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综采放顶煤上行开采巷道支护及其稳定性分析 郑有雷 郭念波 [兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东 济宁272169] 摘 要 介绍济宁三号煤矿上行开采巷道锚网支护方式。通过对下层煤停采线附近 上覆岩层的倾角变化的观测,判定了锚网支护是切实可行的;通过矿压观测分析了 综采放顶煤条件下上行开采巷道采用锚网支护稳定性能够满足回采使用要求;裂隙 观测统计证明了下层煤开采顶板周期性断裂与上行开采巷道顶板破碎区的一一对 应;通过上行开采巷道底板至下部采空区的钻孔施工记录和钻孔录像技术了解下层 煤裂隙带发育高度,为成功实现综采放顶煤条件下上行开采巷道安全掘进提供了科 学依据。 关键词 上行开采 锚网支护 稳定性分析 裂隙观测 钻孔录像 43上03工作面是济宁三号煤矿第一个上行开采工作面。该工作面位于43下03工作面采 空区上部偏东南。43下03工作面自2001年7月1日开始回采, 2002年5月6日结束。43上 03工作面两顺槽设计均采用锚网支护。为考察综采放顶煤上行开采巷道支护后的稳定性、 掌握巷道掘进期间矿压显现规律及巷道空间位置变化与巷道稳定性的关系,我们对43上03 工作面辅助运输顺槽、胶带运输顺槽和探煤巷进行了矿压观测和分析。 1 43上03工作面概况 43上03工作面位于43下03工作面采空 区上 方的东南部, 3上煤层 厚 度 为0～ 2107m ,平均1123m ,北部因冲刷变薄直至 缺失。煤层直接顶为厚0116～8120m的深 灰色泥岩,局部发育粉砂岩,坚固性系数f 值为4～6 ;老顶为厚610～1113m的深灰色 粉细砂岩互层,局部为灰白色细砂岩夹粉砂 岩条带,坚固性系数f值为6～8。43上03 工作面倾斜长69155m ,走向长约775116m。 43上03工作面辅助运输顺槽在43下03工作 面辅助运输顺槽上方,东距该顺槽巷道中心 线215m ,方向与该顺槽一致, 43上03胶带 运输顺槽东距该顺槽中对中 73155m。 2 施工情况 根据国内外对上行开采的研究结果,工 作面回采完毕后,“两带”高度对于软弱岩 层约为采高的9～12倍、对于中硬岩层为采 高的12～18倍,对于坚硬岩层为采高的18 ～28倍。43下03工作面顶板为软至中硬岩 层,故其两带高度取采高613m的12倍, 即7516m。冒落带高度约为采高的3～5倍, 取4倍,即2512m。地质勘探钻孔表明,济 三矿四采区3下煤层和3上煤层的间距约为 32133～41179m ,平均36103m , 3上煤层处 于下部3下煤层回采后的裂隙带中。因此掘 进巷道顶板及两帮围岩的次生裂隙发育,以 与巷道垂直的横断裂隙为主。同时3上煤层 受下部煤层采出的影响,从3下煤层停采线 到采空区段为下沉区域,受拉伸的影响,停 采线附近的3上煤层受到的破坏程度最大。 43上03工作面辅助运输顺槽于2005年 8月份开始施工,胶带运输顺槽于9月份也 正式掘进。到2006年2月胶带运输顺槽与 切眼贯通后,包括辅助运输顺槽、胶带运输 顺槽、切眼及工作面内探煤巷等在内共 322007年第1期 煤矿支护 1880m巷道全部完成施工,月进尺最高 526m ,平均308m。 211 巷道参数与施工方法 43上03工作面所有回采巷道均采用矩 形断面。辅助运输顺槽净宽4000mm、净高 2600mm ,净断面积1014m2;胶带运输顺槽 净宽4000mm、净高2400mm ,净断面积 916m2。切眼正常段净宽6800mm ,机窝段 最大净宽8000mm ,净高2600mm。 巷道采用综合机械化掘进。综掘机为低 矮型半煤岩掘进机,配合SSJD - 800型胶 带运输机形成煤流运输系统。巷道均沿3上 煤层顶板施工,“三八制”作业,掘锚顺序 施工。正常条件下每次截割两排进行锚网支 护一次,循环进尺116m。 212 永久支护参数与工艺 采用锚网支护作为永久支护形式,顶板 条件较差处增加锚索加强支护。锚杆采用左 旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆。顶板锚杆直径 22mm、长2200mm ,帮部锚杆直径20mm、 长1800mm。树脂锚固剂卷为CK2340型和 K2340型两种,均为全长锚固。顶板锚杆设 计锚固力不低于150kN ,帮部锚杆设计锚 固力不低于100kN。网为10 铁丝编织的菱 形金属网,网格5050 mm ,再配用 10mm圆钢加工的70mm宽钢筋梯。锚索直 径18mm、长6200mm ,设计锚固力不低于 180kN ,预紧力80kN。 锚杆施工采用快速安装工艺。顶板锚杆 安设使用MQT - 120型大扭矩低矮型风动 锚杆钻机,安装扭矩为120Nm ;帮部锚 杆安设使用MQB - 45J型气腿式风动帮锚 杆钻机,安装扭矩为60Nm。 213 巷道施工实际揭露情况 43上03工作面在3下煤动压影响区域内 共施工回采巷道1880m。由实际揭露情况 看,未出现预计中的顶板破碎严重、 压力显现 明显、 支护体系失稳和巷道成形困难等情况, 而是巷道顶、 帮完整稳定、 裂隙不明显、 没有 压力显现。锚网支护体系也非常稳定,从未 出现片帮、 冒顶、 底臌严重等巷道失稳现象。 从开始掘进到2006年4月30日工作面回采 期间,巷道一直处于这种完整稳定状态。在 上行开采条件下,巷道在掘进期间围岩的完 整性和变形量极小,甚至优于济三煤矿正常 开采程序下的任何一条回采巷道。 巷道掘进期间下层煤的动压影响在上层 煤巷道中也是有一定的表现,主要在两个方 面其一是两条顺槽掘至下层煤停采线位置 后,煤层有明显的下倾现象;其二是巷道每 掘进20～30m就会出现一次顶板完整性变 差的现象,这与下层煤回采期间周期来压步 距相吻合。 巷道掘进中未出现裂隙水渗入现象。巷 道内瓦斯含量正常,巷道水文地质情况简单 易控。 3 43下03工作面上覆岩层移动情况 311 停采线附近 43下03工作面停采线附近的上覆岩层 移动情况如图1所示。 图1 3下煤层停采线附近上覆岩层移动示意图 在43上03辅助运输顺槽掘进期间,对 3上煤层与其底板分界线的坡度变化斜率 mm/ m进行了测量和统计。统计结果见图 2。从统计情况看,在距停采线南24～13m 段,岩层呈缓慢上升趋势;在距停采线南 13m左右,煤层倾角变得相对不稳定;在 距停采线南814m处煤层坡度达到9,在距 停采线南613m处则维持在8174,在距停 采线南314m时突变为- 1514,继而降至 42 煤矿支护 2007年第1期 - 3124,然后变平缓。经分析认为,由于 3下煤层的开采,在停采线附近顶板断裂牵 引造成3上煤层及其围岩坡度发生剧烈变 化。从现场看,在距3下煤层停采线南13m 左右顶板见断裂面,断裂面与巷道走向垂 直,倾角约70 。 图2 煤层坡度变化 312 探巷揭露情况 43上03工作面探巷开口于43上03工作 面辅助运输顺槽550m处并与其垂直相交, 主要用于探明工作面内断层情况。探巷掘进 至120m见一条6m落差的断层后停止掘进 并封闭。 从43上03探巷实测剖面来看,探巷开口 向里9m段的3上煤层坡度平缓西倾约2 , 呈自然倾角;向里9～20m煤层开始产生弯 曲,煤层西倾4;向里20～28m煤层坡度急 剧变化,西倾11;向里28～32m煤层坡度开 始变缓,西倾约714;向里32m以西段煤层 坡度变化趋于稳定,约2～4 。 图3 43上03探巷实测剖面图 43上03工作面切眼位于探巷北360m。 从切眼实测剖面来看,与探巷岩层移动情况 比较类似,均呈平缓-急倾-平缓的明显变 化趋势,也符合移动盆地特征。 4 上行开采巷道支护后稳定性分析 从辅助运输顺槽和胶带运输顺槽的掘进 情况来看,前者从导线点N43上12南20m 至N43上14北10m段受断层HF7 落差 11 2m 和HF8 落差01 8m 的影响,帮部 锚杆受力较大,锚杆托盘变形、压裂的较 多,两帮移近量较大,集中表现在帮部肩窝 和帮部第二根锚杆上;后者从导线点N43上 16南32m至N43上16北38m段为一幅度 4m的背斜构造,受其影响两帮锚杆受力较 大,两帮移近量较大。胶带运输顺槽受八里 铺东断层落差45～50m及其次生断层 SF23 落差215m 和SF24 落差 6m 的 影响,顶部锚杆受力较大,托盘变形的较 多。 411 巷道顶板离层情况统计及分析 43上03工作面辅助运输顺槽距43下03 工作面停采线不同距离处的顶板离层情况见 图4～6 ,胶带运输顺槽顶板离层情况见图 7。 522007年第1期 煤矿支护 图4 距停采线南115m处顶板离层情况 图5 距停采线北3616m处顶板离层情况 图6 离层量最大的18 离层仪测得情况 图7 离层量最大的10 离层仪测得情况 62 煤矿支护 2007年第1期 43上03工作面辅助运输顺槽顶板最大 离层量48mm ,平均2211mm ,其中浅部离层 量平均1316mm ,占总离层量的6115 ,以浅 部离层为主;胶带运输顺槽顶板最大离层量 44mm ,平均2115mm ,其中浅部离层量平均 918mm ,占总离层量的4516 ,以深部离层 为主。 相邻的四采区3上胶带运输顺槽未受 采 动 影 响最 大 离 层 量15mm ,平 均 912mm ,其中浅部离层量平均216mm ,占 总离层量的2813 ,以深部离层为主。 412 巷道围岩表面变形情况 43上03工作面胶带运输顺槽围岩表面 位移情况见图8～10 ,辅助运输顺槽围岩表 面位移情况见图11。 43上03工作面辅助运输顺槽顶底板移 近量最大70mm ,平均2013mm ,最大移近 速度6mm/ d ;两帮移近量最大52mm ,平 均1519mm ,最大移近速度2mm/ d。辅助 运输顺槽围岩表面位移明显段距离迎头0～ 60m范围。胶带运输顺槽的顶底板移近量 最大176mm ,平均2716mm ,最大移近速 图8 17 测点表面位移 图9 8 测点表面位移 图10 11 测点表面位移 722007年第1期 煤矿支护 图11 14 测点表面位移 度36mm/ d ;两帮移近量最大72mm ,平均 1717mm ,最大移近速度27mm/ d。胶带运 输顺槽围岩表面位移明显段距离迎头0～ 50m范围。 413 锚杆、锚索承载工况及分析 43上03工作面辅助运输顺槽锚杆、锚 索承载工况见图12、13 ,胶带运输顺槽锚 杆、锚索承载工况见图14。 图12 辅助运输顺槽距停采线外2715m处 图13 辅助运输顺槽距停采线外2m处 图14 胶带运输顺槽锚杆、锚索承载工况 82 煤矿支护 2007年第1期 从图12～14和下表可以看出,除辅助 运输顺槽锚索压力升高值达6MPa外,其余 平均114MPa ,胶带运输顺槽锚索压力升高 值平均214MPa ;辅助运输顺槽顶部锚杆压 力升高值平均1175MPa ,胶带运输顺槽顶 部锚杆压力升高值平均2115MPa ;其余均 在4MPa以内。辅助运输顺槽、胶带运输顺 槽由于处于HF8断层和SF24断层处,受 断层构造应力的影响,辅助运输顺槽左帮锚 杆压力升高值为17MPa ,胶带运输顺槽右 帮锚杆压力升高值为10MPa ,其余均在2～ 8MPa之间。锚杆、锚索压力变化较小。 锚索、锚杆平均压力升高值单位 MPa 地 点锚 索顶部锚杆左帮锚杆右帮锚杆 辅 助 运输顺槽 1140117541503100 胶 带 运输顺槽 2140211521754127 414 下层煤开采周期性断裂及其对巷道稳 定性影响 掘进期间,两条顺槽每掘进20～30m 顶板就出现一次破碎,有较为明显的周期 性。顶板冒落高度约013～016m ,长度约 015～2m。冒落后形成楔形裂隙,断裂面较 光滑,但43上03煤层的煤体、顶板及底板 岩层未见有明显错动。断裂面处由于冒落造 成个别顶部锚杆托盘不能密贴岩面,两排锚 杆间易形成网兜,但锚网支护后至回采期间 未出现冒顶现象。 巷道掘进完成后,辅助运输顺槽共有明 显裂隙31处,胶带运输顺槽共有明显裂隙 34处。胶带运输顺槽由于处于43下03工作 面采空区中部,顶板周期性断裂显现比辅助 运输顺槽明显。 综上所述, 43上03工作面两条顺槽的 顶板离层量、巷道围岩表面位移量均较小, 自掘进到回采之前这期间,巷道内包括顶 板断裂地点附近未发生冒顶,锚网支护效 果总体较好。 5 钻孔观测 43上03工作面辅助运输顺槽完成掘进 后,在该顺槽与切眼交岔点处及切眼内距离 该顺槽45m处向下 43 下03采空区各钻 了一个孔,利用钻孔窥视仪对钻孔进行了录 像观测。其中,顺槽内钻孔为垂直向下,切 眼内钻孔与底板成55 夹角。在切眼处煤层 间距为32m。顺槽内钻孔钻进至8m时,钻 孔内反水减少;钻进至12m时钻孔不反水。 切眼内钻孔钻进至5m时反水减少,钻进至 10m时钻孔不反水。 6 结 论 ① 通过采空区钻孔施工和录像记录,确 定了下层煤开采形成的裂隙带发育高度的低 限,在裂隙带低限以上掘进巷道是安全可行 的。 ② 处于采空区中部上方的巷道与处于采 空区边缘上方巷道顶板离层相比,总离层量 较小,但深部离层所占的比例相对较大;上 行开采巷道与同层煤实体巷道相比,顶板离 层量大幅增长。 ③ 处于采空区中部上方的巷道与处于采 空区边缘上方巷道相比,锚杆、锚索受力变 化较大,巷道围岩表面位移无论从总量上、 移近速度上均高于处于采空区边缘的巷道。 ④ 煤层间距在33m以上时在充分采动 的条件下,上行开采巷道采用锚网支护能够 收到较好的支护效果。 第一作者简介 郑有雷 男, 1973年出生, 毕业于昆明理工大学。现任兖州煤业股份有 限公司济宁三号煤矿防治冲击地压办公室副 主任,工程师。E2mail jskzyl 1261com。 收稿日期 2006 - 07 - 30 ;责任编辑胡 林 922007年第1期 煤矿支护