大埋深垂直应力场类型矿井煤巷支护研究.pdf

JIAN SHE YAN JIU 技术应用 158 大埋深垂直应力场类型 矿井煤巷支护研究 Da mai shen chui zhi ying li chang lei xing kuang jing mei hang zhi hu yan jiu 郭佰壮 塔然高勒是神华集团首座千万吨级竖井矿井，年设计 生产能力 1000 万吨，以开采中厚煤层为主，主要可采煤 层三层（3-1、 4-1、 4-2） ， 次要可采煤层一层（5-1） 。3-1 煤全区发育且基本全区可采， 埋藏深度约 600m， 虽然 3-1 煤硬度大，但平均埋藏深度超过 600m，属于深部开采， 巷道围岩压力显现强烈，煤层内生裂隙、特别是纵向裂隙 发育（迎头常听到煤帮炸裂声） ，当煤层较厚时，煤层常 呈块状片帮，从而造成巷道成型差，造成两帮移近，挤压 顶板引起下沉弯曲，底板底鼓等问题。因其 013102 工作 面绕道断面尺寸为 5.53.8m，掘进面积 20.9m2，属于 大断面巷道，又因该巷道恰需通过 F1、F2 和 F3 三条断 距在 1.5m 以内的断层群，淋水较大，巷道围岩的控制难 度加大。该大断面煤巷能否顺利通过断层群，成为该矿安 全生产中的一个重要环节。因此，013102 工作面绕道如 何安全、顺利通过断层群巷，是亟待解决的问题。 一、概况 1. 矿井概况 神华集团塔然高勒矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市 杭锦旗及达拉特旗，东胜煤田塔然高勒矿区之中北部。井 田内地质构造简单，水文地质条件复杂 ； 井田东西长最大 25.23km，南北宽最大 13.4km，面积 227.2km2，井田内 共查明可采煤层 4 层（3-1、4-1、4-2、5-1） ，煤种为 不粘煤和长焰煤。矿井地质资源储量 15.5 亿吨，工业储 量 12.5 亿吨，设计可采储量 10 亿吨。矿井设计生产能 力 1000 万吨 / 年，由于铀矿影响，矿井初期井田东翼暂 不能开采，煤铀协调开采期间，只能在井田西翼布置 1 个 综采工作面开采西一盘区 3-1 煤层，按工作面条带排产， 其服务年限为 23.97a。煤铀协调开采 16a 后，按补勘后 的矿井储量及设计能力 10.00Mt/a 计算，矿井服务年限为 74.35a。 随着国家煤炭资源开发向西部的转移，鄂尔多斯地区 的煤炭资源开采强度和开采深度将会日益增加，塔然高勒 煤矿为鄂尔多斯地区目前采深超过 400m 的 27 对矿井之 一，首采 3-1 煤层埋深 270860m，埋藏深度约 600m。 其中井田西翼由东向西埋深加大，3-1 煤层位于延安组第 二段顶部，其顶板岩性多为砂质泥岩，其次为粉砂岩、细 砂岩，饱和抗压强度在 0.06 ～ 39.08MPa 之间，平均为 4.87MPa，大部分小于 30MPa。因此，顶板属于不稳定 类型。3-1 煤层底板岩性多为砂质泥岩和粉砂岩，饱和抗 压强度在 0.0610.21MPa 之间，平均为 3.83MPa，遇水 易碎裂，底板属于软弱破碎底板。 塔然高勒煤矿的地应力场目前以垂直应力为主，属于 垂直应力场类型，属于中等偏高地应力区，水平、垂直主 应力值随着埋深的增加而线性增大。塔然高勒煤矿 3-1 煤层及 3-1 煤层顶板为弱冲击煤（岩）层，3-1 煤层底 板为无冲击倾向性岩层 ； 试采工作面掘进期间的冲击危险 性评价等级为一到二级之间，具有弱偏无冲击危险 ； 试采 工作面回采期间的冲击危险性评价等级为二级，具有弱冲 击危险等级。 该煤矿为低瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性，煤层有自 然发火倾向，地温正常。 2. 工作面概况 013102 工作面为试采工作面 （矿井首采面） 的接续面， 由于塔然高勒煤矿项目与中核内蒙古铀矿重叠压覆，依据 塔然高勒矿试采面放水试验成果报告，为进一步提高煤、 铀共采的安全可靠性，塔然高勒矿井放弃试采面的开采， 将首采面移至西一盘区，故首采面接续的 013102 工作面 的位置也需要重新划定，已完成的 411.43m 的 013102 工作面车场绕道也随之报废，故 013102 工作面车场绕道 为损失工程。 虽然 013102 工作面车场绕道为报损工程，但该条巷 道施工时煤矿采取支护技术改进顺利通过了地质构造带 时，为以后煤巷支护特别是工作面顺槽支护提供实践性的 可行性设计依据。 二、煤巷掘进存在问题 塔然高勒煤矿 3-1 煤硬度大，但平均埋藏深度超过 600m，属于深部开采，巷道围岩压力显现强烈，煤层内 生裂隙、特别是纵向裂隙发育（迎头常听到煤帮炸裂声） ， 技术应用 159 当煤层较厚时，煤层常呈块状片帮，该矿井二期、三期工 程的煤巷掘进中采用掘锚一体机施工，西翼回风大巷为煤 巷，该条煤巷施工过程中存在以下问题 ⑴掘锚一体机割煤后片帮严重，成型较差。截割滚筒 割煤后帮锚杆尚未施工就已片帮超挖严重，给支护作业带 来困难，给支护人员带来安全隐患 ； ⑵巷道后期两帮缩进和顶板淋水区域顶板下沉，从而 造成巷道尺寸不符合设计要求， 影响通风和设备安装要求， 并对弱冲击地压矿井埋下隐患。 ⑶巷道底鼓严重。部分路段在砼底板后需进行一次甚 至二次的翻修， 底板翻修处理时间长、 费用高且影响生产， 也给行人、行车带来了极大的危害。 三、北翼 013102 工作面绕道施工时应对措施 1. 选择掘进合适设备，优化巷道断面，探索支护设计 ⑴合理选择掘进设备，优化断面设计，优化巷道断面 形状，将顺槽巷道断面由矩形调整为平顶微拱形。为保证 顶板两侧肩窝微拱实现，掘进设备由原来的掘锚一体机改 为综掘机施工，并要求迎头综掘机距帮超过 1m 位置就要 开始起拱掘进，保证巷道肩窝部位微拱形成。 ⑵巷道顶、帮部锚杆规格为 Φ222400mm，顶板 锚索由巷中横向锚索和两侧肩窝走向锚索组成，巷中横向 锚索的作用是加固及减跨顶板，防止顶板出现高位离层， 两侧肩窝走向锚索的作用是保持顶板两侧肩窝稳定，并 通过组成类似桁架的斜拉结构，以防止顶板沿巷帮整体 跨落。顶板巷中横向锚索规格为 Φ21.68300mm，巷 中横向锚索布置为“3-0”布置 ；顶板两侧肩窝锚索为 Φ17.86300mm。迎头掘进时顶板锚索先按“2-0”布 置向前施工，滞后迎头不超过 40m 将顶板两侧肩窝走向 锚索补齐，这样不仅可使迎头锚杆锚索钻头统一，减少频 繁换钻头工序，而且还可实现平行作业，有利于提高巷道 施工进度。 2. 煤巷应用喷浆，允许塑形形变，较少冲击危险性 危害 开拓巷道、准备巷道服务年限长，一般采用锚喷支护 工艺， 煤巷采用喷浆主要应对大埋深、 垂直应力为主煤矿。 初喷紧跟迎头，喷浆厚度控制在 100 ～ 150mm，允许少 许的塑性形变，煤巷及时封闭，尽量缩短裸巷在空气中暴 露时间，使松动圈尽早胶结成整体。 3. 钢制盖板替代砼底板，减少工程量及巷修费用 塔然高勒煤矿在掘进试采面顺槽和西翼回风大巷期 间，采用掘进与砼底板顺序施工，掘进时一般为掘进 20 天后必须砼底 10 天保证硬化底板跟进工作面。这样砼底 板施工较大影响掘进进度，更重要的是塔然高勒煤矿埋藏 较深，矿压显现，巷道底鼓严重，部分路段在砼底板后需 进行一次甚至二、三次的翻修，底板翻修处理时间长、费 用高且影响生产。针对以上问题，塔然高勒煤矿到类似底 鼓矿井考察后结合自身煤矿特点，自行研制出钢制盖板。 4. 钢制盖板与传统砼底板工艺对比的优势 ①钢制盖板拼接底板工艺简单，影响生产时间短。巷 道掘进后，只需平整巷道，抽排积水后即能铺设盖板，不 影响锚杆锚索钻车及物料车的运行； 砼底板施工工序较多， 需起底、找平、立模等工序，与掘进辅助工作存在较多交 叉作业，影响生产安全。 ②钢制盖板拼接底板工艺能够随掘随铺，跟进掘锚机 施工，而砼底板只能铺设至顺槽皮带机尾刚性架子处，需 滞后迎头 300m，此 300m 滞后段在经锚杆锚索钻车及物 料车的碾压后巷道底板损毁严重，为保证正常通车，需铺 垫石子，既浪费材料又浪费人工。 ③采用钢制盖板拼接底板后能立即上车，而砼底板后 需初凝 7 天后方准行车，故掘进巷道存在集中运送物料影 响安全，巷道内大量存放材料影响文明生产等问题。 ④根据生产需要，砼底板在 28 天的终凝期内，避免 不了通车行人，不能确保砼底板的工程质量。 ⑤按首采面西移方案，商砼在井下运送的最大距离为 8cm，难以确保混凝土在 2 小时内浇筑施工，不能保证施 工质量。 ⑥钢制盖板复用率高，钢制盖板复用率接近 100， 经过计算，虽然钢制盖板拼装工艺前期投入较大，但盖板 能接近无报废的复用，钢制盖板铺底工艺与传统的砼底板 在矿井总体投资中经济性也是有优势的，对新建矿井有推 广使用的意义。 ⑦盖板拼装特别方便处理底鼓，哪段底鼓处理哪块盖 板下的巷道底板，减少了翻修底板对生产的影响。 ⑧铺设钢制盖板使用人员较少，铺设速度快，机动灵 活，影响生产时间短。 ⑨顺槽内铺设盖板后，可提高现场的文明生产及质量 标准化。 四、结语 随着国家煤炭资源开发向西部的纵深发展，鄂尔多斯 地区的煤炭资源开采强度和开采深度将会日益增加，目前 采深超过 400m 的矿井就有 27 对，并大部分矿井受冲击 地压危害，综采工作面的布置、回采顺序以及顺槽如何支 护一直困扰这些矿井。平顶微拱的断面优化和相应的支护 参数、顺槽喷浆和钢制盖板替代砼底板的施工在塔然高勒 煤矿 013102 工作面绕道中应用成功，可以为鄂尔多斯地 区西部大埋深矿井在顺槽支护中提供借鉴，特别是钢制盖 板也可以在永久巷道使用，塔然高勒煤矿现部分大巷已采 用钢制盖板铺盖，效果较好，将槽钢扣在钢板上焊接形成 箱型梁，增大抗弯能力，增大载荷量，从使用现在使用情 况看，取得较好效果，但需要进一步理论验证。上述技术 研究虽然在矿井建设中小范围应用，在此笔者总结了一些 塔然高勒煤矿建设期间矿井支护方面得经验，希望能为类 似矿井的煤巷支护尽微薄之力 （作者单位神华杭锦能源有限责任公司）