伯方煤矿3209工作面回风巷松软围岩控制技术研究.pdf

902020 年第 6 期 伯方煤矿 3209 工作面 回风巷松软围岩控制技术研究 苏 晨 （山西兰花科技创业有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400） 摘 要 为保障 3209 工作面回风巷松软围岩的稳定，根据巷道变形具体特征，确定采用“强帮护顶”让压高强锚杆支护 技术，结合巷道特征进行各项支护参数的设计，掘进期间巷道顶板整体性良好，解决了围岩变形量大的主要问题，保障了 松软围岩的稳定。 关键词 松软 围岩 让压 支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.032 Study on Control Technology of Soft Rock in Backwind Lane of the 3209 Working Face of Bofang Coal Mine Su Chen （Bofang Coal Mine Branch of Shanxi Orchid Technology Venture Co., Ltd., Shanxi Gaoping 048400） Abstract In order to ensure the stability of the soft surrounding rock in the air return roadway of 3209 working face, according to the specific characteristics of the roadway deation, it is determined to adopt the technology of “strong side supporting roof“ and high-strength anchor bolt supporting, combined with the characteristics of the roadway to design the supporting parameters. During the excavation, the integrity of the roadway roof is good, the main problem of large deation of the surrounding rock is solved, and the stability of the soft surrounding rock is guaranteed. Key words soft surrounding rock yield support 收稿日期 2020-01-06 作者简介 苏晨（1986-），男，山西高平人，2013 年 1 月毕业 于太原理工大学煤矿开采技术专业，助理工程师，现为探放水队 技术员。 1 工程概况 山西兰花科创集团伯方煤矿 3209 工作面位于 二盘区的左翼，北部为 3211 工作面（已采），南 部为 3207 工作面（已采），东部为二盘区回风及 轨道巷，西部为实体煤。工作面主采 3煤层，煤层 均厚为 4.71m，倾角为 26，平均 4。煤层节理 裂隙较为发育，属于松软煤层。煤层直接顶为黑灰 色泥岩，均厚 3.68m；基本顶为深灰色中粒砂岩， 均厚 8.36m；直接底为黑灰色细砂岩，均厚 2.29m； 基本底为灰黑色砂质泥岩，均厚 1.05m。 3209 工作面回风巷沿煤层底板掘进，巷道掘进 宽度为 4.4m，掘进高度为 4.0m。由于巷道围岩为 松软围岩，采用普通的锚网索支护不能保障巷道围 岩的稳定，尤其在巷道肩角的位置处易出现垮落、 两帮片帮、围岩变形量大的问题。故为充分保障巷 道围岩的稳定，现针对 3209 工作面回风巷的具体 特征，拟采用让压高强锚杆支护技术。 2 松软围岩稳定性控制原理 根据松软围岩的特征可知，随着巷道围岩所受 载荷的增大，会使得围岩内原本存在的节理裂隙进 一步发育，使得巷道围岩内部的节理裂隙相互贯通， 大幅度地降低围岩的整体承载能力，出现顶底板及 两帮移近量大的问题，无法保障围岩的稳定。松软 围岩巷道顶板、两帮及肩角位置的破坏机理及控制 对策如下 （1）巷道顶板。在巷道围岩所受的水平应力 较大时，巷道帮部浅部围岩会在拉应力作用下出现 明显的破坏，进而使得帮部深部围岩体由处于受压 状态转化为受拉状态。随着巷道围岩所受载荷的增 大，巷道帮部的破坏深度及塑性区范围会逐渐增大， 912020 年第 6 期 进而使得帮部的承载能力大范围降低，致使顶板岩 层的裂隙进一步发育，顶板下沉量进一步增大，导 致顶板失稳。巷道顶板直接顶稳定的准则如下 Mmax≤[ ]2 z i I h σ （1） 式中 Mmax- 顶板岩层承受的最大弯矩值； [σ] - 顶板岩层所能承受的最大拉应力； Iz- 顶板岩层的惯性矩； hi- 顶板岩层的厚度。 （2）巷道帮部。在巷道煤帮受到的水平应力 大于巷道顶板与煤体的内摩擦角时，若采取巷帮的 支护，则帮部会出现明显的片帮内移现象，增大煤 帮的支护强度，使煤帮由单向受力的状态转变为三 轴受力状态，进而有效增大帮部围岩体的稳定性。 在巷道所受应力增大时，必须提升帮部的支护强度， 有效控制帮部围岩浅部围岩体节理裂隙的发育。 （3）巷道肩角。巷道顶板受到的最大弯矩值 一般会出现在巷道肩角位置处，因此在巷道顶板出 现失稳时，巷道肩角一般会先出现大范围的破坏现 象。故为保障巷道顶板及肩角围岩体的稳定，需保 障巷道顶板所受到的弯矩的最大值应小于顶板岩层 所能承受的最大弯矩值。故针对松软破碎围岩进行 支护设计时，需在合理范围内尽可能地增大巷道肩 角处的支护强度，能够有效减小巷道顶板的下沉量， 保障肩角围岩的稳定。 具体松软围岩巷道在载荷作用下，围岩裂隙结 构的发育程度如图 1 所示。 图 1 松软围岩裂隙结构发育示意图 针对松软围岩巷道的变形破坏特征，为保障围 岩的稳定，需采用“强帮护顶”的支护方式，同时 需提供给围岩一定的变形空间，即采用“强帮护顶” 让压高强锚杆支护技术。该支护原理为通过提升 巷道帮部的支护强度和刚度，能够有效地控制住帮 部围岩体的裂隙发育，顶板锚杆与锚索间形成层次 的梯次支护。“强帮护顶”的支护结构示意图如图 2 所示。 图 2 “强帮护顶”支护方式示意图 3 围岩控制技术 3.1 支护方案 3209 工作面的巷道松动圈为 3.43.6m，确定 在巷道顶板采用高强锚杆与让压锚索结合的支护方 式。结合巷道围岩的具体特征，进行具体支护方案 的设计。具体支护方案如下 （1）顶板支护。锚杆采用高强螺纹钢锚杆， 规格为 Φ20mm2400mm，每排布置 6 根，间排 距为 800mm700mm。锚杆采用端头锚固的方 式，理论锚固力为 120kN，设置锚杆的预紧力矩大 于 300Nm。在靠近两顶角处的锚杆与巷道顶板成 75布置，其余锚杆均与巷道顶板垂直布置。在施 加锚杆预紧力时需保障预紧力矩的数值，需进行两 次或多次预紧力的施加来保障其效果。顶板锚索采 用让压锚索， 规格为Φ21.6mm8000mm， 采用3-2-3 布置的方式，设置间排距为 1300mm700mm，锚 固方式同样采用端头锚固，设置预紧力为 200kN， 锚索的外露长度为 300mm，锚索托盘采用配合的让 压托盘。在顶板使用 M 型钢带，将高强锚杆与让压 锚索有效连接为一个整体，提升锚杆和锚索预应力 的扩散面积，另外挂设 11铁丝经纬网。 （2）巷帮支护。帮部锚杆采用高强螺纹钢锚 杆，规格为 Φ20mm2400mm，每排布置 3 根锚 杆，设置间排距为 1700mm700mm，靠近顶角及 底角的锚杆与帮部成 15布置，中部锚杆与帮部垂 直布置，帮部锚杆预紧力矩不小于 200Nm，锚杆 采用端头锚固的方式。锚索采用让压锚索，规格为 Φ18.9mm4800mm，每排布置 3 根短让压锚索， 间排距为 1700mm700mm，锚索预紧力不小于 150kN，同样采用 M 型钢带和铁丝经纬网进行护帮 922020 年第 6 期 作业。 3209 工作面回风巷“强帮护顶”让压高强度锚 杆支护方式的各项参数如图 3 所示。 （a）断面图 （b）俯视图 图 3 3209 工作面回风巷支护方式示意图 3.2 支护效果 为充分保障 3209 工作面掘进期间围岩的稳定， 同时为验证“强帮护顶”让压高强锚杆支护技术的 效果，在巷道 200m 的位置处布置测站，进行巷道 表面位移量和顶板离层量的观测作业。 采用测枪对巷道掘进后不同时间下围岩的变形 量进行持续 90d 的观测作业。根据巷道表面位移的 观测结果能够绘制出巷道顶板下沉量、底板鼓起量 及两帮移近量与监测时间之间的关系曲线，具体如 图 4 所示。 通过具体分析图 4 可知，在巷道掘出后，随着 巷道掘出时间的增大，顶板下沉量、底鼓量及两帮 变形量基本呈现出相同的变形规律。随着时间的增 大，围岩的变形量逐渐增大。在 90d 的观测期内， 巷道围岩表现为前期围岩变形速率较大，后期围岩 变形基本处于稳定状态。从图中能够看出，两帮移 近的主要变形在巷道掘出后的 40d 内，在 40d 时， 两帮移近量达到 53mm；顶板下沉主要变形在巷道 掘出后 30d 内，在 30d 时，下沉量达到 37mm；底 鼓主要在巷道掘出后 24d 内，在 24d 时，底鼓量 达到 44mm。基于上述分析可知，巷道围岩在掘出 40d 后，围岩的变形量基本达到稳定状态，最终顶 板最大下沉量、两帮最大移近量和底鼓量最大值分 别为 40.4mm、55.4mm 和 47.6mm。 图 4 3209 工作面回风巷掘进期间围岩变形曲线图 为监测巷道顶板在掘进期间是否会出现离层现 象，在巷道顶板布置离层仪监测站，安设深部基点 为 7.5m，浅部基点为 2.5m。根据顶板离层测站的 监测结果，绘制出浅部和深部基本离层量与监测天 数之间的关系曲线，如图 5 所示。 图 5 巷道顶板离层量变化曲线图 通过具体分析图 5 可知，在巷道掘进期间， 浅部基点和深部基点的离层量分别为 26.6mm 和 17.6mm，浅部基点和深部基点的离层分别主要出现 在 025d 和 030d。在监测天数大于 30d 时，浅部 基点和深部基点基本均达到稳定状态，顶板离层速 率也变为零。 基于上述分析可知，3209 工作面采用“强帮护 顶”让压高强锚杆支护技术后，保障了顶板岩层的 整体性，有效控制了巷道围岩变形。 4 结论 通过分析 3209 工作面回风巷顶板岩层的特征， （下转第 97 页） 972020 年第 6 期 槽及架间异常点取样后，送地面气体化验室分析 1 次，分析内容有 O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、 C2H4、C2H2等，并建立监测分析档案。 （4）运输顺槽安设 CO 传感器位置（距汇风点 1015m）定为自然发火观测点，每周进行一次观测 分析。 （5）发现检测数据异常时，要立即采取措施 以便对异常点重点处理。 3 效果分析 （1）工作面回风隅角停工期间一氧化碳、 二氧化碳浓度比停工前明显降低，10 月 6 日恢复正 常供风后一氧化碳气体增加（分析值 49ppm）。具 体如图 3 所示。 图 3 3306 工作面回风隅角气体变化曲线图 （2）工作面回风流一氧化碳浓度较缩风前 变化不大（4ppm 上下浮动），恢复正常供风后一 氧化碳浓度增加（分析值 8ppm）。具体如图 4 所示。 （3） 运顺采空区44检测点一氧化碳浓度下降， 27 日至 30 日轨顺三相九路三班连续注氮气，氧气 浓度下降到10以下， 10月1日， 每天早班注氮气， 氧气浓度上升。具体如图 5 所示。 （4）采取两顺施工隔离墙、工作面缩风、工作 面架后喷涂防火材料等措施有效地减少了采空区漏 风。采空区注氮气采取连续注氮，氧气呈下降趋势； 间断性注氮，对进入采空区较近的区域影响不大。 图 4 3306 工作面回风流气体变化曲线图 图 5 运顺 44 号点（进入采空区 13m）气体变化曲线图 4 结语 （1）对于长期停工综放工作面自然发火重大 风险的管控，停工前期的预处理工作是非常有必要 的，加强防灭火预处理为后期停工做好铺垫。 （2）通过降低工作面风量、两顺施工隔离墙、 工作面架间架后喷注防火材料减少了采空区漏风， 同时采取注氮措施能抑制煤体氧化。 （3）利用进入采空区合适的多出口注浆管三 班连续注氮气，降低了采空区氧气浓度。 （4）局部制冷机组运行后降低了工作面温度， 延长了煤层自然发火期。 （上接第 92 页） 结合松软围岩的变形特点，确定对巷道采用“强帮 护顶”让压高强锚杆支护技术，结合巷道的具体地 质条件进行支护参数的设计。根据矿压监测结果可 知，巷道掘进期间顶板岩层间保持了较好的整体性， 顶板最大下沉量、两帮最大移近量和底鼓量最大值 分别为 40.4mm、55.4mm 和 47.6mm。 【参考书目】 ［1］ 高晓君，高明仕，王翔宇 . 上社矿动压回采巷道 全断面长短锚索强帮护顶支护原理及应用 [J]. 煤 炭技术，2019，38（07）51-53. ［2］ 高明仕，杨青松，赵一超，等 . 高应力大变形巷 道让压锚索支护技术及装置研制 [J]. 采矿与安全 工程学报，2016，33（01）7-11. ［3］ 黄宝田，陈东印 . 高应力软岩巷道高强让压锚杆 支护系统试验研究 [J]. 煤炭科学技术，2013，41 （08）49-52. ［4］ 单仁亮，孔祥松，蔚振廷，等 . 煤巷强帮支护理 论与应用[J].岩石力学与工程学报， 2013， 32 （07） 1304-1314.