岩塑性区分布如图 所示 巷未 掘进仅在图中表示其位置 图 工作面回采后围岩塑性区分布 . 基于上述模拟获得的 巷处应力集中程 度建立 巷小范围细化模型对顶板冒落过 程进行详细模拟每计算一定时步即对 巷 围岩塑性区、层理面错动及张开状态进行监测 冒顶发展过程为 在未稳定动压区内的掘巷顶板上方浅部 泥岩砂质泥岩交界面及深部 处出现拉伸破 坏但由于层理下方围岩的支承作用层理面破坏后 并未张开产生离层 塑性变形围岩受到进一步扰 动掘进工作面易片冒即是一种宏观表现 由于支护强度和刚度不足顶板浅部泥岩发 生塑性破坏节理面发生离层失去自稳能力锚杆 锚索支护应力场完整性丧失浅部离层围岩仅靠锚 索悬吊于上方岩层 顶板层理持续扩展由于锚索锚固端位置处 在软弱岩层砂质泥岩泥质页岩边缘抗剪切能 力差受水平应力影响顶板沿软弱岩层交界面产生 离层泥质页岩及其下部泥岩与砂岩顶板发生脱离 离层围岩发生塑性破坏锚杆锚索支护失 效围岩在自重作用下发生冒落 结 论 现场测试表明冒顶位置巷道直接顶板为泥 岩厚度达到. 且为多层复合各层间层理面易 发生剪切破坏 锚索锚固端附近存在厚度为 . 的泥质页岩黏土矿物占比达 .为天然软弱结 构面强度低且难维护 顶板结构测试得出泥岩层 间错动导致锚杆锚固区内外发生明显离层支护体 发生较大剪切变形浅部和深部离层为顶板冒落提 供了初始裂隙 数 值 模 拟 表 明 工 作 面 回 采 后 中国煤炭行业知识服务平台w w w . ch in a ca j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 巷完全处在塑性破坏区范围内巷道在动 压未稳定区域掘进造成应力进一步叠加加之 护巷煤柱偏小增快了围岩的破坏速度 顶板支护 不及时支护刚度和强度不足导致浅部围岩进一步 发生离层和裂隙扩展等有害扩容变形 锚索锚固区 域过小未穿过软弱层理面整体范围内未形成稳定 承载结构是导致冒顶事故发生的根本原因 从 巷围岩变形情况来看圆钢锚杆 支护侧帮移近 .. 两帮移近导致巷道顶板 出现倒“”字型破坏 因此需加强煤帮支护提高 帮部对顶板的承载力 建议针对地质或应力异常 区如动压影响区、顶板泥岩增厚区等应缩小空顶 距锚杆锚索应紧跟掘进工作面及时支护掘进循环 变更为掘 排锚 排防止锚固区内发生离层破坏 同时加强地质异常区施工质量检查与巷道围岩稳定 性监测巷道变形急剧增大时应立即采取应急措施 参考文献 国家煤矿安全监察局. 年全国煤矿事故分析报告.北 京国家煤矿安全监察局. 石印宗.煤巷锚杆支护冒顶事故的类型及预防.煤矿开采 . . . . 王襄禹张宏伟李国栋.弱胶结富水顶板巷道围岩控制技术 研究.煤炭科学技术. . . . 郝玉龙陈云敏王 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