下覆煤层组开采大巷围岩稳定性控制技术.pdf

第19卷 第3期 2009年5月 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 Journal of Heilongjiang Institute of Science 2.神华宁夏煤业集团公司 梅花井煤矿,宁夏 灵武751400 摘 要巷道受重复采动影响,围岩状况发生恶化,巷道围岩变形是一个动态的拉压交替的过 程。为解决下覆煤层组开采过程中巷道围岩稳定性问题,分析了下覆岩活动规律和大巷围岩稳定 性特征。基于动态控制过程原则,确定合理的加固技术与加固原则,并对加固后的大巷围岩的稳定 性进行合理预测。泉沟煤矿- 115大巷的相似材料模拟实验和现场工程实践表明,该技术可行,可 以在类似条件的巷道中推广应用。 关键词下覆煤层组;稳定性控制;围岩;加固 中图分类号 TD353. 6文献标识码 A Control technique of surrounding rock stability for main entry with underlie coal seam s m ined ZHENG X igui 1 , YANG Jiping 1,2 , L I Xuehua 1 1. School ofMineral and Safety Engineering, China University ofMining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. Meihuajing Coal, Shenhua and Ningmei China Shenhua Energy CompanyLimited,Lingwu 751400, China AbstractEntry is influenced by repeat mining, the worsening surrounding rock and the entry sur2 rounding rock defor mation occurring as a dynamic phases which is tensiled firstly and then be pressed. The efforts to solve the stability of underlie coal seams by analyzing the law governing the underlie coal seamsmined and the characterof surrouding rock deation of entry, based on the principle of dynamic control process and three key aspects analyzing the strata movement regularities resulting from the two underlie coal seamsmined, adopting the reasonable reinforcement technique and principles, and predic2 ting the stability of the entry, the industrial test and field measurements prove that the technique, used successfully at - 115 Entry in Quangou coalmine, can find a wider application in coal pillarmineswith similar conditions . Key wordsunderlie coal seams; stability control; surrounding rock; reinforce 收稿日期 2009 - 04 - 27 基金项目国家自然科学基金资助项目50674085 ;教育部新世纪优秀人才支持计划NCET - 06 - 0478 作者简介郑西贵1977 - ,男,山西省侯马人,讲师,博士研究生,研究方向巷道围岩控制, E2mail ckzxg126. com。 0 引 言 目前,采动影响条件下巷道围岩稳定性的研究 已取得了显著的成果,基本掌握了影响巷道围岩稳 定性的主要因素和巷道围岩控制的基本途径及其技 术 [1 - 4]。但对下覆煤层组开采时上部巷道的围岩稳 定性控制所做的研究工作不多,因此,下覆煤层组的 开采造成的岩层大范围的破断下沉,如何在不破坏 煤层上部巷道以保证其正常使用的前提下合理采出 巷道下的压煤,是当前资源衰竭型矿井和资源匮乏 地区亟须解决的难题。笔者针对该项技术难题,结 合工程实例,提出了下覆煤层组开采过程中大巷围 岩动态稳定性控制技术。 1 技术难点 大巷因受下覆煤层组采动的复杂影响,即使在 强度较高的岩层中掘进,围岩破坏程序仍可能较严 重,其主要原因在于 1从巷道围岩应力的变化角度来说,下覆煤 层组开采属于卸压开采,在此过程中,巷道围岩应力 在一定程度上有减小的趋势。但同时,开采必然引 起较大范围内围岩的变形与破坏,巷道围岩的稳定 性将发生恶化。 2下覆煤层组开采时,巷道及其下覆岩层将 发生整体下沉,虽然此过程中围岩应力将有所降低, 但巷道的变形仍将继续,这时的变形将会造成巷道 的完全破坏。尤其在下覆煤层组开采时,大巷在发 生整体下沉过程中承受拉变形,而在整体下沉基本 结束后,大巷承受的是压变形。即大巷在下覆煤层 组开采过程中,将承受拉压交替变形。 3大巷的有效维护是一个动态控制过程。在 下覆煤层组开采过程中,巷道同时经历着两个变化 过程一是巷道围岩由于下覆煤层组的回采而发生 的整体下沉;二是巷道围岩在下沉过程中本身发生 的变形。因此,巷道围岩的控制应是一个动态的控 制过程,即一方面要保持巷道围岩下沉过程中的形 状,另一方面要控制巷道本身的变形,过大的变形达 不到控制巷道围岩稳定的要求。 2 技术关键及原则 2. 1 覆岩活动规律 下覆煤层组开采后,将在采场顶板中产生较大范 围的冒落带、 裂隙带和弯曲下沉带,当煤层开采厚度较 大时,采场三带的范围也较大,造成大巷的围岩稳定性 变差。因此,要在考虑开采煤层与巷道距离的前提下, 对下覆煤层组开采引起的覆岩垮落特征、 破坏程度进 行系统分析,初步确定大巷围岩位移及变形的稳定状 况,包括下覆煤层组开采的可行性 [5 - 7]。 212 加固技术及原则 大巷一般布置在强度较高的煤岩层中,结合我 国煤矿在巷道锚杆支护方面已有的实践经验,在巷 道尤其是大巷的加固设计中,应将巷道围岩视为互 相联系的有机整体,将其变形视为开挖引起的整个 围岩力学效应的宏观表现。围岩任何部位的力学作 用都会影响到巷道各部位,并产生不同的力学效应。 锚杆是通过对巷道浅部围岩的有效加固来控制围岩 变形的,故采用以下大巷加固技术和加固原则 1控制围岩基本变形。采用高强度的螺纹钢 锚杆加固巷道围岩,使巷道表面围岩形成一个整体, 控制其基本变形。 2预防围岩局部脱落。通过架设钢筋梯子和 铺设金属网等措施防止巷道围岩局部的脱落,并保 证锚杆能发挥其整体承载能力,减少因巷道围岩恶 化造成的锚杆失效问题。 3强化顶部围岩保证安全。当下部煤层开采 时,巷道的整体下沉将造成巷道顶部围岩产生不协 调变形,其中相当一部分为下位岩层的离层变形,临 空面稍大就易发生冒落,并可能导致顶部岩体的整 体失稳,故而强化顶部岩体以尽量抑制其发生冒落, 并促使顶部围岩形成互相约束的承载结构。 4加固两帮实现围岩稳定。由于巷道的变形 是一个动态的稳定过程,上覆岩层的载荷是通过两 帮传递到底板的,两帮的大范围破坏必然导致底板 压曲变形的显著增加,现有的理论分析及数值计算 都表明加固两帮可以明显抑制底鼓。因此,控制巷 道两帮围岩的变形破裂对提高实验巷道围岩整体稳 定性是必须的。 5合理选择锚杆及锚固形式。巷道围岩的整 体稳定性一般对围岩变形十分敏感,因此必须采用 高强度螺纹钢锚杆,并采用全长或加长锚固形式,才 能有效抑制围岩变形。 213 稳定性预测 在确定出大巷加固参数后,要就大巷支护方式、 下覆煤层开采顺序等采动因素对大巷围岩稳定性的 普遍影响规律进行系统分析,进而对大巷围岩稳定 性进行预测验证,并提出相应措施。 3 工程实例 3. 1 开采条件 泉沟煤矿- 115大巷包括运输大巷和回风大巷,地 面标高190 m,锚喷支护,断面为1215 m 2。其中运输 大巷是穿层巷道,它与- 115回风大巷交叉区段为6煤 底板,服务于上组煤六采区。巷道下部可采煤层有11 煤层、13煤层,煤层倾角平均17 。61104工作面开采 11煤层,61303工作面开采13煤层,这两个工作面与巷 道的垂直高差分别为75和95 m。- 115大巷与下覆煤 281黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第19卷 层组的剖面关系如图1所示。 图1 - 115大巷与下覆煤层组的剖面关系 Fig. 1 Section view of - 115 ma in roadway and its underlie coal seam s 312 覆岩活动规律相似模拟 为确保下覆煤层组开采后,大巷能够正常使用, 必须对下覆煤层组覆岩的垮落特征、 破坏程度及影 响范围进行分析。采用相似材料模拟实验进行研 究,模型的几何尺寸为长 宽 高 2 15m012m 11474m,相似比为1∶100,相当于模拟147. 4 m厚 的岩层,其上部岩层的重力按均布载荷处理,并按配 重方式加载 [8 ]。物理模拟模型中各岩层的力学参 数如表1所示。以- 115回风大巷为基点,水平及 垂直方向分别相隔20 cm,画网格线,并布置测点, 用以测试下覆煤层组开采时,煤岩层位移情况及巷 道位置变化情况。模型测点布置见图 2 各测点之 间代表的实际距离为20 m。首先开采61104左边 煤层,再采61303左边煤层。待岩层变形稳定后,将 61104工作面煤层采出,继续采出61303面煤层。 表1 物理模拟模型中各岩层的力学参数 Table 1 Strata mechanical parameters i n physical si mulation 序号岩性E/GPaσ/MPad/m 1粉砂岩4035114 2煤65101 3泥质岩20207 4粉细砂岩423824 5泥质岩202014 6中粗砂岩353043 7粉砂岩40355 8煤115102 9粉细砂岩423832 10灰岩50606 11煤132151 12细砂岩45403 13粉砂岩40358 图2 模型测点布置 Fig. 2 Layout of modelmon itor 相似材料模拟结果图3表明在测点A6与 A8、B5与B8之间的围岩绝对位移值的差值较小,说 明上述测点之间有裂隙,居于裂隙带范围。在A6、 B5测点之上,各测点的绝对位移值的差值均明显 小,说明在A6、B5之上,岩层处于弯曲下沉带内。 图3 模拟实验效果 Fig. 3 Results of physical si mulation 由于煤岩层倾斜,煤层开采后, - 115大巷不仅 在垂直方向发生位移,在水平方向同样发生了位移, 其测试结果如表2所示。 表2 - 115回风大巷采动影响下的测试数据 Table 2 Test data of - 115 ma in return way mm 开采状态垂直位移水平位移 61104回采后11. 300. 70 61303回采后211102140 381第3期郑西贵,等下覆煤层组开采大巷围岩稳定性控制技术 由此可以得出下覆煤层组开采后, - 115大巷 位于采场岩体垮落后形成的岩层弯曲下沉带内,而 在此范围内, - 115大巷在原支护的基础上虽然不 能保持其稳定性,但由于巷道围岩整体下沉,巷道本 身围岩变形量较小,通过采用必要的加强支护措施, 可保证大巷的稳定,以满足安全生产的要求。合理 的大巷加固方案和参数是确保巷道围岩稳定的 关键。 313 大巷加固方案 在下覆煤层组开采引起的覆岩活动规律相似模 拟实验的基础上,综合考虑安全可靠、 易于施工、 支 护费用低等因素,初步确定- 115大巷锚杆加固方 案为采用Φ18 mm2 200 mm的全螺纹钢等强锚 杆,锚杆间排距为1 000 mm800 mm,每根锚杆用 2个树脂药卷锚固,锚杆锚固力 ≥70 kN;金属网采 用900 mm1 000 mm的机织菱形网,网与网之间 用专用连接环连接。用组合梁、 铁托盘压网,压实压 紧,组合梁采用Φ16钢筋制作,规格长 宽为 2 600 mm100 mm,组合梁之间压茬,用铁托盘压 好。支护断面如图4所示。 图4 - 115大巷加固方案 Fig. 4 Reinforced project of - 115 ma in entry 314 大巷动态控制效果 按照图4所示方案对- 115水平回风大巷和运 输大巷进行了动态加固维护,经受下覆煤层组开采 影响后,大巷在局部虽发生了一定的变形或片帮等 状况,但总体状况较好,能够满足安全生产的要求, 达到了大巷加固的要求。 两条大巷除在采动影响边 界附近破坏较为严重,除局部掉顶偏帮外,其他地段 的维护状况良好。使用T2经纬仪配激光测距仪进 行定位和位移测量,DS3水准仪进行标高测量。11、 13煤层开采对- 115大巷的影响变形最大值为下 沉700 mm,倾斜1716 mm /m,曲率019610 - 3 m - 1 , 水平移动230 mm,水平变形718 mm /m。 4 结束语 巷道受下覆煤层重复采动影响时,大巷围岩变 形是一个动态的拉压交替的变形过程,大巷的有效 维护也是与其相适应的动态控制过程。分析下覆煤 层组开采后的覆岩活动规律,得出合理的加固技术 与加固原则,对加固后的大巷围岩稳定状况进行预 测,是大巷围岩动态控制的关键技术。通过对- 115 大巷进行加固支护,成功采出其下覆煤层组,共计采 出煤炭12万t,创造经济效益68915万元。 数值计算和现场工业试验结果表明, - 115大 巷在采用新的加固方案后,巷道在下覆煤层重复采 动后,发生较大程度的整体下沉,但围岩本身的变形 量并不大,巷道可以满足安全生产的要求。 参考文献 [1 ] 霍忠锋,李小沫.近距离煤层群锚网支护巷道矿压规律分析 [J ].煤炭科学技术, 2004, 323 33 - 35. 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