高应力强流变软岩巷道底臌防治技术研究应用.pdf
第 2 8 卷第 3期 2 0 0 9年 3月 煤炭技术 Co a l Te c h no l o a v Vo 1 . 2 8, N o. 0 3 M1t 1 “ , 2 0 0 9 高应力强流变软岩巷道底臌防治技术研究应用 薛再君,李俊 ,毛永锋 甘肃华亭煤电股份有限公司,甘肃 华亭 7 1 00 摘要 针对华亭煤矿高应力松软岩巷道底臌变形破坏情况及岩性特点, 研究采用高强度锚网索、 钢筋混凝土、 底板锚注 全断面支护技术, 进行软岩巷道底臌防治, 解决支护问题。该技术经过 2 年多的研究应用, 取得了显著成效。 关键词 高应力;软岩巷道;全断面支护;底臌防治 中图分类号 T D 3 5 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 0 9 0 3 一O 0 7 3 0 4 Re s e a r c h a n d App l i c a t i o n o f Pr e v e n t i o n o f He a v e o n I n t e n s i v e Rh e o l o g i c a l S o f t R0 c k Ro a d wa y Un d e r Hi g h S t r e s s XU E Z a i i u n,L I J u n,MA0 Y o n gf e n g H u a ri n g C o a l a n d E l e c t r i c i t y C o . , L t d . ,H u a fi n g 7 1 00 , C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e d a ma g e fl o o r h e a v e a n d r o c k c h mc t e ris ti c s o f s o f t r o c k r o a d wa y u nd e r h i g h s t r e s s i n H u a ri n g C o a l Mi n e , w h o l e s L ti o n s u p p o r t i n g t e c h o n o g y w h i 曲 s t r e n g h c a b l e a n c h o r , r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d fl o o r b o l t g r o u t i n g i s r e s e a r c h e d a n d u s e d t o p r e v e n t flo o r h e a v e i n soft r o c k r o a d wa y a n d s o l v e t h e s u p- p r o t i n g p r o b l e m.Af t e r the a p p l i c a ti o n d u rin g t wo y e a r s ,thi s s u p po r t i n g t e c o n o l o g y h a s ma d e a g r e a t s u c c e s s. Ke y wo r d s h li g h s t r e s s ; sof t r o c k r o a d wa y; wh o l e s e c t i o n s u p po rti n g; p rev e n t i o n o f f l oor h e a v e 0 前 言 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加 大 , 开采的深度不断增加 , 所遇到的地质情况也越来 越复杂 , , 。巷道掘进所处应力和围岩状态较浅部 有非常明显的变化 , 突出表现在高应力、 强流变和岩 石软化等特征 , 巷道支护难度和破坏程度不断增加 , 致使巷道底臌现象严重 引, 断面缩小, 阻碍运输 、 通 风和行人 , 是极为迫切需要解决 的技术难题。 华亭煤矿是甘肃华亭煤电股份有限公司的骨干 图 2 立体抽放示意 图 5 结束语 我国高瓦斯低透气性煤层分布广 、 瓦斯抽采难 , 是众多煤矿企业普遍存在 的技术难题 , 也是制约安 全生产水平 , 提高及落实“ 先抽后采” 瓦斯治理方针 的“ 瓶径” 。由于各矿井煤岩层的赋存特点、 瓦斯赋 存规律、 生产采掘工艺等不同, 所以根据矿井 自身 特点研究瓦斯抽采的合理组合方式、 工艺参数、 抽放 效果评价技术等是非常必要 的。煤矿瓦斯抽采 , 煤 层气开发利用是一件利国利 民、 利企业的大事。国 家应积极支持煤矿企业进行瓦斯抽采与利用技术 的 研究开发 , 建立示范工程 ,为有效控制煤矿瓦斯灾 害事故提供技术支持。 参考文献 [ 1 ] 瞿涛宝. 水力割缝技术处理煤层瓦斯的效果[ J . 西酃探矿工 程 , 1 9 9 6 , 5 3 . [ 2 ] 赵岚 , 冯增朝 , 赵阳升 , 等 . 水力割缝提 高低渗煤层 的渗透性实 验研究 [ J ] . 太原理工大学学报 , 2 0 0 1 , 3 . [ 3 ] 魏国营 , 张书军 , 辛新平 突出煤层掘进防突技术研 究[ J ] .中 国安全科 学学报 , 2 0 0 5 , 1 5 6 1 0 01 0 4 . [ 4 ] 蔡峰, 刘泽功 , 张朝举 , 等 . 高瓦斯低透 性 煤层深孔 预裂 破 增透数值模拟 [ J ] . 煤炭学报 , 3 2 5 . [ 5 ] 郭仁宁, 王海刚 . 旋转射流提高煤 层 瓦斯抽排效果 的试验[ J ] . 煤矿机械 ,2 D 7 , 2 8 1 0 . [ 6 ] 许江, 鲜学福 . 含瓦斯煤 的力学 特性 的实验 分析 [ J ] . 重庆大学 学报, 1 9 9 3 , 1 6 5 2 63 2 . [ 7 ] 周世宁, 林柏泉 . 煤层瓦斯赋存与 流动理论[ M] . 北京 煤 炭 I 业出版社 ,1 9 9 9 . [ 8 ] 王魁军 , 张兴华 .中国煤矿瓦斯抽 采技术发展脱状 与】 j i『 景[ J ] . 中国煤层气 , 2 0 0 6 , 3 1 . [ 9 ] 周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动 沦[ M] . 北京 煤炭工 业出版社 , 1 9 9 9 . [ 1 O ] 李宗翔. 回采采空区上隅角瓦斯抽放的数值模拟与参数确定 [ J ] . 矿业安全与环保 , 2 0 0 2 , 2 9 1 . [ 1 1 ] 沈怀津, 郑孝鹏. 低透气性高瓦斯煤层立体多层次瓦斯综合 治理技术[ J ] . 煤矿开采, 2 O O 7 , 1 2 4 . 责任 编辑王凤英 收稿 日期 2 008 1 01 5 ; 修订 日期 2 008 1 2 1 9 作者简介 薛再君 1 9 7 4一 , 男, 甘肃静宁人, 工程师, 现在甘肃华亭煤电股份公司华亭煤矿从事技术管理工作, Em a i l j s k f - b x z j u n 1 6 3 . c o rn 。 7 4 煤炭技术 第 2 7卷 矿井 , 采用斜井 、 立井联合开拓, 水平分层综采放顶 煤开 采。设计生产能力 3 0 0万 t / a , 实 际生产 能力 4 5 0 万 t / a 。华亭煤矿开采煤层为煤 5 层 , 现开采井 田深部的近水平特厚煤层。煤层埋藏深度 7 9 2 m, 开采水平为 8 4 0 m水平 , 煤层平均厚度 3 3 . 6 r n , 倾 角 5~1 0 o , 平均为 8 。 。 煤层伪顶是一层深灰、 灰黑色 , 松软易碎泥岩, 厚度一般为 0 . 3 ~1 . 4 m, 赋存不稳定, 容易垮落 ; 直 接顶为灰 、 深灰色、 层理明显的砂质泥岩和粘土胶结 的粉砂岩, 稳定性差, 易冒落, 块度大, 属 I 级顶板; 老顶为胶结致密、 层理发育细砂岩。煤层底板岩性 较为复杂, 直接底为灰黑色、 松软、 富含炭质的泥岩, 厚度 0 . 5~2 . I m; 老底 为灰、 灰 白色粗砂 岩, 厚度 6. 5 1 9 m。 l 巷道设计布置 由于煤层构造特点和开拓开采需要 , 华亭煤矿 8 40 n l 水平 2 5 0 1 采区的运输 、 轨道和回风 3条大 巷穿煤层平行 布置, 巷道间距 40 1“/ 1 , 巷道布置在煤 层顶板软岩中, 设计宽度 3 . 8 m, 高度 3 . 3 m, 净断面 积 1 1 r n 2 , 为半圆拱形巷道 , 采用高强度锚杆锚 网喷 联合支护。锚杆直径 2 0 n l lT l 、 长度 2 m, 间排距 8 0 0 l n m, 两 帮和 顶部 铺设 菱 形 金属 网, 喷浆 厚度 1 0 0 iY ff n 。初设支护断面见图 1 所示。 图 l 初 设 支护 断 面 2 巷道破坏情况及原因分析 3 条大巷掘进时 , 顶板岩石松软破碎, 巷道压力 大, 距离工作面 5 O多 m的后部巷道严重底臌 , 每班 1 O多人起底维修 , 大量 的起底造成两帮变形加剧, 顶部下沉量, 两帮移近量达 1 . 4 2 m, 最大移近量 2 . 3 m, 底臌高度达 1 . 5 I n以上 , 巷道顶部整体下沉、 浆皮 脱落, 局部巷道高度不足 1 . 6 m, 宽度不足 2 1 1 1 , 行 人、 运料、 通风困难, 逼迫停产维修, 影响工期 1 0 0 多 d , 经济损失 5 0 0 多万元。巷道受压破坏原因主要有 以下几点 1 巷道围岩为软弱结构岩层。强度低 , 单 向抗 压强度 3 0 M P a , 部分岩层 只有几兆帕 , 稳定性差 , 含水率高, 吸水性强, 具有膨胀性 、 流变变形特征 , 遇 水泥化 、 软化。 2 巷道淋水水 、 积水多。大巷穿层布置, 掘进 施工破坏了较多的含水层 , 巷道淋水大。大量淋水 从巷底和巷帮渗人周围软岩 , 遇水引起软化、 崩解和 膨胀 , 产生底臌。底膨又破坏了巷道水沟, 形成大量 积水 , 使底板岩层长期处于浸水状态 , 引起更大程度 的膨胀和软化 , 底臌加重。 3 构造应力加速巷道破坏 。巷道距地表垂直 高度达 7 0 0多 m, 埋藏深度大, 矿 山压力大 , 且巷道 位于煤田向斜轴部, 构造应力集中, 围岩压力大。在 松动压力、 变形压力和膨胀压力 3种强大围岩压力 的共 同作用下 , 加速了巷道的变形破坏。 4 围岩松动范 围大 , 锚杆长度相对不足。高应 力和软化、 膨胀 , 引起 了岩石强度的进一步劣化 , 巷 道围岩破坏范围扩大, 松动圈增大。原设计 D 2 0一 M 2 2 2 0 0 0 型锚杆长度偏小 , 间排距大 8 0 0 m m , 支 护强度小 , 在强大的地应力及构造应力作用下, 巷道 两帮移近量增加, 巷道变形量增大。 3 综合治理技术 针对巷道底臌原因及围岩吸水强 、 膨胀变形 、 破 坏严重等特点 , 结合掘进、 支护、 底臌处理实际情况, 确定对该软岩巷道采取二次掘进支护的方法进行底 臌处理和防治。即先采用高强度锚网索进行初次支 护 , 3~6 M后进行扩帮、 起底, 采用高强度锚杆 、 钢 筋混凝土、 底板锚注全断面刚性二次支护, 进行巷道 底臌防治。允许围岩有适当的变形, 以释放部分能 量 ; 但必须将变形控制在一定的范围之内, 使巷道围 岩不被整体破坏 , 不转变为松动压力 , 达到综合防治 的 目的。 3 . 1 初次掘进支护 巷道按原设计断面掘进 , 采用高强度锚杆支护, 锚索补强。掘进时全断面挂网, 及时支护, 锚杆有足 够的预紧力 , 锚杆拉力在 1 0 0 k N以上, 并用锚索补 强支护, 主要作用是阻止岩块掉落 , 抑制浅部围岩扩 容和离层, 防止片帮 冒顶 , 但允许巷道适 当底臌 、 变 形 。 施工工艺 爆破一排矸一挂顶 、 帮金属网一安装 钢筋托梁一打锚杆钻孔一清孔一往孔 内放人树脂锚 头一用锚杆钻机安装锚杆一紧固螺母一安装其它锚 杆一初喷混凝土一锚索补强支护。支护方式及参数 如下 锚杆形式和规格 D 2 0 一M2 22 0 0 0 左旋无纵筋 螺纹钢筋 , 长度 2 . 0 m。 托板 采用拱 型高强度托盘 , 托板规格为 1 3 0 13 1 m 1 3 0 ton i 1 0 l / ll n 。 钢筋托梁规格 采用 1 4 m / Y l 的钢筋焊接而成 , 宽度 8 0 l / l l n 。 网片规格 采用 1 2 m n q 铁丝编织的菱形金属网 护顶 。 锚固方式 采用 2 支锚固剂 , 1 支规格 为 K 2 3 3 5 , 另 1 支为 Z 2 3 6 0 , 锚固长度为 9 5 0 l/ l I I l 。 锚杆布置 锚杆排距 0 . 8 1 T I , 每排 1 1 根锚杆 , 问 距 8 0 0 ra i n 。 锚杆角度 顶板锚杆安没角度与顶板弧度垂直。 第 3 期 薛再君 , 等 高应力强流变软岩巷道底臌防治技术研究应用 7 5 锚索 中 1 5 . 2 4 1T I F O , 1 X 7股高强度低松驰预应力 钢绞线锚 索 , 长度 5 . 3 m, 采用 1支 K 2 3 3 5和 2支 Z 2 3 6 0树脂药卷加长锚固, 锚固长度 1 5 0 0 I / l i D _ 。 3 . 2 二次支护 初次支护巷 道 , 经过 3~6 M的变形和能量释 放 , 围岩趋于稳定后 , 进行扩帮、 卧底 , 采用高强度锚 杆、 钢筋混凝土、 底板锚注全断面二次支护 。巷道除 采用高强度锚网索喷浆支护外 , 打底锚杆 , 全断面砌 碹厚度 4 0 0 IT ln q 的钢筋混凝土 , 净宽度、 高度 和断面 积不变。 3 . 2 . 1 扩帮、 卧底 对变形破坏巷道 , 两帮和顶部炮掘扩帮、 卧底 , 耙斗装岩机排矸 , 至设计尺寸。扩帮后及时支护 , 排 矸时防止耙斗在巷道底部挖成深槽 , 积水后影响支 护质量 。 3 . 2 . 2 帮、 顶临时支护 支护方式及工艺与初次支护相似, 锚杆直径由 2 0 r l l l n 增大到 2 2 lq l_ lT l , 长度由2 m增大到 2 . 4 m, 杆尾 螺纹规格 M 2 4 , 延伸率 1 7 %。锚杆加长、 加粗 , 使杆 体伸入扩帮后的稳定岩层 中, 将破坏松动 区岩层与 稳定层相连 , 阻止松动岩层垮落 , 同时锚杆提供径向 和切向锚固力 , 阻止松动区岩层扩容、 离层 和滑动, 提高承载能力 。施工工艺为 刷帮、 卧底一挂顶、 帮 金属网一安装钢筋托梁一打锚杆钻孔一清孔一往孔 内放人树脂锚头一用锚杆钻机安装锚杆一紧固螺母 一 安装其它锚杆一初喷混凝土一锚索补强支护。 3 . 2 . 3 底 板锚 注支护 为解决巷道底板松软 、 易底膨破坏问题 , 先铺一 1 0 0 I / L r n 厚 的混凝土垫层 , 再铺 网、 打底锚杆、 安装钢 筋托梁 的方式支护底板。工艺流程为 铺垫层 、 铺 网、 用帮锚杆钻机钻进底板 中部锚杆钻孔、 清孔后 , 钻进底板中其它锚杆钻孔 ; 一排锚杆孔形成后 宽度 8 0 0 1 T l n q , 集中对底板锚杆孔注水泥浆 若钻孔变形 较快 , 边打孔边注浆 , 注满水泥浆后 , 将锚杆带着托 盘和螺母插入钻孔 ; 如果插入半截无法用力继续插 入 , 用风钻旋转插入。1 d 后 如果发现钻孔水泥不 满 , 必须补注, 之后安装托板 、 螺母 , 拧紧螺母。安装 完后进行下一循环。 锚杆 、 托板、 金属 网规格型号与帮部相 同, 钻孔 直径 4 2 I n lT l ; 锚杆布置 每排 6根锚杆 , 锚杆排距 0 . 8 I l l , 间距 0. 8 m ; 注水泥浆 的水泥标 号为 5 2 5 , 水灰 比 1 2 . 0 2. 5; 钢筋托梁宽度 8 0 IY lm 、 长度 3 . 4 m; 锚杆角度 靠近巷帮 的底板锚杆安设角度为与 垂线 成 2 0 。 。 3 . 2. 4全 断面钢 筋混 凝土砌 碹 完成扩帮 、 卧底 、 帮顶支护和底 板锚注支护后 , 在两帮、 巷顶和巷底全断面绑扎钢筋 , 先完成底板和 墙体砌碹工作, 然后绑扎拱顶钢筋并砌碹, 完成全断 面整体钢筋混凝土砌碹。巷底砌碹厚度 3 0 0 n 3_ r Y l , 巷 顶和两帮砌碹厚度 4 0 0 13 3 1/ 1 。 钢筋混凝土砌碹支护参数 巷道净宽 3 . 8 m, 墙 高 1 , 4 m, 净断面 1 1 ; 掘进宽度 4 . 6 m, 高度 4 m, 断面积 1 6 . 6 I T l 2 ; 拱顶和两帮墙体砌碹厚度 4 0 0 n 1 ln , 主筋 1 8 1 / 1 1 / 1 、 间距 2 0 0 tu r n , 分布筋 ,/ , 1 2 m l T l 、 间距 3 0 0 r 12 / / l , 配筋方式为 1 8 2 0 0和 1 2 3 0 0 ; 巷底砌碹厚度 3 0 0 m H l , 主筋 1 2 l n lT l , 间距 2 0 0 1 T l l ff l , 分布筋 中 1 2 r n l n 、 间距 3 0 0 1T im, 配筋方式为 l 2 2 0 0和 l 2 3 0 0 ; 混凝 土标号 C 2 5 。 施工工艺 绑扎底板钢筋和墙体钢筋一混凝土 砌碹底板和墙体一绑扎拱顶钢筋一砌碹拱 顶混凝 土 。 钢筋混凝土砌碹与巷顶的锚网临时支护之间压 注和充填混凝土, 保持密实 , 将顶部外露的锚索和初 次支护锚固的锚杆等浇筑到混凝土碹体 , 2种支 护 形成一个整体 , 提高支护强度 , 防止不同步受力造成 分别受压破坏。软岩大巷钢筋砼碹体配筋和软岩大 巷钢筋砼碹体支护分别见 图 2 、 图 3 , 米巷钢筋消耗 量如表 1 所示。 图2 高应力软岩巷道钢筋砼碹体配筋图 图3 高应力软岩巷道钢筋砼碹体支护图 第 2 8 卷第 3期 2 0 0 9年 3月 煤炭技术 Co a l T e c h n o l e l V o 1 . 2 8. No . 0 3 Ma r . 2 o D 9 近距离煤层开采煤与瓦斯突出防治研究 汪东生 ,石 坚胜 ,杨胜强 1 . 中国矿业大学 安全学院,江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ;2 . 贵州煤矿安全监察局,贵阳 5 5 0 0 0 0 摘要 近距离煤层开采, 要建立“ 以抽为本, 立体消突” 的立体综合防突框架, 即以抽放为主要手段, 在立体上采取 综 合防突措施 , 克服单一防突措施的不足, 从根本上消除突出危险 , 保证矿井安全生产 。 关键词 近距离煤层 ;立体综合防突 ;防治效果 中图分 类号 T D 7 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 H5 2 0 0 9 0 3 13 0 7 6 0 3 Re s e a r c h o n Pr e v e n t i o n a n d Tr e a t me n t o f Co a l a n d Ga s Ou t b u r s t i n Cl o s e u p Co a l S e a m M i n i n g WANC Do n gs h e n g ,S HI J i a ns h e n g 2 ,Y ANG S h e n gq i a n g 1 . S c h o o l o f S a f e ty E n g i n e e ri n g , C h i n a U n i v e r s i t y o f M i ni n g a n d T e c h n o l o g y , X u z h o u 2 2 1 0 0 8 l C h i n a ; 2 . G u i z h o u C o a l M i n e S a f e ty S u p e m s i o n B u r e a u 。 G u i y a n g 5 5 0 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t I n c l o s eu p c o a l s e a m mi n i n g ,i t i s n e c e s s a r y t o s e t u p “ t o p u mpb a s e d ,t h r e ed i me n s i o n a l s u d d e n e x t i n c t i o n, ”the t h r e ed i me n s i o n al fra me wo r k o f a c o mp r e h e n s i v e c o n f l i c t p r e v e n t i o n,tha t i s the p r i n c i p a l me a n s f o r d r a i n a g e i n the thr e e d i me n s i o n a l i n t e g r a t e d c o n fl i c t p r e v e n t i o n me a s u r e s t o o v e r c o me the s i n - g l e a n t i c o n f l i c t me a s u r e s i n a d e q u a t e,e l i mi n a t e the d a n g e r t o e n s u r e the s a f e t y o f mi n e p r o d u c t i o n. Ke y wo r d s c l o s eu p c o a l s e a m;t h r e ed i me n s i o n a l i n t e g r a t e d c o n fl i c t p r e v e n t i o n;e f f e c t j l』 性低 、 围岩多数为坚硬岩石封闭性好等特点 , 该矿建 u 口 立了“ 以抽为本 , 立体消突” 的立体综合防突框架 , 由 贵州永光煤矿是近距离煤层群开采。针对采区 “ 单一防治” 变为“ 立体综合消突” , 取得 了良好 的效 瓦斯涌出量大、 煤层层数多且煤层间距小、 煤层渗透 果 , 从根本上消除突出危险, 保证了矿井安全生产。 表 1 米巷钢筋消耗量表 断面支护技术进行综合防治, 虽然支护费用 由 7 4 9 1 霉 譬 m 墨 罢 流I-3变 特o 一 ___ } 兰 征 , 合 理 设 计 支 护 刚 度 、选 择 合 适 的 二 次 支 护 时 间 和 r J { 支 护 施 工 顺 序 ,允许围岩有适当的变形 , 以释放部分 『 - T0『 ~ _ll 1 r - 1 一 ⋯ 一 能量, 再进行有效支护。 ] 一 _ 丁 T _ - 1 一 i T 一 fi 一 3 软岩巷道掘进、 施工和 后期使用期间, 必须 。 l j 1 l ts l ㈣ { s 加强排水工作, 防止巷道积水, 减小对软岩巷道的浸 二 I _』二 口 [ 二 E1_I 二 蚀 和 破 坏 。 s 小 n j ~ l I 9 m } 2 6 4 高应力松软岩石巷道全断面钢筋混凝土砌 舫l l f[ _ ]} i f l j } 2 ;/ j 碹支护时, 巷道不留 设水沟, 水沟 会降低巷道的 整体 I }I的 I , I l I s 1 支护强度, 可 适当增大巷道坡度解决积水问题。 9 f { i f 8 f 。【 l l l { 1. 39 参考文献 匝E圈 三 二 日 二 n 笑 季 蔷 矿 巷 道 围 岩 控 川 “ 冲 酣业 合 l 1 8 , n 8 9 k g 1 2 , 2 0 9 1 l k g 8 l 0 6 1k g 1 1 9 7 4 结束语 1 对于高应力松软岩石易底臌变形破坏巷道 , 可采用高强度锚网索、 底板锚注、 钢筋混凝土砌碹全 [ 2 ] 薛顺勋, 聂光国, 姜光杰, 等. 软岩巷道支护技术指南[ M ] . 北 京 煤炭工业出版社 , 2 0 0 2 . 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