煤矿倾角变化带巷道支护及现场实测.pdf

引言 近些年来， 随着采煤技术、 采煤工艺以及综采设 备自动化水平的不断提升，工作面采煤效率不断提 高。目前我国浅部及易开采的煤层已所剩无几， 大部 分地区的煤层埋藏较深且地质条件相对复杂， 因而对 其开采技术和支护水平提出了更高的要求。 尤其是煤 层倾角变化大、 巷道断面形状不同导致工作面的支护 难度较大， 支护效果不佳严重制约了该类型工作面的 开采进度[1]。因此， 需对倾角变化煤层的巷道支护进 行研究， 为该类型煤矿的安全生产奠定基础。 1工程概况 本文以某矿 11853 工作面为研究对象，该工作 面的地面标高为 31.5 m，综采工作面位于地下 530710 m 之间， 工作面地表为农田沟渠。 该工作面 煤层厚度为 0.253.7 m，平均煤层厚度为 2.5 m； 煤 层倾角范围为 530， 平均倾角为 17， 属于倾 角变化煤层， 而且在煤层西南部的倾角变化较大， 平 均倾角为 19， 其拐点位置倾角为 13。该工作面 煤层的顶底板情况如表 1 所示。 分析表 1 可知， 该煤层所处工作面的结构相对 简单； 工作面水源为顶板、 底板砂岩水和冷凝水， 说 明工作面煤层在掘进过程中涌水量变化不大。经监 测可知， 工作面的正常涌水量为 5 m3/min。值得注意 的是， 在该工作面的底部储水量相对丰富[2]。因此， 在掘进和开采过程中应加强对工作面底部水的疏排 工作。 为了确保倾角变化煤层的支护效果，需对不同 煤层倾角下巷道的变形和破坏规律进行研究。本文 采用数值模拟的方法对不同煤层倾角下的情况进行 仿真分析。 2不同煤层倾角下巷道变形及破坏规律的分析 基于 FLAC 软件对不同煤层倾角下巷道的变形 和破坏规律进行仿真分析，所分析的煤层倾角包括 0、 10、 20、 30以及 40，各个模型具有以下 特点 1） 上述仿真模型均是基于莫尔 - 库伦模型所搭 建的， 其物理模型均为弹塑性模型； 2） 在仿真过程中忽略裂隙和软弱夹层对煤层顶 底板强度的影响； 3） 设计各个倾角工作面的巷道为正方形形状的 巷道， 其水平宽度为 80 m， 垂直宽度为 80 m； 4） 基于煤层工作面实际情况及相关理论基础， 为各个模型添加载荷。 其中， 模型上边界的载荷为覆 岩的自重， 下边界载荷为垂直位移的载荷[3]。 基于上述五个模型对不同倾角下巷道的变形量 和破坏状态进行仿真分析， 总结出如下结论 1） 随着煤层倾角的增加， 巷道上帮的水平和垂 直应力逐渐向巷道上方集中； 2） 巷道顶底板的水平应力变化趋势与煤层倾角 变化无关， 其水平应力始终呈现拱形的变化趋势， 且 水平应力的最小值为原岩应力； 3） 巷道顶底板的垂直应力变化趋势同样与煤层 倾角变化无关，其垂直应力始终呈现拱形的变化趋 煤矿倾角变化带巷道支护及现场实测 马金海 （山西省大同煤矿集团马道头煤业有限公司， 山西大同037100） 摘要 针对煤层倾角变化大、 埋藏深导致工作面的支护效果不佳的问题， 在分析某矿 11853 工作面地质、 水 文等条件的基础上，对不同煤层倾角下巷道的变形及破坏规律进行研究，并以此为基础完成了对某矿 11853 工作面的支护参数的设计和支护效果的观测， 为今后复杂工作面的支护奠定基础。 关键词 煤层倾角支护锚杆矿压观测安全性 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0130-02 收稿日期 2020-03-04 作者简介 马金海 （1967） ， 男， 毕业于中国矿业大学采矿技术 专业， 工程师。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.055 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 顶底板 分类 岩石名称 厚度 /m 岩性特征 老顶砂岩6 主要成分为石英石和长石， 其大小分类为 细粒砂岩和中粒砂岩， 颜色为浅灰色 直接顶泥岩2 主要成分为泥岩且含有部分砂质， 颜色 及形状为黑灰色块状 直接底泥岩6.5 主要成本为泥岩且下部含有部分砂质颜 色为灰色 老底泥岩 / 砂岩7.5 主要成分为石英石和长石， 颜色为灰色， 其形状为块状和中粒。 表 1工作面顶底板情况 实践与应用 2020 年第 5 期 势， 且水平应力的最小值为原岩应力； 4） 巷道顶板的垂直应力在其距离顶板 7.5 m 处 的位置为临界点。当距离顶板的距离小于 7.5 m 时， 巷道顶板的垂直应力增长较快；当距离顶板的距离 大于 7.5 m 时， 巷道顶板的垂直应力增加变缓。 工作面顶板的变形随着倾角的增大而变小， 底 板的变形范围随着煤层倾角的增大而变小，底板底 鼓量随着煤层倾角的增大而增加，导致上帮的变形 量大于下帮。因此， 针对煤层倾角较大的情况， 需加 强对底板上帮的支护[4]。 3倾角变化煤层的巷道支护及现场实测 目前，应用于工作面最为广泛的支护方式为锚 杆支护。因此， 本工作面也采用锚杆支护， 并根据煤 层情况对其锚杆支护参数进行设计，以达到最佳的 支护效果。锚杆间距和锚杆的长度是锚杆支护的两 项主要参数， 为确定锚杆间距和锚杆长度， 本文基于 “控制变量” 的原则对不同锚杆间距和锚杆长度下工 作面顶底板位移的变化情况进行模拟分析。经模拟 分析可知 在锚杆间距一定的情况下，随着锚杆长度的增 加工作面围岩的变形量越小；在锚杆长度一定的情 况下，随着锚杆间距的减小工作面围岩的变形量越 小[5]。 锚杆长度为 2.2 m 时是对围岩变形控制的临界 点， 即， 当锚杆长度小于 2.2 m 时， 随着锚杆长度的 增加对围岩变形的控制效果越好；当锚杆长度大于 2.2 m 时， 随着锚杆长度的增加对围岩变形的控制效 果越差。因此， 最佳锚杆长度为 2.2 m。 确定锚杆长度后， 经模拟分析可知 当锚杆间距 大于 0.8 m 时， 随着锚杆间距的增大， 其对围岩变形 的控制效果变差。 因此， 选择锚杆间距为 0.8 m。 顶锚 杆和帮锚杆的类型选择无纵筋螺纹钢锚杆。 锚杆参数确定后，对应的顶板和两帮的锚固参 数如下 顶板和两帮的锚固长度为 1 359 mm； 顶锚 杆的预紧力不小于 30 kN; 帮锚杆的预紧力不小于 20 kN； 锚索间距为 3.2 m， 预紧力为 65 kN。 将本文所研究工作面的煤层按照 3.1 所示的支 护参数进行支护后，在现场设立三个观测点对其支 护效果及矿压进行观测。主要观测巷道顶底板的位 移量， 具体观测结果如下 1） 巷道顶底板的最大位移量为 410 mm， 两帮的 最大位移量为 660 mm， 最大底鼓量为 23 mm， 且工 作面巷道围岩的移近量主要发生于实时工作面前方 的 30 m 范围之内； 2） 工作面巷道两帮的位移量明显大于顶底板的 位移量， 且巷道各处位置变形速度最大为上帮， 其次 为下帮， 而后为底板， 最小变形速度位置为顶板。 4结论 近年来， 我国埋藏浅、 易于开采的煤层大部分已 被开采， 剩余尚未开采的煤层具有埋藏深、 煤层倾角 变化大等特点，导致传统适用于普通煤层工作面的 支护方式不再适用。为保证针对煤层倾角变化工作 面的支护效果，深入对煤层倾角支护效果的理论分 析和实践应用效果观测， 为今后更加恶劣、 复杂工作 面煤层的开采提供指导。 参考文献 [1]索永录， 赵峰.大倾角厚煤层综放工作面平巷锚网支护技术[J]. 西安科技大学学报， 2008 （2） 240-243； 269. [2]褚万益.大倾角煤层回采巷道超前支护技术研究与应用[J].工 业安全与环保， 2014， 40 （2） 9-10. [3]曹新奇， 马立强， 杨明福， 等.大倾角煤层工作面端头支护及超 前支护技术[J].煤炭科学技术， 2012， 40 （7） 1-4. [4]黄庆享， 董伯林， 陈国红.急倾斜软煤巷道破坏机理及锚网支护 设计[J].采矿与安全工程学报， 2006， 23 （3） 333-336. [5]黄立建， 黄德崇.锚带网支护在塑里矿大倾角松软煤层巷道中 的应用[J].煤炭技术， 2005， 24 （12） 58-59.（编辑 王瑛） Roadway Support and Field Measurement in Coal Mine Inclination Change Zone Ma Jinhai （Shanxi Datong Coal Mine Group Madaotou Coal Industry Co., Ltd., Datong Shanxi 037100） Abstract In view of the problem that the coal seam inclination angle changes greatly and the buried depth causes the support effect of the working face to be poor, on the basis of analyzing the geological and hydrological conditions of a mine 11853 working face, the deation and failure law of roadway under different coal seam inclination angle is studied, and on this basis, the design of supporting parameters and observation of supporting effect of a mine 11853 working face are completed, which lays the foundation for the support of complex working face in the future. Key words coal seam inclination; support; bolt; mine pressure observation; safety 马金海 煤矿倾角变化带巷道支护及现场实测 131