回采巷道矿压规律与锚杆支护技术研究.pdf

煤 炭 工 程 2 0 0 6 年第 2 期 回采巷道矿压规律与锚杆支护技术研究 杜善周 中国神华神东煤炭分公司，陕西 神木7 1 9 3 1 5 摘 要 结合神 东矿区榆 家梁矿 52煤层的地质赋存状况与开采技 术条件 ，详细研 究了长 壁工作面回采巷道矿压显现规律 ，评 价 了现有 支护 方案 的实际支护效果 ；测试 了巷道 的围岩松 动 圈，为支护设计积累了实测依据；用测试巷道煤柱 支承压力分布 的方法，论证 了护巷煤柱的 整体稳定性，实测选择了煤柱宽度合理参数；最后应用全新的锚杆支护设计理论，提出了榆家 粱矿 52煤层 回采巷道优化 支护技术参数。 关键词 巷道矿压规律 ；巷道矿压显现 ；锚杆支护 中图分类号T D3 5 3 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 6 0 2 0 0 5 8 0 3 1 问题的提出 神东矿区属于正在生产建设和逐步开发中的现代化矿 区。由于神东矿区所属各矿井是进入 2 O世纪 9 O年代 以后 才相继投产的，开采时间不长，加之神东矿区浅埋深、厚 冲积沙、薄基岩和富含第 四系潜水的开采条件，相对而言， 所积累的顶板岩层控制管理经验尚 很丰富。这就要求在 采场顶板控制与管理及其巷道围岩控制等方面，做大量的 艰苦细致的研究工作，以期能指导神东矿区的煤矿岩层控 制设计与管理实践。 神东矿区榆家梁煤矿是神东煤炭公司的骨干矿井 ，主 采 5 2煤层，由于该矿井 2 0 0 0年投产，在开采过程中采 场矿压显现规律和巷道矿压显现规律，不论是显现剧烈程 度还是显现形式都不是特别清楚。具体到回采巷道的护巷 煤柱宽度参数确定 ，则应考虑在相应地质赋存和开采条件 下，如何选择满足经济合理、安全可靠和煤炭回收率高， 且能保证巷道稳定性的煤柱尺寸。这也就是说 ，在设计时 应留设合理宽度的护巷煤柱，以保证巷道煤柱的稳定性。 对巷道支护来说，则应选择与护巷煤柱宽度相匹配的合理 锚杆支护方式和技术参数 ，以保证回采巷道的稳定和正常 使用。 榆家梁矿原来 为陕西 省榆林 地 区的地 方小 矿 ，后 为神 东煤炭公司所租赁，开采历史较短，采用大型现代化长壁 综采设备开采厚煤层，工作面长度普遍较长 2 4 0 m左右 ， 推进 长度 可达 4 0 0 0 ～5 0 0 0 m 甚至 6 0 0 0 m，这在 以往 是不 可 想象的。在榆家梁矿浅埋深、厚煤层条件下，开采影响面 积大，护巷煤柱的总长度大 等于推进长度 4 0 0 0 ～5 0 0 0 m 。 维护和服务时间长，从而在开采设计时选择多宽的煤柱尺 寸、锚杆支护如何布置以及间排距多大 ，才能保证回采巷 道稳定且安全可靠和经济合理，是榆家梁矿应该首先考虑 的重大技术问题。这个问题的解决与否，将会直接影响到 回采巷道的稳定性好坏与能否安全使用，回采工作面能否 快速推进保证高产高效生产；同时还影响着采空区的煤炭 自然发火灾害能否避免。鉴于此 ，在榆家梁矿浅埋深、厚 冲积沙 、薄基岩和浅含水的煤层地质赋存条件下 ，可以认 为长距离、大断面、留煤顶和不支护巷帮特征的回采巷道 锚杆支护与合理煤柱宽度实测研究课题 ，具有学科研究的 前沿性和探索性 。 随着矿井资源的大规模、高强度及安全高效开采，从 大型开采设备、通风安全以及改善井下工人的工作环境等 方面，都需要开拓大断面的地下回采巷道，这是目前矿井 开采 的主流 发展趋 势 ，也 是矿 山企业 生产 的客观要 求 。因 此，该项目的研究，有重要的现实意义和推广使用价值 ， 能切实指导神东矿区的开采生产实践 ，使回采巷道的锚杆 支护设计和煤柱宽度选择提高到一个新的理论技术水平 ， 促进神东矿区回采巷道支护设计理论和维护技术的科技进 步与健康发展。对神东煤炭公司榆家梁矿 5 2煤层回采巷 道锚杆支护参数与合理煤柱宽度问题进行现场实测分析研 究 ，能为神东矿区骨干矿井 主采煤层的回采巷道锚杆支护 和区段护巷煤柱设计提供科学可靠的理论决策依据。 2 回采巷道支护存在的问题 根据对现在长壁开采工作面的实践现状 的详细分析， 榆家梁 矿 5 2煤层 回采 巷道存在 的主要 问题有 1 榆家梁矿 5 2煤层推广应用长壁工作面以来，未 进行过全面系统的巷道矿压显现规律观测，对现有长距离、 大断面煤巷的支护效果没有做过评价。 2 对榆家粱矿 52煤层回采巷道的围岩收敛变形规 收稿 日期 2 0 0 5 一l l 一1 5 作者简介杜善周 1 9 6 8 一 ，男，陕西米脂人，硕士研究生，神华集团神东公司乌兰木伦矿矿长。 5 8 维普资讯 2 0 0 6年第 2期 煤 炭 工 程 律、最大移近量，锚杆支护载荷、最大锚 固力以及失效形 式等，顶板离层规律尚未进行过深入的观测研究。 3 巷道锚杆支护需要控制的岩层范围、支护强度设计 的载荷计算尚属于工程类 比的经验阶段，没有做过采动影 响时的巷道围岩松动圈测试研究，因此榆矿 52煤层巷道 锚杆支护设计显得有点盲 目。 4 采用长壁工作面的双巷布置时，满足经济合理、安 全可靠和科学实用的护巷煤柱宽度参数选择，没有观测验 证和科学理论依据。 5 榆家梁矿 52煤层 回采巷道的支护形式和技术参 数 ，没有经过观测 、锚 杆支 护设 计理论 以及 工程类 比三 方 面的优化设计 ，从 而对 现有锚 杆 支护 的经济性 、安全可 靠 程度 ，不能做到胸有成竹。 所有上述这些问题，客观上都需要开展详细的科学研 究 ，以便提高榆矿 5 2 煤层回采巷道的支护水平。 3 回采巷道矿压规律与支护技术研究 3 ． 1研 究 方 法 榆家梁矿 52煤层回采巷道矿压规律与支护技术研 究课题的研究方法是矿 山岩石力学的理论分析法和回 采巷道煤柱宽度 、围岩松 动圈 范 围的现场 实测分 析研 究方 法，前者为后者提供理论指导，而后者将是前者的理论应 用和实践。这种理论与实践相结合 的研究方法，将使本项 目研究顺利进行，获得神东矿区厚煤层长壁综采条件下回 采巷道锚杆支护设计与煤柱宽度的合理参数。 3 ． 2 课 题 研 宄的技 术路 线 根据项 目的研究问题实质与研究任务，结合拟订的预 期研究 目标，可采用的课题研究技术路线如图 1所示。 I 榆 家 梁 矿 巷 道 围 岩 结 构 类 型 及 其 力 学 强 度 性 质 调 研J 上 ● ● 道 锚 杆 支 护 设 计I l 巷 道 锚 杆支 护 l 巷 道 松 动 煤 杜支 承 爪 与 煤 柱 宽 度设 计 理l l 质 量 与 效果 监 I 范 闻 实 测 力 分 布 观 测 仑 分析 f l 洲 f ． l 给出神东矿区榆家梁矿井的巷道 以实测为基础，结合理论分 台理支护形式与锚杆支护布置技 析，提出巷道护巷煤柱宽度 术参数 设计方法及实用参数 谍题总结，撰写综合研究报告，验收 图 1 课题研 究的技术路线 3 ． 3 课 题研 究 内容 本课题的主要研究试验 内容有 1 榆家梁矿 回采巷道围岩结构、力学性质的分析调 研。 2 榆家梁矿 回采巷道矿压显 现规律 的现有 研究成果 的 分析整理。 3 榆家梁矿 回采巷道锚杆支护 与煤柱尺 寸选择 的理论 分析研究 。 4 榆家梁矿回采巷道松动圈与煤柱尺寸选择的现场实 测。 5 榆家梁矿回采巷道松动圈范围与煤柱宽度参数的现 场实测数据分析。 6 项目研究的综合分析，给出榆家梁煤矿 52煤层 回采巷道锚杆支护与煤柱尺寸 的合理参 数取 值范围。 4结 论 通过本论文 的研究 ，有如下 主耍研 究结 论 4 ． 1 榆 家梁矿 52煤层巷道矿压 实测结论 1 顺槽锚杆载荷变化在 2～6 MP a ，I 、I I 两个断面 6 根测力锚杆的观测平均值为 3 ． 9 3 MP a ，载荷总体不大，表 明巷道受初次采动影响较小，现有锚杆支护的巷道维护效 果 良好 。 2 榆家梁矿 52煤层 回采 顺槽 顶底 移近 具有平 缓变 化特 征 ，顶 底 移 近速 度 0 ． 5～2 mm／ d ，平 均 移 近 速 度 为 1 ． 2 5 m m ，说 明巷道 顶底 移近处于稳 定变形 阶段 。顶底移 近总量 S 1 缓 慢增长 ，观测 期 间顶底 总移近 量为 1 0 mm。预 计回采顺槽顶底移近总量 1 3 0 mm，顶底移近率为 4 ． 1 ％， 按原煤炭部颁布的巷道稳定性收敛变形评价标准，KI 1 0 ％，应为 I 类稳定巷道 。 3 两帮收敛位移变化特征是初期两帮收敛变形小，综 采面采动影响期间收敛变形显著，且比顶底板移近变形大。 观测期 间两 帮 收敛 总量 s 2为 1 4 mm，大 于顶 底移 近 总量 ， 这种受采动影响 时巷道 两帮 收敛 量大 于顶底 移 近量 ，主要 原 因是巷道顶板 有锚 杆支护 ，两帮无锚杆维护 。 4 榆家梁矿 52煤层 回采 巷道 围岩位移 的观 测分析 成 果，证 明 5 1 0 3回风平巷现有锚杆 支护方式 是适宜 的，锚 杆支护设计的技术参数也是比较合理的。 5 榆家梁矿 52煤 层顺 槽 两帮 松 动范 围 为 1 ． 0 m 左 右；拐角处斜孔的离层松动范围最大 1 ． 6 m；垂直巷道顶板 的围岩 松动 范围为 1 ． 2 m；顺槽 围岩 离层松动 范 围综合平 均 深度 1 ． 2 7 m，锚杆长度设计 为 1 ． 8 m是 完全可以满足巷道支 护要求 的。 4 ． 2 榆家梁矿 5 2煤层巷道煤柱宽度的合理参数 1 榆家梁矿 5 2煤层长壁开采条件下，合理的巷道 煤柱宽度为2 0 m。回采巷道布置设计时，可以按照 2 0 m的 护巷煤柱尺寸留设，这和前面榆家梁矿 5 ～2煤层巷道煤柱 宽度的初步设计参数一致。 2 榆家梁矿 5 2煤层长壁开采工作面的超前采动影 响距离 为 1 0 ～1 5 m，今后 5 2煤层 回采巷道 顺槽 的超 前 支护距 离可按 1 5 m设 计 ，以减 少支 护工 作量 与支 护 时 间， 提高支护速度，保证综采面的快速高效安全生产。 4 ． 3 榆家梁矿 5 2煤层巷道锚杆 支护的优化参数 4 ． 3 ． 1 榆家梁矿 5 2煤层巷道锚杆支护的设计参数 顶板采用单体锚杆支护，巷道两帮不支护。 顶板锚杆支护设计参数为锚杆间排距 1 ． 0 m1 ． 0 m， 59 维普资讯 煤 炭 工 程 2 0 0 6年第 2期 睡 瞬 粤 穆 謦 曩 贾亚会。 ， 一 ，鹿爱 莉 ， 1 ． 河北工程学院，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ；2 ． 北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 中国国土资源经济研究院，北京1 0 1 1 4 9 ；4 ． 北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 摘 要在我 国，煤层 气储量丰富，开发和利用煤层气可以优化我 国能源结构 ，但煤层 气 作为具有潜质性的朝 阳产业 ，也是具有弱质性 的 “ 幼小产 业” 。笔者针 对我 国煤层 气发展 的现 状 ，以及 国外对 “ 幼小产业”的发展 经验 ，提 出通过 “ 幼小产业保护税”等政 策保护，是 实现 我 国煤层气产业发展的重要前提。 关键词煤层 气；幼小产业；政策保护 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 7 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 6 0 2 0 0 6 0 0 0 3 1 我国煤层气产业发展现状及机遇 出于煤矿安全考虑，我国自2 0世纪 5 0年代就开始了 对瓦斯的抽放工作，但大多数瓦斯都排放到空气 中，利用 率很低。6 0年代在一些煤矿 如抚顺、阳泉煤矿 开始小规 模 限于矿区内 使用。到了8 0年代 ，国家为了鼓励煤层气 的利用，于 1 9 8 2年将矿井瓦斯利用工程正式纳入国家节能 基本建设投 资计 划 ，有些 煤业公 司积极 响 应 ，并成立 了专 门从事煤层气经营的煤层气公司 如阳泉煤业集团下属的煤 层气子公司 。9 0年代，在吸收美国煤层气勘探 、开发 、利 用的成功经验和技术基础上，地面开发煤层气逐步进入规 模研究阶段。至 1 9 9 3年底已建成投产煤层气利用工程 5 0 余处，年利用量约 4． 01 0 m3 ，已建设贮气罐 总容量达 6 ． 5 1 0 m ，输配主干线约 6 2 0 k m，供气 2 2万余户。同时 还开发 了瓦斯发 电 、生 产化 工原料 、烧炉 窑 、锅炉 等 一系 列工业生产项 目。截止到 2 0 0 0年，煤层气利用量达 5 ． 0 1 0 。 m 左右 。 目前已确定我国煤层气储量为 3 0 ～3 5 1 0 l 2 m ，有 些地区还确定了经济开采量，但地面开采煤层气仅仅开始 ， 大规模进入商业化开发阶段，还需方方面面的努力。 由于煤层气是环境友好的洁净能源，目前开发、利用 煤层气出现了新高潮。如晋城无烟煤矿业集团有限公司利 采用矩形布置，每排布置 5根锚杆 ，锚杆长度 1 ． 8 m，材质 A3圆钢 ，杆体 直径 1 8 mm，Z 2 3 3 5 0树脂 药 卷 1卷 ，锚 固 长度 3 5 0 mm，托 板 选 用 规 格 1 0 0 ram l O O mm 8 mm 的 钢板。 4 ． 3 ． 2 榆 家梁矿 5 2煤 层巷 道 围岩 控制 效果 观测 获得 的 锚杆支护参数 顶板布置 5排锚杆 ，锚杆 长度 1 ． 8 m，杆 径 1 6 mm，锚 固参数为 树脂 药 卷 2卷 蛇 3 2 5 0 mm，锚 固长度 5 0 0 mm； 托板为钢托板，规格尺寸 1 2 0 mm1 2 0 mm8 m m。 4 ． 3 ． 3 榆家梁矿 5 2煤层巷道锚杆支护的优化参数 顶板锚 杆支 护布 置形 式 为 单体 锚 杆 支护 ，矩形 布 置 ， 顶板锚杆长度 1 ． 8 m，锚 杆间排距 1 ． 0 m 1 ． 0 m，锚杆 材质 A 3圆钢，杆体直径 1 8 mm。端锚锚 固，每个锚杆选用一 卷 Z 2 3 3 5 0树脂药卷 ，托板选用规格 1 0 0 mm1 0 0 mm8 mm 钢板。 榆家梁矿 5 2煤层回采巷道矿压规律与锚杆支护技术 的研究成果，对类似煤层地质条件下完善回采巷道围岩的 安全控制，提高支护设计水平，具有重要的工程实用价值 和理论指 导作 用。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高 采场矿山压力控制 [ M] ．北 京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 3， 3 ， [ 2 ] 钱 鸣高 ，刘 听成．矿山压力及其 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