强烈动压影响瓦排巷围岩控制技术研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 强烈动压影响瓦排巷 围岩控制技术研 究 张剑1 ,2 1 ． 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 摘要 提 出高瓦斯矿井瓦排巷是受外部环境扰动影响支护 困难巷道之一，分析 了瓦斯尾巷 发生变形与破坏的过程，强调上下区段工作面回采对尾巷影响程度最大。研究了尾巷破坏失稳机 理 ，提 出煤柱两侧 工作面沿倾 向形成类似 “ 砌体梁” 结构，煤柱 附近采空 区基本顶断裂失稳和 上覆岩层回转下沉是造成瓦排巷破坏的主要原因，据此提 出控制尾巷 围岩稳定的三项技术关键 防止顶板下沉 ；加 大煤柱帮支护强度 ；关键部位补 强支护。中兴矿 瓦排巷 支护试验表 明，2 2 0 6 工作面回采稳定后 ，尾巷顶板最大下沉 1 6 1 m m，两帮最大移近 1 8 1 mm，且顶板深浅部 离层均未 超过 1 5 mm，瓦排巷围岩 变形得到显著控制，成功实现二次复用。 关键词动压巷道；瓦斯尾巷 ；围岩控制；支承压力；巷道 支护 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 3 0 2 - 0 0 7 6 -04 S t ud y o n I nt e n s i v e Dy n a mi c Pr e s s u r e Affe c t e d t o S ur r o u nd i ng Co n t r o l Te c h n o l o g y o f Ga s Dr a i n a g e Ga t e wa y Z HANG J i a n 1 ． Mi n i n g a n d D e s i g n B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h in a ； 2 ． Mi n i n g a n d d e s i g n D e p a r t m e n t ，T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o m p a n y L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r p r o p o s e d t h a t t h e g a s d r a i n a g e r o a d wa y i n t h e h i g h g a s s y mi n e w a s o n e o f t h e d i f f i c u l t s u p p o r t r o a d wa y a f f e c t e d b y t h e o u t e r e n v i r o n me n t d i s t u r b a n c e s ． T h e p a p e r a n aly z e d t h e d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e p r o c e s s o f t h e g a s d r a i n a g e t a i l g a t e w a y a n d s t r e s s e d t h e c o a l mi n i n g a t t h e t o p a n d l o w s e c t i o n o f t h e c o a l mi n i n g f a c e h i g h l y a f f e c t e d t o t h e t a i l g a t e wa y ． T h e p a p e r s t u d i e d t h e f a i l u r e a n d s t a b i l i t y l o s t me c h a n i s m o f t h e t a i l g a t e w a y ． T h e p a p e r p r o p o s e d t h a t t w o s i d e c o a l p i l l a r s a l o n g t h e c o a l mi n i n g f a c e wo u l d f o rm a s i mi l a r “ l i n e d b e a m ” s t r u c t u r e a n d t h e b a s e r o o f b r o k e n a n d s t ab i l i t y l o s t a n d t h e o v e r b u r d e n s t r a t a r o t a r y s u b s i d e n c e a b o v e t h e g o af n e a r t h e c o a l p i l l a r wo u l d b e ma i n c a u s e s t o O C C U r t h e f a i l u r e o f t h e g a s d r ain a g e g a t e wa y ． b a s e o n t h e c i r c u ms t a n c e s ， t h r e e t e c h n i c a l k e y s t o c o n t r o l t h e s t a b i l i t y o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k a l o n g t h e t a i l g a t e w a y we r e p r o v i d e d，i n c l u d i n g t h e p r e v e n t i o n o f t h e r o o f s u b s i d e n c e ， i mp r o v e d s u p p o rt s t r e n g t h o f t h e c o a l p i l l a r a n d a d d i t i o n a l s u p p o rt o f t h e k e y l o c a t i o n s ． Th e s u p p o r t e x p e r i me n t i n Z Ho n g x i n g Mi n e s h o w e d t h a t aft e r t h e s t ab i l i z a t i o n o f t h e mi n i n g i n N o ． 2 2 0 6 c o a l mi n i n g f a c e ， t h e ma x s u b s i d e n c e o f r o o f i n t h e t a i l g a t e wa y w a s 1 6 1 mm ，t h e ma x c o n v e r g e n c e o f t h e t wo s i d e wall s a l o n g g a t e wa y w a s 1 8 1 mm ，t h e b e d s e p a r a t i o n i n t h e s h a l l o w p a r t o f t h e r o o f wa s n o t o v e r 1 5 mm a n d t h e s u r r o u n d i n g r o c k d e f o rm a t i o n alo n g t h e g a s d r a i n a g e g a t e w a y wa s o b v i o u s l y c o n t r o l l e d ． T h e s e c o n d a ry u t i l i z a t i o n o f t h e g a t e w a y w a s s u c c e s s f u l l y r e ali z e d ． Ke y wo r d s d y n a mi c p r e s s u r e g a t e wa y ； g a s t a i l g a t e wa y；s u rro u n d i n g r o c k；s u p p o r t p r e s s u r e ； g a t e wa y s u p p o rt 巷道支护的难易程度主要取决于巷道围岩的地质条件， 巷道在生产系统的功能，以及巷道受到外部环境的扰动破 坏程度等因素⋯。受外部环境扰动破坏难支护巷道有沿空 巷道，强烈采动影响巷道等 。矿井开采煤层瓦斯赋存 含量高，u型通风方式采用 “ 三进两回” 或者 “ 两进一 7 6 回”模式布置工作面，专门设置用于抽放瓦斯的巷道，称 作瓦排巷或者瓦斯尾巷，它起着抽放上区段工作面瓦斯 ， 兼承担下区段工作面回风的双重功能，决定了尾巷必然经 受上下区段工作面回采动压的强烈作用，巷道围岩必将发 生强烈变形与破坏。针对多次动压影响巷道围岩的稳定性 收稿 日期 2 0 1 2 0 91 4 基金项目天地科技股份有限公司工艺技术创新项目 K J J J 一2 0 1 1 一K C S J一 0 5 作者简介张剑 1 9 7 4一 ，男，内蒙古武川人 ，工程师，硕士，长期从事煤矿巷道矿压理论与支护技术 的研究工 作 。 2 0 1 3年第 2 期 煤炭工程 控制 ，国内学者开展了深入细致的研究，形成众多的研究 成果，有效地指导了该类巷道支护设计。 本文针对高瓦斯矿井瓦斯尾巷受到强烈动压影响，分 析瓦排巷围岩的受力和变形特征，研究尾巷围岩破坏机理 ， 提出围岩控制技术 ，并例举应用实例，检验理论分析的可 行性。 1 瓦排巷围岩变形破坏特征及机理 1 ． 1 瓦排巷 围岩 变形破坏特征 排瓦巷受到相邻区段工作面回采影响，巷道从开掘到 报废 ，经历采动造成的围岩应力重新分布过程 ，围岩变形 会持续增长和变化 ，经历五个阶段 1 巷道掘进影响阶段。煤体内开掘巷道后，巷道围岩 出现应力集中，在形成塑性区的过程中，围岩向巷道空间 显著位移。随着巷道掘出时间的延长，围岩变形速度逐渐 衰减 ，趋向缓和。巷道的围岩变形量主要取决于巷道埋藏 深度和围岩性质。比如汾西中兴煤矿瓦斯排放巷，掘进期 间变形比较小， 一般顶底板移近量大约 1 2 0 m m，两帮位移 量在 1 0 0 m m左右，巷道掘出后大致 1 01 5 d后围岩变形趋 于稳 定。 2 掘进影响稳定阶段。掘巷引起的围岩应力重新分布 趋于稳定，由于煤岩一般具有流变性，围岩变形还会随时 间而缓慢增长，但其变形速度比掘巷初期要小得多。巷道 的围岩变形速度仍取决埋藏深度和围岩性质。 3 采动影响阶段。巷道受上区段工作面的回采影响 后，在回采引起的超前支承压力作用下 ，巷道围岩应力再 次重新分布，塑性区显著扩大，围岩变形急剧增长。在工 作面后方附近，由巷道上方和采空区一侧顶板弯曲下沉和 显著运动使得支承压力和巷道围岩变形速度都达到最大值。 远离工作面后方 ，巷道围岩变形速度逐渐衰减。巷道围岩 性质、护巷煤柱宽度 、工作面顶板岩层结构对该时期围岩 变形量影响最大 J 。受到一次采动影响后。中心煤矿瓦排 巷变形相比掘进稳定期间急剧增加 ，顶板下沉高达 1 ． 0 1 ． 5 m，巷道也发生严重的底鼓 ，鼓出量高达 1 ． 0 m以上， 而两帮移进增加更加显著，位移量普遍能达到 1 ． 0 m以上， 巷道变形破坏非常严重，到了不进行返修无法使用的地步。 4 采动影响稳定阶段。回采引起的应力重新分布趋向 稳定后，巷道围岩变形速度再一次显著降低 ，但仍然高于 掘进影响稳定阶段时变形速度，围岩变形量按流变规律不 断缓慢地增长。 5 二次采动影响阶段。巷道受本区段回采工作面的回 采影响时，由于上区段残余支承压力，本区段工作面超前 支承压力相互叠加，巷道围岩应力急剧增高，引起围岩应 力又一次重新分布，塑性区进一步扩大，应力的反复扰动 使围岩变形比仅受一次采动影响时更加强烈。经受二次采 动影响后，中兴煤矿瓦排巷变形和破坏进一步加剧 ，严重 地段顶底板移近量几乎达到整个巷道高度，而两帮位移也 继续增大，严重部位几乎接近巷道两帮宽度，处于报废 状态。 1 ． 2 瓦排巷 围岩破坏机理 一 般情况下，高瓦斯矿井瓦斯尾巷采用大煤柱护巷方 式布置，煤柱宽度一般在 2 03 0 m范围，煤柱两侧采空后 形成的侧向支承压力分布特征 ，如图 1 所示。 ＼ ／ 。 ／ ＼ ／ I ＼ l I Ⅱ Ⅲ Ⅱ I 』 I一破裂区； Ⅱ一塑性 区；Ⅲ一弹性区 图 1 煤柱 两侧 支承压力分布 形态 定义煤壁到支承压力峰值位置的距离为 ‰，煤壁到支 承压力影响边界的距离为 ，为了简化计算 ，假设煤壁到 支承压力峰值位置 极限平衡区内 及峰值位置到其影响边 界 及弹性区域 的变化按照线性规律分别递增和递减 J 。 大小为，在极限平衡区内由 0增长到峰值；弹性区域内由 峰值减少到原岩自重应力。则支承压力强度为 [ 1．j} 1一 0 ] 7 。支 一 式中 应力集中系数； 煤层上覆岩层平均容重，k N ／ m ； H 一煤层埋藏深度，m。 上区段工作面回采后 ，靠近瓦排巷煤柱一侧采空区顶 板沿倾斜方向形成了类似 “ 砌体梁”结构 ，如图 2所 示。上区段工作面运输巷道顶板及实体煤柱承受基本顶及 上覆岩层运动的作用，主要体现在基本顶发生断裂失稳， 以及上覆岩层回转下沉 ，在沿煤柱侧向形成高支承压力传 递到煤柱外侧瓦排巷围岩上，引起尾巷的强烈变形和长时 问持续变形，这是引起尾巷发生破坏的主要力源。如果巷 道支护方式不合理，经上区段工作面回采动压作用，巷道 可能 因围岩变形过大而报废 。 图 2 工作面倾斜 方向基本 顶岩层 结构 示意图 本区段工作面 回采过程，受到本工作面超前支承压力 及上区段采空侧残余支承压力的叠加作用，瓦斯尾巷顶板 和煤柱帮变形加剧 ，煤柱帮受力很大 ，发生垮落性失稳； 顶板严重下沉，发生弯曲失稳或者折断破坏。 7 7 煤炭工程 2 0 1 3年第 2期 2 瓦斯尾巷围岩控制技术 瓦排巷受到上下区段工作面回采动压作用，变形与破 坏主要体现在顶板发生严重下沉，煤柱帮出现大范围移近 或者鼓出，且变形和破坏持续的时间长，需要支护强度高 且具有足够延伸率的强力支护系统才能控制巷道的强烈变 形和破坏 。瓦斯尾巷围岩控制技术关键，主要包括以下 3个方面 1 控制顶板的强烈变形和下沉。采用高预应力强力锚 杆，配合高预紧力强力锚索支护 ，已经在全国大部分矿区 得到大面积推广应用，在支护困难巷道中取得了显著的支 护效果。对于受到强烈采动影响的瓦斯尾巷，仅仅提高支 护强度不能有效控制围岩大变形 ，还需要给强力锚杆初期 提供高预应力，发挥其控制围岩变形的能力。在此基础上 ， 配合高预紧力强力锚索主动把锚杆控制的浅部围岩形成的 承载结构与深部稳定围岩联合起来 ，形成厚度大、强度高 的共同承载体来抵抗强烈采动作用。 2 抵制煤柱帮的大范围移近和鼓出。瓦排巷煤柱帮作 为下区段工作面采空侧基本顶及上覆岩层失稳下沉和回转 变形的主要承载面，必然发生强烈变形甚至破坏。采用强 度低的支护方式根本无法控制，需要采用与控制顶板变形 同等强度的支护方式，而且需要配合强力短锚索加强支护 才能抵制煤柱帮的强烈变形。 3 关键部位的补强支护。关键部位主要包括巷道帮角 等位置，加强该部位的支护强度，补强薄弱部位，平衡支 护系统整体的协调性。 3 工程实例 3 ． 1 工程背景 汾西中兴煤矿地处山西省交城县境内，矿井瓦斯涌出 量2 6 ． 7 8 m ／ t ，属于高瓦斯矿井 ，煤层不易发火。开采 4 5 煤层 ，平均埋深 4 3 3 m，采区工作面采用 “ 一进两回” 模式，布置专用抽放瓦斯的尾巷，与上区段工作 面运输巷 问留 3 0 m 的护巷煤柱 。 巷道支护试验选择在一采区 2 2 0 6工作面瓦排巷，设计 长度 1 2 0 0 m。煤层厚度 1 ． 6～2 ． 1 6 m，平均厚度 1 ． 8 8 m，其 中含夹矸 1 2层，煤层倾角4 。 一3 0 。 ，平均 1 5 。 。煤层直接 顶为黑色页岩，破碎 ，层厚 1 ． 2 m，其上是黑色砂质页岩， 层厚0 ． 9 m；直接顶之上是 2 煤层，层厚 1 ． 1 m，其上为砂 质泥岩，层厚 1 ． 0 m，含植物化石 ，水平层理发育，破碎； 老顶为灰色砂质泥岩，层厚 3 ． 2 m，灰色 ，致密坚硬；直接 底为灰褐色砂质泥岩，层厚2 ． 6 m。 3 ． 2 支护 设计 2 2 0 6试验工 作面 瓦排巷 断面设计 呈矩形 ，规格 为 3 8 0 0 mm 0 0 m m。顶板采用型号为 2 2 m m 2 0 0 0 m m强力 锚杆，其极限破断载荷为 2 5 4 k N，延伸率为 1 8 ％，间排距 为 8 0 0 mm1 0 0 0 mm，配合 1支 K 2 3 5 5和 1支 Z 2 3 6 0树脂锚 78 固剂，钻孔直径 3 0 m m，两顶角锚杆与巷道顶板垂直方向呈 1 5 。 。采用厚 3 mm，宽 2 8 0 mm，长 3 4 0 0 mm的 w 钢带 以及 4 ． 2 m1 ． 1 m金属网护顶，顶板中部布置规格为 2 0 m m X 7 3 0 0 m m的 l 1 9股 的强力锚索加强支护，排距 2 ． 0 m。顶 板锚杆初始预紧力矩 4 0 0 N m，锚索初始预紧力 2 5 0 k N。 煤柱帮采用型号 2 2 mm2 0 0 0 mm强力锚杆，其力学 性能与顶板锚杆相同，间排距 8 0 0 m m1 0 0 0 m m，配合使用 1支 Z 2 3 6 0树脂 锚 固剂，采 用 厚 3 m m，宽 2 8 0 m m，长 1 8 0 0 ra m的w 钢带 ，配合 2 ． 2 m1 ． 1 m金属网护帮。在煤帮 中部布置 1 根 2 0 m m4 3 0 0 m m强力锚索加强支护，排距 2 ． 0 m。锚杆 索 技术参数与顶板相同。 工作面帮采用型号为 2 0 mm X 2 0 0 0 m m高强锚杆，其 极限破断载荷 1 5 4 k N，延伸率也达到 1 8 ％，间排距 8 0 0 m m 1 0 0 0 mm，采用 1支 Z 2 3 6 0树脂锚 固剂 ，使用 2 ． 3 m 1 ． 1 m塑料网护帮，两帮顶底角锚杆与巷帮垂直方向呈 l 0 。 ， 锚杆预紧力矩 3 0 o N m。中兴煤矿 2 2 0 6工作面瓦排巷支护 设计如图3所示。 图 3 2 2 0 6工作面瓦排巷支护设计 m m 3 ． 3试 验效 果 巷道掘进期间，瓦排巷基本没有发生变形，重点监测 了上区段 2 2 0 6工作面回采影响最强烈期间尾巷围岩的变形 状况 。 结合中兴矿其他工作面尾巷矿压显现特点，上区段工 作面回采 3 0 0 m后尾巷变形最严重，之后开始逐渐趋于稳 定。因此，2 2 0 6工作面回采超前观测点 3 0 0 m位置开始监 测巷道变形与离层。采用高预应力锚杆支护控制顶板下沉， 煤柱帮采用强力短锚索加强支护，瓦排巷经过一次采动影 响后 ，巷道的变形得到了显著控制，尾巷表面位移观测曲 线如图4所示，顶底板最大位移量 1 6 1 m m，两帮最大移近 量 1 8 1 m m，2 2 0 6工作面回采超前观测点大约 3 4 0 m距离后 ， 表面位移缓慢增加并趋于稳定。再辅助高预紧力强力锚索 支护技术，瓦排巷经受住了两次强烈采动动压影响，下 区 段2 2 0 8 工作面回采期间，超前进行了加强支护，尾巷围岩 再变形不明显，实现了二次复用。 2 0 1 3年第2期 煤炭工程 至2 2 0 6 面距离／ m 图 4巷道 表面 位移 顶板离层观测曲线如图5所示，锚固区内顶板最大离 层量 1 5 ra m，锚固区外顶板最大离层量 l l mm，2 2 0 6工作面 回采超前观测点大约 3 3 0 m位置，顶板离层逐渐趋于稳定。 下区段 2 2 0 8回采期间，目测了尾巷顶板的离层，维持了稳 定状态，满足了二次复用。 1 5 吕 参 0 3 0 0 3 1 0 ． 3 2 0 ． 3 3 0 至2 2 0 6 作面距离／ m 图 5 巷道顶板离层 4结论 1 外部环境影响支护 困难巷道主要包括 沿空巷道 、强 烈动压影响巷道，其中瓦斯尾巷是受强烈动压影响支护困 难巷道之一 。 2 瓦斯尾巷受到采动影响经历掘进影响及稳定、上下 区段回采工作面采动影响与稳定等五个阶段，巷道围岩变 形大，持续时间长，巷道维护困难。 3 瓦排巷围岩破坏机理主要体现在受到上下区段工作 面采空侧形成的高支承压力作用，以及采空侧基本顶断裂 失稳和上覆岩层回转下沉作用 ，顶板极易发生弯曲变形或 者折断破坏；煤柱帮易发生压塌失稳破坏。 4 瓦斯尾巷围岩控制首先在于提高顶板初期支护刚 度，防止顶板下沉 ；其次是加强煤柱帮支护强度，阻止煤 帮压塌破坏；最后补强关键部位协调支护。 5 工程实例表明，提出的尾巷围岩控制技术，解决了 中兴矿 2 2 0 6工作面瓦排巷支护难题，实现了巷道二次复用 目标，为该类巷道支护提供了有效的技术途径。 参考文献 康红普 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”循环经济产业链。该项 目建成后，可实现年销售收入 5 ． 7亿元 ，吸纳劳动就业 3 00 余人。 瓜州柳沟煤基联化循环经济产业园项目总投资 1 8 ． 8亿元，项 目建成后 ，将形成年产 3 0 0万 t 兰炭、2 0万 t 精炼煤焦油 的生产能力，可实现年销售收入2 3亿元，并就地消纳电能近 1 O亿 k W h ，吸纳劳动就业 2 00 余人。 [ 本刊通讯 员] 7 9 1j 1J 1 J 1j 1 j 1J 1J m u