软岩顶板巷道稳定性影响及支护参数选取研究.pdf

222020 年第 3 期 软岩顶板巷道稳定性影响及支护参数选取研究 牛春雨 （中煤平朔集团井工一矿，山西 朔州 037200） 摘 要 以太西采区 19107 工作面辅助运输顺槽为研究对象，通过现场围岩地质力学评估、室内试验及现场实测等研究 方法，对 19107 工作面辅助运输顺槽泥岩顶板破坏机理及控制技术进行系统分析 , 提出了长锚索、强锚固、高预紧力下位 直接顶强度强化支护方案，并应用于工程实际。 关键词 软岩 支护 参数 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.03.010 Study on the Influence of Stability of Soft Rock Roof Roadway and Selection of Supporting Parameters Niu Chun-yu （No. 1 Mine of Well Engineering, Pingshuo Group of China Coal Mine, Shanxi Shuozhou 037200） Abstract In this paper, the auxiliary transport channel of the 19107 working face of Taixi mining area is the research object, and the research s such as the on-site surrounding rock geomechanical uation, the indoor test and the on-site measurement are adopted. The failure mechanism and control technology of the 19107 working face auxiliary transport mudstone roof are systematically analyzed. The reinforcement and support scheme of the lower direct top strength of long anchor cable, strong anchoring and high pretightening force is put forward, and applied to engineering practice. Key words soft rock support parameter 收稿日期 2019-09-23 作者简介 牛春雨（1976-），男，山西省大同市人，2008 年 7 月毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现主要在中煤平朔集团井 工一矿从事煤矿安全监察工作。 巷道支护作为矿井安全开采的重要保障，国内 外学者针对不同类型的巷道支护进行了大量的研 究并取得了重要的成果 [1-5]。软岩巷道支护作为国 内巷道支护的难题之一，随着煤炭资源的大量采 出，巷道断面承受的强动压导致软岩巷道的破坏程 度进一步增大。软岩巷道围岩相对于一般巷道强度 低，遇矿井水后支护强度减弱，需多次支护、多次 返修。本文以太西采区 19107 工作面辅助运输顺 槽为研究对象，通过现场围岩地质力学评估、室内 试验及现场实测等研究方法，对 19107 工作面辅 助运输顺槽泥岩顶板破坏机理及控制技术进行了 系统分析，提出了长锚索、强锚固、高预紧力下位 直接顶强度强化支护方案，对支护参数进行设计并 应用于工程实际。 1 工程地质概况 1.1 工程地质条件 19107 工作面是太西采区 9 煤第二个工作面， 上部为 14107 工作面采空区，北部与 19106 工作面 相邻，南部是未开采区，东部是太西水仓保护煤柱， 西部为小窑破坏区。本工作面所掘煤层为 9 煤，经 钻孔实际揭露，该煤层结构较复杂。9 煤平均厚度 为 11.58m，直接顶平均厚 1.12m，主要岩性为泥岩、 炭质泥岩、高岭石泥岩互层，局部含黄铁矿结核； 基本顶平均厚度为 7.83m，主要岩性为泥岩与砂质 泥岩互层，下部含黄铁矿；底板平均厚度为 3.19m， 主要岩性为泥岩、砂质泥岩、泥质灰岩互层。工作 面柱状图如图 1 所示。 1.2 水文地质概况 19107 工作面直接充水含水层为 4 煤与 9 煤之 间砂岩裂隙含水层，该含水层总体富水性弱，以静 储量为主，水力联系差，易于疏干。工作面上部为 14107 工作面采空区，受采动影响，上部 K3、K4 等砂岩含水层通过冒落裂隙带影响 19107 工作面， 232020 年第 3 期 在普 23 孔向斜轴部易形成积水危险区。根据水文 地质补勘（二期）报告、地面瞬变电磁勘探报告及 太西区充水条件评价及防治水对策研究报告提供资 料，普 23 孔向斜轴部及三维地震勘探 X5 陷落柱区 域为中等富水异常区，三维地震勘探 X7 陷落柱区 域为弱富水 - 不富水异常区，但可能导通上部及下 部含水层，为富水较危险区。 图 1 工作面柱状图 1.3 影响巷道稳定性因素 经现场科研工作者的理论分析研究及现场生产 实践经验总结，影响 19107 辅助运输顺槽巷道稳定 性因素主要有地质构造、覆岩顶板岩性、水文地质 条件。 （1）地质构造。19107 辅助运输顺槽在开采过 程中，将会揭露 5 条断层。最大落差的断层为 DF35 断层，落差高度为 14m，倾角为 70；最小落差为 DF34 断层，落差高度为 2m，倾角为 40。 （2）覆岩顶板岩性。根据钻孔资料可知， 19107 工作面顶板岩性主要为泥岩，部分层位有中 砂岩。因此，工作面顶板属于软岩顶板。 （3）水文地质条件。根据 1.2 节分析可知， 19107 顶板淋水水源主要有 14107 采空区积水以及 K3、K4 等砂岩含水层。而 19107 顶板岩性主要为 泥岩，泥岩遇水泥化，最终导致支护强度减弱，影 响巷道稳定性。 2 直接顶泥岩亲水崩解及膨胀性试验研究 根据影响 19107 工作面巷道稳定性因素可知， 巷道稳定性主要受顶板泥岩遇水软化崩解降低强 度。因此，为了进一步从宏观上判断 19107 巷道顶 板岩层遇水后耐崩解程度，现场提取了煤层顶板岩 性，在实验室进行了浸水崩解性及膨胀率试验。直 接顶泥岩水化崩解3d、 7d、 15d的崩解图如图2所示。 图 2 直接顶泥岩岩样水崩解图 从图 2 可知，在自然状态下，顶板泥岩 3d 开 始出现崩解，随着时间延长崩解程度加大，逐步形 成片状，当到 15d 后崩解基本成片状。岩样自由膨 胀率可大致分为 2 个阶段第一个阶段为快速增加 阶段，膨胀率快速增加（2h 以内）；第二个阶段为 缓慢增加阶段，达到最大值 8.5。岩样在吸水过程 中明显经历了快速吸水、缓慢吸水、饱和吸水三个 阶段，与此阶段对应表层快速软化、内部缓慢软化、 整体软化三个阶段。因此，19107 巷道支护中要时 刻注意淋水对围岩强度的巨大影响。 3 巷道围岩支护参数确定 根据 19107 工程水文地质条件以及工作面顶板 泥岩亲水崩解及膨胀性试验结果分析，提出了长锚 索、强锚固、高预紧力下位直接顶强度强化支护方 案，选择了左旋无纵筋等强锚杆、高预应力锚索。 具体参数及现场应用效果如下。 3.1 锚杆、锚索支护参数 3.1.1 锚杆、锚索规格 （1）顶锚杆采用 MSGM-335、Ф222400mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆；帮锚杆分别采用 MSGM- 335、Ф222400mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆（上面 两排）和 MSGM-235、Ф181700mm 普通圆钢锚 杆（下面一排）。 （2） 锚索采用Ф17.810300mm七芯钢绞线。 （3）锚杆角度顶部两边的锚杆与垂直线成 15夹角，其他锚杆与巷道顶部轮廓线垂直布置， 其最小角度不小于 75。 （4） 顶 锚 杆 托 盘 规 格 15015010mm； 帮 锚 杆 托 盘 规 格 分 别 为 15015010mm 和 20020010mm；锚索托盘规格 25025010mm。 （5） 顶钢带规格为Ф124600mm的圆钢钢带， 帮钢带规格为 Ф122500mm 圆钢钢带。 3.1.2 锚杆间、排距 顶锚杆间排距为 900mm900mm，每排布置 6 根，最外一根距帮 350mm，每排锚杆安设钢带加强 支护。帮锚杆间排距为 1200m900mm，每排布置 6 根，上面一根距顶 400mm（即顶网与帮网的搭接 处），下面一根距底 700mm 并压住帮网，每排锚 杆安设钢带加强支护。 3.1.3 锚索的布置 锚索每排布置 2 根，间排距为 20002700mm。 242020 年第 3 期 煤炭科学技术，2013，41（09）44-48. ［5］ 刘樟平，赵新宇，井广成 . 中国综放开采技术发 展历程及其展望 [J]. 能源与环保，2014（06） 35-37. 3.1.4 锚网、钢带规格 （1）顶铺 Ф480mm 的钢板金属菱形网，规 格为 3000mm1100mm；帮铺两片 Ф480mm 的 点焊经纬网，规格为 3000mm1400mm。 （2）铺联网需紧贴壁面，联网牢固，扣距 ≤ 100mm，压茬一个网格，充分展开，用 14双股 铁丝扎牢。顶网的联网铁丝头要以中线激光为准分 别朝向两边，帮部的联网铁丝头要全部朝下。 3.2 现场测试 为验证分析 19107 工作面巷道支护情况，采用 十点监测法在 19107 辅助运输顺槽进行了监测。监 测数据表明两帮受回采支撑压力影响较大，移近 量约为 0.3m，顶板中央的最大下沉量约为 0.42m； 采取措施后虽仍有变化，但巷道围岩完整性较好， 不会影响运输及工作面回采。现场实照如图 3 所示。 4 结论 （1）对影响巷道稳定性因素进行了分析，总 结发现造成巷道围岩变形破坏的原因主要是顶板泥 岩遇水软化崩解和地质构造两方面因素。 （2）根据对 19107 工程水文地质条件以及工 作面顶板泥岩亲水崩解及膨胀性试验结果分析，提 出了长锚索、强锚固、高预紧力下位直接顶强度强 化支护方案，有效控制了辅助运输巷道围岩表面变 形，满足现场生产需要，确保矿井安全高效生产。 （a）掘进头 （b）辅助运输顺槽 图 3 现场巷道支护实物图 【参考文献】 ［1］ 康红普 . 我国煤矿巷道锚杆支护技术发展 60 年及 展望 [J]. 中国矿业大学学报，2016，45（06） 1071-1081. ［2］ 贾致斌 . 软岩巷道破坏机理与支护技术研究 [J]. 江西煤炭科技，2019（01）42-4448. ［3］ 王义锋 . 软岩巷道变形破坏特征及支护控制对策 [J]. 山东煤炭科技，2019（06）87-89. ［4］ 康红普，姜铁明，高富强 . 预应力锚杆支护参数 的设计 [J]. 煤炭学报，2008（07）721-726. ［5］ 付文龙，韩帅军 . 平煤十二矿深部软岩巷道协调 支护技术研究及应用 [J]. 能源与环保，2019，41 （07）196-200. 4 结语 3煤回采工作面双巷之间每隔 80m 需掘进横 川，采用 ZCY60R 侧卸式装岩机代替人工进行清煤 和出煤，实现了横川拐弯掘进施工的全程机械化， 可以极大降低作业人员的劳动强度，提高横川拐弯 施工的施工效率，减少了回采巷道掘进时间，有效 缓解矿井采掘衔接紧张局面。 【参考文献】 （上接第 19 页） ［1］ 张燕红．浅析煤矿掘进工程中的矿山掘进机械化 作业 [J]．能源与节能，2018（08）183-184． ［2］ 孔磊．综掘机拐弯施工工艺在切眼施工中的应用 [J]．煤矿现代化，2018（02）11-13. ［3］ 梁向军．煤巷拐弯开口施工连续掘进技术 [J]．煤， 2018（09）51-52． ［4］ 孔令伟．综掘巷道拐弯施工工艺的探索与研究 [J]． 内蒙古煤炭经济，2017（21）110-111． ［5］ 任五星．煤矿掘进机拐弯开口掘进施工巷道 [J]． 同煤科技，2015（04）48-4952． （上接第 21 页） ［6］ 宁宇 . 综放开采技术回顾与展望 [J]. 煤矿开采， 2003， 8（01）1-3. ［7］ 赵青波 . 综采工作面快速搬家工艺 [J]. 煤炭与化 工，2017（03）87-88. ［8］ 田小方 . 综采工作面搬家顶板支护技术 [J]. 能源 与节能，2015（12）171-172.