大断面支护方式浅析.pdf

技术协作信息 大断面支护方式浅析 随着煤矿行业的迅猛发展， 各种先进的生产工艺与煤矿生产完美结合， 使煤矿产能进一步被开发， 建设千万吨大 矿早已不是梦想， 各种大型机械设备在煤矿的应用越来越广泛， 但同时也会面临一些困难 大型机械设备需要更大的 安装使用空间， 在掘进施工过程中， 大断面巷道的施工工艺以及支护方式将会是所有大型矿井面临的问题， 是急于解 决的问题， 施工工艺及支护方式已被高度重视。 （作者单位 辽宁铁法能源有限责任公司晓南矿） 技术探讨与推广 ◎鲁尚军 马立功 根据晓南矿煤矿实际情况， 以断面积 在 20㎡以上的断面界定为大断面。 根据地 质条件不同， 大断面巷道的施工工艺及支 护方式也会不同， 结合晓南矿的复杂地质 条件， 对采煤工作面切眼大断面巷道的施 工工艺、 支护方式进行探讨和分析， 对其他 地质条件的大断面巷道施工方法提供理 论依据及实践指导。 一、 巷道破坏形态及分析 锚杆支护巷道变形破坏的过程如下 顶板整体稳定性遭到掘进破坏而离层弯 曲， 金属网下垂形成掉包； 两帮在顶板岩层 挤压下发生变形、 片帮， 上部锚网控制区内 挤压成凸形， 下部煤岩壁片帮， 锚杆失效； 底板自由变形， 底鼓现象普遍， 巷道总体空 间收敛， 最终造成巷道变形破坏。压力显 现明显的主要原因 支护参数设计不当， 巷 道成形质量及支护质量差是锚网支护巷 道变形破坏的关键所在。 1.主要原因有 （1） 巷道成形质量差。 巷道成形不均， 凹凸不平， 承压不均 匀， 造成局部地段压力集中， 使设计支护强 度不能承担顶板压力， 造成掉包、 变形， 最 终破坏。 （2） 支护质量差。 锚杆托盘紧固不及时， 端头锚固的锚 杆支护方式就是依靠托盘提供锚固力的， 根据树脂药卷特性，要求药卷在凝固后 3 至 5 分钟， 就要立即对锚杆进行预紧， 预紧 不及时， 就会导致巷道受力在平衡的过程 中随围岩的蠕动变形被自然 “预紧” ， 致使 初始围岩运动不受限制， 层间结构强度大 大减弱， 围岩松动圈进一步扩大， 为巷道变 形破坏提供了条件。 （3） 锚杆支护设计不合理。 锚杆支护设计一般按照经验类比法 进行设计， 缺乏理论依据， 尤其在大断面巷 道的施工过程中， 一方面缺少断面类比数 据及经验， 另一方面经验类比法也不可靠， 类比法虽能满足部分巷道对支护强度的 要求， 但更多情况下是强度过大造成隐形 浪费， 或强度不够造成巷道破坏。 2.采取的措施 （1） 采用综掘工艺施工巷道， 与爆破施 工工艺比较， 更具安全性， 且在巷道成形及 对围岩的破坏方面更有优势。 （2） 确保施工质量， 尤其在锚杆预紧及 锚杆间排距、 巷道成型方面。 （3） 采用更科学的锚杆支护设计方法， 依靠先进的支护理论设计巷道支护用的 锚杆长度、 间排距等， 是支护设计更科学， 更可靠， 且能提高施工进度， 节支降耗。 二、 断面设计 巷道断面及其尺寸是巷道断面设计 的主要参数， 是巷道掘进施工与支护的依 据， 我国煤矿巷道的断面形状常选用矩形、 梯形、 直墙圆拱形断面， 其合理与否直接影 响到煤矿生产的安全和经济效果。本论文 以铁法煤业集团晓南煤矿北一 1501 切眼 工作面为例进行探讨研究。 1.巷道尺寸的确定。 由于切眼设计要满足回采准备期间 三机和液压支架安装条件， 经设备选型后， 将巷道掘进断面确定为高 3000mm，掘进 宽度 7000mm。 从用途方面考虑， 矩形断面 可满足需要。 2.从断面形状受力方面考虑。 先从矩形断面、 半圆拱形断面的受力 情况做一比较 （1） 矩形断面巷道中， 顶板简化为两边 固定、 受均匀分布载荷的压力， 该断面巷道 顶板受巷帮岩体的支撑作用， 给岩体的反 作用力并非是均匀分布的。即巷道帮部作 为支点， 帮部承担顶帮交接处的压力， 该处 顶板不承压， 顶板中顶处压力集中， 从现场 观察， 也是中顶处顶板最先变形、 甚至破 坏， 也就是说矩形断面并不能把压力均匀 分布， 而是造成压力集中， 容易发生冒顶事 故，且帮部较高，巷高小于 2m 时还能支 撑，如果换做巷高达到 5.2m 的大断面， 帮 部太高， 极易造成偏帮， 发生事故。 （2） 分析拱形断面受力， 顶板处围岩给 顶板施加的压力仍然是均匀分布的。该断 面由于顶板成半圆形， 顶板作用给围岩的 作用力方向是与巷道设计轮廓线切线垂 直， 通过半圆周反作用力的合力， 与顶板压 力达到平衡。 三、 支护设计 煤矿进行巷道支护是为了使巷道围 岩进行稳定的一种措施， 用支护的方式防 止围岩发生运动甚至坍塌， 提高围岩自身 的支持能力， 从而来维护正常的工作。 在对 巷道进行支护时， 选择的材料支护方式很 多， 有木质支架、 金属支架以及锚杆支护 等， 最初是使用木质支架进行巷道支护的， 但是由于井下环境潮湿， 木质材料长时间 易于变质腐烂， 造成支护效果差。 金属支架 运输困难， 成本高， 施工难度大。锚杆支护 方式工艺简单， 支护效果好， 成本低， 所以 将支护方式确定为锚网索喷支护。 四、 实践及结论 将晓南煤矿 北一 1501 切眼工作面的 大断面作为实验对象。该断面掘进高度 3000mm， 掘进宽度 7000mm， 掘进断面积 21m3。 在施工该大断面巷道时， 要提前探明 顶板岩性， 选择顶板稳定、 岩性整体性好的 地段施工， 更能保证巷道在施工、 使用时的 效果。 根据具体情况及理论计算， 最终选定 锚杆长度为 2200mm，间排距为 800 900mm，锚索长度 5200mm，锚索直径 Φ21.6， 间排距为 18001800mm。 在该条件下按照该方法施工，北一 1501 切眼工作面的大断面在施工过程中顶 板稳定， 未发生片帮及冒顶事故， 且整个安 装过程中， 顶板情况依然良好， 无明显下沉 现象综采工作面回采期间， 在巷道内架木 垛加强支护， 使该断面顺利回采， 最终达到 施工、 使用、 回撤均顺利、 安全。 五、 总结 在煤矿设备大型化的趋势下， 大断面 巷道的掘进施工、 使用效果及回采安全均 已成为必须面临和解决的困难， 本文从理 论上分析计算， 在晓南煤矿北一 1501 切眼 工作面进行了实践， 取得了良好效果， 但煤 矿顶板冒落的本质机理十分复杂， 理论传 统的计算与实际情况存在差别， 不同地质 条件下的大断面将面临哪些不同的问题， 还有待进一步研究。 作者简介 鲁尚军， 高级工程师， 现任 晓南矿综掘队队长。 窑窑