三软强变形煤巷复合支护技术研究_张沛.pdf

巷巷道道支支护护理理论论与与技技术术 三软强变形煤巷复合支护技术研究 张沛1， 2，黄庆享1， 2 1. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054; 2. 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054 ［ 摘 要］告成煤矿属于典型的三软强变形煤层，通过分析原有支护的变形特征和失效原因， 进行了巷道断面优化，确定了全断面锚杆锚索钢筋梯子梁金属网喷浆复合支护方案，取消了 U 型 棚，经过工业性试验，技术经济效果显著。 ［ 关键词］三软煤层; 复合支护; 断面优化; U 型棚 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201702- 0044- 03 Study of Compound Supporting Technology of Coal Roadway with Three Soft and Large Deation ZHANG Pei1， 2，HUANG Qing- xiang1， 2 1. Energy School，Xi’an University of Sciences and Technology，Xi’an 710054，China; 2. Education Ministry Key Laboratory of Mining ＆ Disaster Prevention，Xi’an 710054，China Abstract Gaocheng coal mine is typical three soft and large deation coal seam，the deation character of old supporting and failure reasons were analyzed，the section of roadway was optimized，the compound supporting as all section cable and anchor and steel beam and metal net shotcrete was determined，and U type shed was abolished，after industry test，significant technical and eco- nomic effects was obtained. Key words three coal seam，compound supporting，optimized section; U type shed ［ 收稿日期］ 2016－10－17［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 02. 012 ［ 基金项目］ 西安科技大学博士启动基金 6310113032 ; 西安科技大学能源学院青年创新基金 2210115019 ［ 作者简介］ 张沛 1979－ ，男，河南泌阳人，博士，讲师，从事采矿与岩层控制教学和研究工作。 ［ 引用格式］ 张沛，黄庆享 . 三软强变形煤巷复合支护技术研究 ［ J］． 煤矿开采，2017，22 2 44－46. 郑州煤电股份有限公司告成煤矿矿井地质条件 特殊，存在滑动构造。矿井主采二1煤层，其顶板 受滑动构造影响范围 21. 5km2，占含煤面积的 79. 6，属于豫西典型的三软强变形煤层。 告成煤矿工作面上下副巷受到采动等因素的影 响，巷道变形剧烈，不能满足安全生产的需求，扩 修率达到 60以上，巷道翻修不仅费时费力，增 加生产成本，而且也影响了矿井的正常采掘接替。 因此，以告成煤矿 21061 下副巷为研究对象，确定 三软强变形煤巷的合理支护方式和支护参数，不仅 对该矿区具有直接的实践价值，对发展复杂构造条 件下的三软煤层支护技术具有重要的理论意义。 1巷道围岩力学条件 分别在 21061 下副巷对二1煤层、顶板、底板 进行现场取样，开展力学参数测试。煤层及顶底板 松软破碎，属于典型的三软强变形煤层，围岩力学 性质如下 1二1煤层平均厚 4. 86m，一般煤层倾角为 11～13，煤层受构造影响，节理裂隙发育，呈粉 末状，疏松易碎。密度 1350kg/m3，抗压强度平均 0. 9MPa，水 软 化 系 数 0. 32， 抗 拉 强 度 平 均 0. 094MPa，黏聚力 0. 7MPa，内摩擦角 20，弹性 模量 32. 98MPa，泊松比 0. 28。 2顶板为平均厚度 8. 56m 的破碎带角砾岩， 岩性为泥岩、砂质泥岩和细砂岩，容易泥化。密度 2650kg/m3，抗压强度平均24. 62MPa，抗拉强度平 均 2. 88MPa，黏聚力 5. 2MPa，内摩擦角 35，弹 性模量 351. 2MPa，泊松比 0. 20。 3底板为砂质泥岩，强度低，密度 2440kg/ m3，抗压 强 度 平 均 14. 47MPa;抗 拉 强 度 平 均 3. 241MPa; 黏聚力仅 0. 8MPa，内摩擦角 25，弹 性模量 413. 8MPa，泊松比 0. 20。 2巷道原支护条件及支护失效分析 2. 1巷道原支护条件及变形特征 告成煤矿 21061 下副巷原断面设计巷道净断面 15m2，掘进断面 17m2。巷道采用 36 号 U 型钢支 护，棚与棚之间采用 7 道工字钢联锁配合直径 17. 8mm 锚索 8m 长加固，棚距为 500mm。 44 第 22 卷 第 2 期 总第 135 期 2017 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 2 Series No. 135 April2017 ChaoXing 根据告成煤矿 21061 下副巷支护实践，巷道最 大变形破坏特征为支架搭接部位出现低阻滑移， 顶梁和柱腿相对滑移达 1m; 巷道顶板下沉、底鼓 0. 6～ 0. 7m，巷道净高不足 2m，局部甚至不足 1. 5m; 巷道两侧帮脚内移明显，巷道下宽由 6. 2m 缩至 3. 8m; U 型钢支架背板滑脱、折断，软弱煤 体从支架间挤出。如图 1 所示。 图 1 21061 下副巷典型变形特征 2. 2巷道支护失效原因分析 采用 U 型钢棚支护巷道发生了严重变形，说 明采用单一 U 型钢支护难以控制巷道变形，采用 U 型钢配合工字钢及锚索等支护，施工困难，工艺复 杂，成本高，巷道变形仍然剧烈，扩修率达到 60以上，影响了矿井的正常采掘接替。巷道支护 失效的原因如下 1U 型钢棚支护属于被动支护，支架与围 岩之间存在架后空隙，支架对围岩没有主动支护作 用，对底板没有支护作用，故无法有效控制巷道底 鼓。 2采用的锚杆、锚索支护属于先期用 U 型 钢支护，然后待巷道掘进一段距离后，在 U 型钢 钢棚间的补强支护，没有发挥锚杆支护的及时主动 支护作用。 3没有及时对巷道围岩进行喷浆封闭，没 有考虑对底板的控制。 因此，需要对告成煤矿 21061 下副巷进行优化 设计，采用底板反拱增强底板稳定性，取消 U 型 棚被动支护，采取锚网加强两帮和顶板主动支护， 封闭围岩。 3巷道断面优化及支护方案设计 根据工程类比和极限平衡圈理论分析，可得 采用锚杆和锚索联合支护是正确的方向; 喷浆封闭 对解决松软破碎围岩支护具有显著效果; 加强巷道 底板和两帮的控制，可提高巷道整体稳定性。 因此，确定告成煤矿 21061 下副巷采用锚网索 喷配钢筋梯子梁联合支护方式，采用底板反拱优化 断面，加强底板稳定性，采用巷帮长锚杆加强两帮 控制，采用顶板锚索加强顶板高平衡拱的控制，提 高巷道整体稳定性。 3. 1巷道断面优化 为了充分发挥锚网支护的主动能力，根据锚网 支护的 “直墻壁”原则，巷道断面选择为直墙圆 弧拱形。巷道面积与原设计一样，确定巷道宽度为 6200mm，净高 3600mm，墻高 2000mm。根据巷道 极限平衡圈支护理论，控制底板可加强顶板的稳定 性。根据实测，底板破坏深度为 1200mm，可取其 一半设计反拱深度 600mm，加强底板稳定性，如 图 2 所示。顶弧长 7248mm，底弧长 6353mm。 图 2 21061 下副巷优化断面 3. 2巷道支护方案 根据极限平衡圈理论 ［2 ］，结合矿区实践经验， 确定支护方案如图 3 所示。巷道采用直墙圆弧拱带 反拱优化断面，巷道宽度 6. 2m，直墙高度 2. 0m， 顶拱高 1. 6m，底板反拱 0. 6m。全断面采用锚杆锚 索钢筋梯子梁金属网喷浆支护，锚杆长度 2. 4m，间排距 0. 8m; 采用锚索加强顶板和两帮支 护，顶板锚索长度 6m，两帮腰线锚索长度 6m，间 排距 1. 2m1. 6m; 全断面采用金属网封闭。 图 3 21061 下副巷优化断面支护方案 4巷道支护效果及经济评价 4. 1巷道支护效果 在告成煤矿 21061 下副巷 995～1275m 段进行 全锚网支护工业性试验，建立 4 个测站进行锚网索 支护试验段表面位移观测。通过观测，巷道顶底移 54 张沛等 三软强变形煤巷复合支护技术研究2017 年第 2 期 ChaoXing 近量最大为 285mm，巷道顶底收缩率范围在 1. 7 ～8. 3之间;巷道两帮移近量最大为 157mm，巷 道两帮收缩率范围为 0. 46 ～4. 1;巷道顶底和 两帮移近量为 628～880mm，采用全断面锚网索梯 子梁支护，对比 U 形钢支架锚网索补强支护巷道 变形量下降了 68，巷道使用情况良好，采用全 断面锚网索梯子梁支护，技术效果明显。 4. 2经济效益 通过计算，锚网梁支护每米巷道材料消耗费用 为 1443. 361 元，U 型棚锚网支护每米巷道材料消 耗费用为 5678. 241 元，每米巷道材料消耗费用降 低了 74. 6。 使用锚网梁支护巷道返修工程量较少，现在告 成煤矿工业性试验段，锚网梁支护没有出现巷道返 修 U 型棚锚网支护巷道返修率为 60以上，每 米巷道维护费为 320 元 。因此，在告成煤矿工业 性试验段 280m 巷道，节省巷道维护费用 5. 376 万 元。使用锚网梁支护，单进提高了 10，掘进工 效提高了 38，提前准备出工作面备采。 5结论 以告成煤矿三软强变形煤巷为对象，通过现场 取样、岩石力学实验得出围岩力学参数，分析原巷 道支护的变形特征及失效原因，在巷道断面优化基 础上，确定了全断面锚杆锚索钢筋梯子梁金属 网喷浆支护的方案，经工业性试验检验，技术经济 效果显著。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 钱鸣高，石平五，许家林 . 矿山压力与岩层控制 ［M］． 徐州 中国矿业大学出版社，2010. ［ 2］ 黄庆享，刘玉卫 . 巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论 ［J］． 采矿与安全工程学报，2014，31 3 355－358. ［ 3］ 黄庆享，石中情 . 三软煤层巷道围岩自稳平衡圈分析 ［J］． 西安科技大学学报，2016，36 3 331－335. ［4］ 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等． 巷道围岩松动圈支护理论 ［ J］． 煤炭学报，1994，19 1 22－32. ［ 5］ 柏建彪，李文峰，王襄禹，等 . 采动巷道底鼓机理与控制技 术 ［ J］． 采矿与安全工程学报，2011，28 3 1－5. ［责任编辑 邹正立］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 9 页 ［ 3］ Patel S U，Jeevan Kumar B，Badhe Y P. 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