煤矿复合型顶板巷道支护方式优化研究与应用.pdf

532020 年第 8 期 煤矿复合型顶板巷道支护方式优化研究与应用 田靖夫 1 许 帅1 胡 楠2 （1. 山东能源枣矿集团矿管公司山西太岳分公司，山西 长治 046500； 2. 山东能源枣矿集团蒋庄煤矿，山东 滕州 277523） 摘 要 山西沁水煤田整体地质构造复杂，褶曲、陷落柱及断层极为发育，给矿井的安全生产带来较大的威胁。为了提高 巷道掘进效率，该矿采用复合型顶板支护方式，改善巷道顶板支护的可靠性，减少巷道后期修复成本，优化矿井经济效益。 关键词 复合型顶板 支护方式 中图分类号 TD327.2 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.019 Research and Application of Support Mode Optimization of Compound Roof Roadway in Coal Mine Tian Jing-fu1 Xu Shuai1 Hu Nan2 1.Shanxi Taiyue Branch Company of Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Mine Management Company, Shanxi Changzhi 046500; 2.Jiangzhuang Coal Mine, Shandong Energy Zaozhuang Mining Group, Shandong Tengzhou 277523 Abstract The overall geological structure of Qinshui coalfield in Shanxi Province is complex, with the development of folds, collapse columns and faults, which poses a great threat to the safety production of the mine. In order to improve the efficiency of roadway excavation, the mine adopts composite roof support mode to improve the reliability of roadway roof support, reduce the cost of roadway repair in the later stage, and optimize the economic benefits of the mine. Key words composite roof support mode 收稿日期 2020-05-26 作者简介 田靖夫（1970-），男，助理工程师，2012 年 1 月山东 科技大学采矿工程专业，大学，现在太岳煤矿主要从事安全监察 工作。 1 工程概况 山西太岳煤矿井田范围内褶曲构造极为发育， 整个井田处于挤压状态，局部顶板结构较为复杂， 煤层局部夹杂泥岩或炭质泥岩层及砂泥岩互层，存 在复合顶板现象。同时，开拓、准备、回采的三类 巷道均会出现底鼓、片帮、两帮变形和顶板下沉， 尤其是遇到地质构造发育地段，易造成巷道超高、 超宽等现象，给巷道顶板安全管理带来较大的安全 隐患。 2 支护方式的选择 （1）复合型顶板的围岩巷道目前多采用锚索 网支护方式，要想使锚杆（索）在复合型顶板中充 分发挥支护作用，必须实现锚杆、锚索及时施打和 主动控制围岩。传统的预应力锚杆、锚索基本支护 参数顶锚杆采用 Ф182000mm 圆钢锚杆，间排 距 900mm900mm； 帮 锚 杆 采 用 Ф161600mm 圆 钢 锚 杆 , 间 排 距 为 900mm900mm； 锚 索 采 用 Ф15.245500mm 低 松 弛 钢 绞 线， 间 排 距 为 1800mm2400mm； 锚 索 托 盘 采 用 300mm300mm8mm 的钢托盘；顶部钢筋梯用 Ф10mm 圆钢按照设计断面焊接制作；菱形网采用 4铁丝编制而成护帮；顶部钢筋网选用 Ф5mm 冷 拔丝按网孔 100mm100mm 焊接制作护顶。该种 支护方式只能对巷道围岩提供一个轴力约束，基本 能满足单一顶板情况的巷道支护，不能对复合型顶 板及破碎较软围岩提供整体加固的效果。 （2）为了提高巷道掘进效率，改善巷道支 护可靠性和效果，降低巷道修复支护成本，从整 体上解决巷道支护问题，提高矿井的综合经济效 益，在不增加总支护成本的前提下，通过相邻工 作面构造区段的压力测试记录、现场支护效果的 542020 年第 8 期 显现测试及支护结构的受力监测等手段，获取最 佳的支护参数及优化配置。基本支护参数改为顶 锚杆 Ф202400mm 左旋无纵筋螺纹锚杆，间排 距 800mm800mm； 帮 锚 杆 采 用 Ф202000mm 全螺纹等强钢锚杆 , 间排距为 800mm800mm； 锚 索 采 用 Ф17.85500mm 低 松 弛 钢 绞 线， 间 排 距 为 1600mm1600mm; 锚 索 托 盘 采 用 350mm350mm8mm 的钢托盘；顶部钢筋梯用 Ф12mm 圆钢按照设计断面焊接制作；菱形网采用 4铁丝编制而成护帮；顶部钢筋网选用 Ф6mm 冷 拔丝按网孔 100mm100mm 或 50mm50mm 焊接 制作护顶。最终在保证安全的基础上能够实现一次 性支护成功。 图 1 巷道断面支护示意图 （3）针对复合型顶板中较破碎围岩结构， 提前考虑把破碎的围岩进行二次加固，支护材 料的选择尤为重要。为此，结合钻孔注浆方案 采取了预应力锚和自应力注。支护基本参数 Ф226000mm 高强度螺旋肋结构预应力钢绞线； 安装孔径 Ф32mm；材质强度 1770MPa；索体破 断力 400kN；树脂锚固长度 1000mm；注浆压力 5MPa。加固后，破碎较软围岩形成一个共同的承载 结构，提高了整体强度和预应力锚注效果。同时， 对其进行在线监测。 3 探讨研究的内容及成果 3.1 研究内容 （1）对煤矿同区域构造区段内顶板管控按照应 力分布与应力水平定量测试数据，结合相邻工作面 矿压测试数据，分区段进行支护参数更改，并对比 巷道变形量，确定今后巷道所要采取的支护参数。 根据目前所开采的煤层顶底板具体情况选择 3 个有 针对性的地点，分别进行地应力测试和评价分析， 把构造应力分布作为巷道支护优化设计的基础数据。 （2）根据实际揭露的巷道地质及围岩 3 类巷 道支护情况，以回采巷道为主，研究测试煤层顶底 板煤岩体的力学特征，为今后巷道支护设计提供理 论依据和技术保障。 （3）针对开拓、准备、回采巷道，各选取 2 个试验点，对三类巷道进行优化设计。在此基础上 进行现场观测，根据现场观测数据进一步进行方案 优化。 （4）依据深井高地应力构造复杂矿井的巷道 支护经验，结合矿井实际情况（地应力异常、围岩 破碎、构造复杂），采取预应力锚和自应力注。 3.2 研究成果 （1）获得了矿井开采范围内不同区域构造区 段应力分布和应力水平规律，对比各类数据，确定 同采区巷道支护方式及参数。 （2）确定了煤层的顶底板岩石结构及力学性 能在实际生产中可能存在制约生产的因素，为巷道 支护提供基本依据。 （3）提供了开拓、准备、回采等三类巷道的 合理支护方案。 （4）针对构造复杂区段，试用预应力锚注支 护技术，矿井返修率降低至 60 以上，采煤工作面 超前支护区段巷道基本未发生变形。同时，获得了 矿井巷道及掘进工作面围岩松动圈的范围及变形破 坏规律。 在巷道掘进支护期间，结合现场实际，根据支 护方式及参数，不断进行尝试改变支护材料，通过 增加补打注浆锚索的支护方式，优化适应顶底板、 两帮大变形的锚索盘改为锚梁联合布置等方法 , 通 过现场实施与监测应用效果显著，并能够有效地控 制复合顶板围岩的变形破坏。通过与相邻工作面对 比，即满足了矿井生产需求，又减少了后期的修复 及资金投入，可作为相同类型矿井地质构造段巷道 掘进支护经验的数据参考。 4 结语 通过更改支护材料参数及配合注浆锚索，同时 优化适应顶底板、两帮大变形的锚索盘改为锚梁联 合布置，通过与相邻工作面巷道变形对比，现场实 施与巷道变形控制效果显著，能够有效地控制复合 顶板围岩的变形破坏，是控制围岩大变形的有效手 段。通过数据对比，即满足了矿井生产需求，又减 （下转第 61 页） 612020 年第 8 期 治效果显著，从根本上解决了大气压变化带来的异 常瓦斯涌出现象，采煤工作面实现了瓦斯零超限管 理目标，既保障了安全生产，同时又提高了采煤工 作面的单产，该工作面月产达 3.5 万 t。 条件下的变形情况，检验护巷煤柱尺寸是否合理， 在巷道掘进过程中布置测站，对围岩表面位移及顶 板离层进行分析。每个测站布置四个测点。 1307 回风顺槽自回采起至工作面推过 200m 后 停止观测，巷道表面位移及围岩变形速率见图 4。 图 4 巷道围岩移进量及围岩变形速率 从图中可以看出，巷道围岩变形得到明显控制， 回风顺槽两帮移近量为 266mm，顶底板移近量为 170mm，尤其采用锚索支护使煤柱帮变形得到了有 效控制，顶板下沉量也进一步减小，为 79mm，围 岩变形速率最大值为 17mm/d。综上，35m 区段煤 柱可以解决两帮及顶板变形严重的问题，能够有效 控制巷道围岩。 4 结论 （1）关键层 1 当中的 B 岩块对侧向覆岩结构 的稳定性起主导和控制作用，是导致两巷矿压显现 不同的根源。在关键层 1 悬顶条件下，保证 1305 回风顺槽矿压显现较小的煤柱宽度应＞ 34.07m。 （2）郭家河煤矿特厚煤层综放开采近距离关 键层的影响下，区段合理大煤柱宽度为 35m 左右， 维护回采巷道稳定性的布置方式采用大煤柱护巷， 煤柱宽度不小于 35m。 （3）通过在 1307 工作面与 1305 工作面留设 35m 区段煤柱，对 1307 工作面回采达到充分采动 后实测巷道的变形情况及巷道压力显现情况，得出 35m 的区段煤柱能够达到护巷目的，保证工作面正 常生产。 【参考书目】 ［1］ 崔希民，逯颖，张兵 . 基于载荷转移距离和有效 宽度的煤柱稳定性评价方法 [J]. 煤炭学报 2017， 42（11）2792-2798． ［2］ 郑仰发，鞠文君，康红普，等 . 基于三维应变动 态监测的大采高综采面区段煤柱留设综合试验研 究 [J]. 采矿与安全工程学报，2014，31（03） 359-365. ［3］ 赵 宾，王方田，梁宁宁，等 . 高应力综放面区段 煤柱合理宽度与控制技术 [J]. 采矿与安全工程学 报，2018，35（01）19-26． ［4］ 谢广祥，杨科，刘全明 . 综放面倾向煤柱支承压 力分布规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报，2006 （25）545-549． ［5］ 张广超，何富连，来永辉，等．高强度开采综放 工作面区段煤柱合理宽度与控制技术 [J]．煤炭学 报，2016，41（09）2188-2194． 少了后期的修复及资金投入。自 2014 年以来，太 岳煤矿在巷道施工过程中，不断摸索、监测、分析 和研究巷道的支护参数，杜绝了各类顶板安全生产 事故，实现了矿井生产安全。 【参考书目】 ［1］ 康红普，王金华 . 煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M]. 北京煤炭工业出版社，2007. ［2］ 候朝炯，郭励生 . 煤巷锚杆支护 [M]. 徐州中国 矿业大学出版社，1999. ［3］ 董方庭， 宋宏伟， 郭志宏.巷道围岩松动圈理论[J]. 煤炭学报，1994，19（01）21-32. ［4］ 康红普，姜铁明 . 预应力在锚杆支护中的作用 [J]. 煤炭学报，2007，32（07）680-685. （上接第 52 页） （上接第 54 页）