黄陵二号煤矿矿井顶板支护技术实践.pdf

黄陵二号煤矿矿井顶板支护技术实践霍斌（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西延安７２７３０７）摘要为探究如何在矿井采掘工作中采用合适的巷道顶板支护结构和支护技术，确保支护结构能够支持深层井巷采掘作业，杜绝巷道变形、片帮等事故的发生，以黄陵矿业公司二号煤矿３０１工作面为例，开展了顶板支护技术实践。在明确工程背景的基础上，提出如何根据实际情况正确选择支护参数，确定了３０１工作面胶带巷反掘临时支护采用前探梁临时支护装置，永久支护为锚网索梁联合支护的矿井顶板支护技术方案。实践表明，该技术方案可以满足生产实际需要，对保证煤矿安全生产起到十分重要的作用。关键词巷道；顶板支护；支护监测；支护参数中图分类号ＴＤ３５３文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－０１７０－０４ＰｒａｃｔｉｃｅｏｆｒｏｏｆｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＨｕａｎｇｌｉｎｇＮｏ．２ｃｏａｌｍｉｎｅＨＵＯＢｉｎ（ＳｈａａｎｘｉＨｕａｎｇｌｉｎｇＮｏ．２ＣｏａｌＭｉｎｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎ ’ ａｎ７２７３０７，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｒｏｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｗｏｒｋ，ｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇｗｏｒｋ，ａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｓｓｕｃｈａｓｒｏｏｆｄａｍａｇｅａｎｄｒｉｂｓｐａｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ，ｔｈｅｒｏｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎＮｏ．３０１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＨｕａｎｇｌｉｎｇＮｏ．２ｃｏａｌｍｉｎｅ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＮｏ．３０１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｒｏｏｆｓｕｐｐｏｒｔｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｂｅｌｔｒｏａｄｗａｙｉｎＮｏ．３０１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｓｔｅｍｐｏｒａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｗｉｔｈｆｏｒｅｐｏｌｉｎｇｂａｒｓｕｐｐｏｒｔｄｅｖｉｃｅａｎｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｗｉｔｈｂｏｌｔ  ｍｅｓｈ  ｃａｂｌｅ  ｂｅａｍｃｏｍｂｉｎｅｄｓｕｐｐｏｒｔ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｃａｎｍｅｅｔｔｈｅａｃｔｕａｌｎｅｅｄｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｐｌａｙａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｐｒｏｄｕｃ  ｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｒｏａｄｗａｙ；ｒｏｏｆｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｕｐｐｏｒｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ０引言陕西黄陵矿业公司二号煤矿属于高瓦斯矿井，瓦斯含量较大，开采时产生的煤尘具有爆炸性，发火期为５８ｄ。３０１工作面位于吴儿沟、金盆梁，地表为中－低山林地。工作面煤层顶板相对隔水层厚度为５９～８５ｍ，回采距停采线１８４０～１３８０ｍ段时容易对工作面涌水量产生影响。工作面地质条件简单，煤层属侏罗系中统延安组，煤层为２号煤层。煤层层状构造，内生裂隙发育。煤层厚度１．９～２．７ｍ，老顶属于粉砂岩灰色，以石英长石为主，泥钙质胶结；煤层厚度１３～１５ｍ，直接顶细粒砂岩、粉砂岩灰色含植物残屑化石，含黄铁矿结核，泥钙质胶结厚度２．８４～２７．２１ｍ，直接底炭质泥岩易风化破碎，具滑面顶板含油、本煤层瓦斯、底板瓦斯油型气等多重灾害影响，此外地质构造、煤层夹矸和其他隐蔽致灾因素也给工作面回采带来一定影响［１－３］；煤层厚度２  １４～４ｍ，３０１工作面胶带巷反掘巷道长度２００ｍ工程量４１０４ｍ３。为确保３０１工作面的安全高效开０７１霍斌黄陵二号煤矿矿井顶板支护技术实践２０２０年收稿日期２０１９－０９－０５作者简介霍斌（１９９１），男，陕西渭南人，２０１７年毕业于西安科技大学采矿工程专业，现从事井下煤层开采方面的技术工作。采，３０１工作面形成时顺槽揭露次一级背斜构造，回采至背斜轴部时加强顶板支护。１支护设计３０１工作面根据工作面顶底板岩性及煤层厚度、采高等条件，选用双柱掩护式支架及其相配套的端头、过渡支架共１７５台。支架的最大工作阻力为１０８００ｋＮ，初撑力为７９１２ｋＮ。３０１工作面胶带巷反掘临时支护采用前探梁临时支护装置，永久支护为锚网索梁联合支护，胶带巷反掘永久支护。１．１锚杆布置特征顶锚杆采用直径是  ２２ｍｍ２８００ｍｍ左旋螺纹钢锚杆，间排距是８００ｍｍ８００ｍｍ／８００ｍｍ１０００ｍｍ，每排安装７根锚杆，每排两端头锚杆与水平方向呈７５夹角，下压钢筋托梁，锚固方式采用端部锚固，每根锚杆使用１卷ＭＳＫ２３３５和２卷ＭＳＺ２３６０树脂药卷，锚杆配合１５０ｍｍ１５０ｍｍ１２ｍｍ钢托盘。钢筋托梁采用  １６ｍｍ圆钢加工，长度５０００ｍｍ，孔距８００ｍｍ。１．２锚索布置特征锚索使用  ２１．８ｍｍ７３００ｍｍ十九芯钢绞线防腐锚索，采用１６００ｍｍ１８００ｍｍ的间排距以 “ 一梁四索” 的形式布置，每排４根，每排两侧锚索与水平方向呈７５夹角，锚索梁由Ｔ１４０钢带加工， “ 一梁四孔” ，长度５０００ｍｍ。锚固方式采用端部锚固，每根锚索使用１卷ＭＳＫ２８５０和３卷ＭＳＺ２８５０树脂药卷，垫片规格为８０ｍｍ８０ｍｍ１０ｍｍ钢板，具体如图１所示。图１３０１工作面顶板布置支护剖面图（１ ∶ ５０）１．３采面侧帮部锚杆采面侧帮部锚杆上下两根锚杆采用  ２２ｍｍ２８００ｍｍ树脂锚杆支护，中间２根锚杆使用  ２２ｍｍ２８００ｍｍ左旋螺纹的钢锚杆，施工时每排４根，锚杆的间排距是１０００ｍｍ９００ｍｍ，接近顶板帮锚杆距顶是３００ｍｍ，距底板距离是５００ｍｍ。锚固的方式使用树脂进行端部锚固，１根锚杆上使用１卷ＭＳＫ２３３５和１卷ＭＳＺ２３６０树脂药卷。这种树脂锚杆加木托板垫，规格是４００ｍｍ２００ｍｍ５０ｍｍ，木托板横向安装；螺纹钢锚杆加锚杆托盘，规格为２００ｍｍ２００ｍｍ１２ｍｍ。１．４煤柱侧帮锚杆使用  ２２ｍｍ２８００ｍｍ的左旋螺纹钢锚杆，每排４根锚杆它们的间排距１０００ｍｍ９００ｍｍ，接近顶板帮锚杆距顶３００ｍｍ，距底板５００ｍｍ。使用树脂进行端部锚固，使用１卷ＭＳＫ２３３５＼１卷ＭＳＺ２３６０树脂药卷加固每根锚杆，并压Ｑ２３５锚杆托盘，规格为２００ｍｍ２００ｍｍ１２ｍｍ。１．５顶部采用菱形铁丝网菱形铁丝网规格为１１００ｍｍ５８００ｍｍ，横向铺设；采面侧帮部采用复合网，复合网规格为１２００ｍｍ３６００ｍｍ，纵向铺设。复合网使用直径是  ３ｍｍ尼龙绳进行连接，１００ｍｍ网片进行搭接，联网的步距是２００ｍｍ；煤柱侧帮部使用直径是  ６．５ｍｍ冷拔钢筋网片，２０００ｍｍ１０００ｍｍ的规格，网片搭接１００ｍｍ，采用１４＃铁丝连接，联网步距２００ｍｍ。３０１工作面顶板断面顶板支护图，如图２所示。图２３０１工作面断面顶板支护图（１ ∶ ５０）１７１第３期霍斌黄陵二号煤矿矿井顶板支护技术实践２支护参数选择及安全技术措施２．１支护形式永久支护形式为锚网索梁支护，支护材料参数见表１。２．２锚杆参数计算锚杆长度的确定通过公式（１）、公式（２）进行计算［４－７］。Ｌ＝ＫＨ＋Ｌ１＋Ｌ２（１）Ｈ＝Ｂ２ｆ（２）式中Ｌ锚杆长度，ｍ；Ｈ冒落拱高度，ｍ；Ｋ安全系数，取２；Ｌ１锚杆锚入稳定岩层的深度，取０．６ｍ；Ｌ２锚杆露出巷道轮廓外的长度０．１２ｍ；Ｂ巷道掘进宽度，取５．４ｍ；ｆ岩石坚固性系数，顶板是砂质泥岩，取３。计算得出，Ｌ＝２０  ９＋０．６＋０．１２＝２．５２ｍ，所以２．８ｍ长锚杆满足支护要求。表１支护材料参数部位材料名称材料规格材料材质顶板锚杆 ２２ｍｍ２８００ｍｍＨＲＢ３３５左旋螺纹无纵肋锚杆托盘 δ １２ｍｍ１５０ｍｍ１５０ｍｍ方形托盘Ｑ２３５钢板锚杆锚固剂ＭＳＫ２３３５型、ＭＳＺ２３６０型树脂锚索 ２１．８ｍｍ７３００ｍｍ防腐锚索锚索托盘 δ １０ｍｍ１５０ｍｍ１２０ｍｍ方形托盘Ｑ２３５钢板Ｔ１４０钢带５０００ｍｍＴ１４０钢带钢筋托梁５０００ｍｍ１６＃圆钢锚索锚固剂ＭＳＫ２８５０型、ＭＳＺ２８５０型树脂菱形铁丝网１１００ｍｍ５８００ｍｍ１０＃铁丝帮部煤柱锚杆 ２２ｍｍ２８００ｍｍＨＲＢ３３５左旋螺纹无纵肋锚杆托盘 δ １２ｍｍ２００ｍｍ２００ｍｍ方形托盘Ｑ２３５钢板网片１０００ｍｍ２０００ｍｍ ６．５ｍｍ钢筋煤壁锚杆 ２２ｍｍ２８００ｍｍＨＲＢ３３５左旋螺纹无纵肋锚杆托盘 δ １２ｍｍ２００ｍｍ２００ｍｍ方形托盘Ｑ２３５钢板锚杆 ２２ｍｍ２８００ｍｍ玻璃钢锚杆托盘配套圆形托盘玻璃钢网片网幅１２００ｍｍ３６００ｍｍ复合网锚杆锚固剂ＭＳＫ２３３５型、ＭＳＺ２３６０型树脂锚杆直径计算依据杆体承载力（Ｐ）和拉拔力（Ｑ）等强度原则［８－１１］算出锚杆直径Ｐ＝ π ｄ２ σ ｔ／４（３）式中Ｑ根据现场锚固力拉拔实践，取其均值１５０ｋＮ； σ ｔ杆体材料抗拉强度，取４６０ＭＰａ；ｄ锚杆杆体直径，ｍｍ。计算得出ｄ＝２０．３８ｍｍ，因此直径  ２２ｍｍ锚杆满足支护要求。锚杆间排距计算依据单体锚杆悬吊作用算出锚杆间排距ａ＝ＱＫ γ Ｌ槡２（４）式中Ｑ锚杆拉拔力，１５０１０３Ｎ；Ｋ安全系数，取２； γ 岩体容重，取２８１０３Ｎ／ｍ３；Ｌ２巷道顶板岩体破碎带高度，取１．８ｍ。计算得ａ为１ｍ，按照周边矿井锚杆间排距取经验值０．８ｍ，满足小于１ｍ的要求。２．３锚索参数计算锚索长度加强锚索长度校核，必须满足Ｌ＝Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌｃ＋Ｌｄ（５）Ｌａ≥Ｋｄ１ｆａ４ｆｃ（６）式中Ｌ锚索总长度，ｍ；Ｌａ锚索到较稳定岩层的锚固长度，ｍ；Ｋ安全系数，取２；ｄ１锚索直径，取０．０２１８ｍ；ｆａ锚索抗拉强度，１８６０Ｎ／ｍｍ２；ｆｃ锚索与锚固剂的粘合强度，２４．８Ｎ／ｍｍ２；Ｌｂ需要悬吊的不稳定岩层厚度，ｍ；Ｌｃ托板及锚具的厚度，ｍ；Ｌｄ外露张拉长度，ｍ。计算得Ｌ＝０．８２＋５＋０．１＋０．２＝６．１２ｍ，所以选取７．３ｍ长锚索满足支护要求。锚索排距校核Ｌ ≤ｎＦ２／［ＢＨ γ－（２Ｆ１ｓｉｎ θ ）／Ｌ１］（７）式中Ｌ锚索排距，ｍ；Ｂ巷道最大冒落宽度，取７ｍ；Ｈ巷道最大冒落高度，取２．８ｍ； γ 岩体容重，取２８ｋＮ／ｍ３（包括顶煤＋直接顶）；Ｌ１锚杆排距，取０．８ｍ；Ｆ１锚杆拉拔力，取１５０ｋＮ；Ｆ２锚索极限承载力，取３４２ｋＮ； θ 锚杆与巷道顶板的夹角，取７５；ｎ锚索排数，取１。计算得Ｌ为１．８３３ｍ，所以锚索排距１．８ｍ满足支护要求。锚索数目校核Ｎ ≥ＫＷＰ断（８）Ｗ＝Ｂ∑ｈ∑γＤ（９）式中Ｎ锚索数目，根／ｍ；Ｋ安全系数，取２；Ｐ断锚索最低破断力，取３８０ｋＮ；Ｗ被悬吊岩石的自重，取２０９ｋＮ；Ｂ巷道掘进荒宽，取５ｍ；Ｄ锚索间排距，取１．８ｍ；∑ｈ悬吊岩石厚度，取０．８３ｍ；∑γ 悬吊岩石平均容重，２８ｋＮ／ｍ３。计算得Ｎ为１．１根／ｍ，所以锚索２．２根／ｍ满足实际支２７１陕西煤炭２０２０年护要求。２．４支护质量监测技术要求强化过程控制锚杆螺母预紧要求进行三次预紧（初次锚杆机紧固，二次扭矩扳手紧固，三次风动扳手紧固），并把三次预紧位置进行挂牌管理，使锚杆紧固扭矩达到３００Ｎｍ以上。由验收员对每班施工锚杆的扭矩用扭矩扳手进行检测。顶、帮锚杆采用树脂锚固剂进行端部锚固要求螺纹钢锚杆拉拔力不得小于１５０ｋＮ；树脂锚杆预紧力不得小于８０ｋＮ；锚索预紧力不得小于２６０ｋＮ，拉拔力不得小于３８０ｋＮ。使用相关器具进行锚杆和锚索拉拔力的测试，保证锚杆、锚索质量符合技术要求。２．５防止冒顶的技术措施敲帮问顶和围岩观测迎头掘进设置专人观察顶、帮围岩情况。支护工作面时严格按照由外向里的顺序进行支护，支护时施工人员应面向正头施工。巷道巡查结合工作面矿压监测系统数据分析及时对矿压异常区段进行加强支护。如果发生巷道压力较大、支护失效等安全隐患，必须当班进行修护处理，问题如果没有进行处理，严禁施工。严格按照操作规程循环作业，严禁空顶作业，如果发现顶板破碎必须在掘进时进行“ 一排一支护” 。地质变化时的补充措施遭遇地质变化带时要加强支护并立刻向生产技术部门汇报，如果必要，需及时补充完善专项安全技术措施，并严格执行。同时认真检查锚杆拉拔力使其不能低于设计要求，而且临时支护必须做到有效承载。帮部支护不得滞后于要求的支护距离，围岩破碎时，要及时对帮部补打锚杆进行支护。其他措施锚杆要使用锚杆机或者强力扳手拧紧，保证锚杆托盘贴紧巷壁。更换巷道时，必须加强临时支护再拆除原有支护，拆除支护后，要及时拆除掉顶部活矸并且需要架设永久支护。开新工作面前，要依据现场实际情况制定切实可行的措施，强化开口位置１０ｍ范围内的支护，交叉巷施工或者穿层巷道时，要强化巷道、风桥下的支护。临时停工要巷道支护至迎头，保持正常通风，重新开工时严格执行开工检查，根据支护变化采用相应技术措施。２．６预防片帮的技术措施预防片帮应在片帮超过２００ｍｍ时先将中线两侧掘至２４００ｍｍ；片帮不超过２００ｍｍ时将中线两侧掘至２５００ｍｍ；先进行压力释放，然后再掘至设计宽度２７００ｍｍ。掘进完成后进行帮部支护，保证帮部锚杆支护预紧力达到设计要求，保证帮部支护完成后才可进行下一循环割煤，锚杆支护不得滞后。缩小循环步距，逐排掘进，逐排支护。掘进前施工护帮锚杆，控制片帮，当由于片帮出现失效锚杆不密贴帮闭现象时，用白漆标出失效锚杆，并在失锚锚杆临近补打锚杆，补强支护。为防止端墙片帮，采取掘进正头堆煤的方式，综掘机截割后，堆煤要呈斜坡状，防止铲净堆煤后端墙裸露悬空面积大，造成片帮事故，待下一循环开始后截割并铲净预留堆煤。３结语随着矿井的逐步深入开采，煤矿根据实际的水文地质条件、地质构造、煤层夹矸和其他隐蔽致灾因素和工程特点有针对性的指定顶板支护方案。通过对黄陵二号煤矿３０１工作面实际监测，发现可以满足生产实际需要，对保证煤矿安全生产、矿井巷道实际安全、加快采掘工作的推进，以及提高企业经济效益和社会效益起到十分重要的作用。参考文献［１］李智，王月红，刘建庄．复合顶板锚网索支护技术研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１６，４８（４）３９－４２．［２］时勇．深部两软煤层工作面矿压分布规律及防冲击措施［Ｊ］．煤，２０２０，２９（１）３７－３８，４３．［３］刘辉，王建文，魏庆龙．煤巷高效快速掘进技术优化浅析［Ｊ］．陕西煤炭，２０２０，３９（１）１５０－１５４．［４］姬东．浅析半煤岩巷道支护施工工艺控制［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（５）１７０－１７３．［５］张晋．海巴愣矿井软岩大巷支护技术研究［Ｄ］．西安西安科技大学，２０１４．［６］田俊宝．司马矿大断面切眼二次掘进成巷支护技术［Ｊ］．煤，２０１９，２８（６）３５－３６．［７］朱红伟．中厚煤层一次采全高综采工作面开切眼锚固支护方案设计［Ｊ］．机械管理开发，２０１９，３４（５）３１－３３．［８］刘，杨崇山．担炭沟煤矿灰岩顶板支护参数优化［Ｊ］．煤炭科技，２０１９，４０（４）４０－４３．［９］刘旭辉．复杂结构厚软煤层综放工作面支护技术［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（６）１２５－１２８．［１０］沙旋，孙文忠，刘志恒，等．大断面煤巷硐室群围岩稳定性分析及控制技术［Ｊ］．煤矿安全，２０１８，４９（１２）２２５－２２８．［１１］宋杰，王少强，王健，等．注浆工艺在破碎顶板支护中的应用研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１８，３７（１２）６０－６２．３７１第３期霍斌黄陵二号煤矿矿井顶板支护技术实践

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