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第 5 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 5 2020 年 5 月 Shanxi Coking Coal Science 临时支护;恒阻大变形锚索;围岩监测 中图分类号TD353 文献标识码B 文章编号1672-0652202005-0046-04 我国煤矿井下工作面开采原来以 121 工法为主, 每个回采工作面需布置两条回采巷道,且工作面需留 设一定宽度的区段煤柱,造成矿井采掘接替紧张、回 采率低等问题。 为此,何满朝等提出切顶卸压自成巷 无煤柱开采技术,并在许多矿井进行了实践,取得了 显著的经济和社会效益[1-4]. 其研究重点集中在“切 顶卸压恒阻大变形锚索” 主体支护,对于切顶留巷 期间的临时支护研究较少,盲目采用单体支柱进行临 时支护,不利于矿井生产经济性、安全性、科学性的实 现。 以山西汾西矿业集团有限责任公司曙光煤矿 1226 运输巷为背景,在确定其主体切顶支护方案的 前提下,对临时支护技术进行研究及应用,以保证巷 道围岩的稳定性。 1 工程概况 曙光煤矿位于山西省孝义市,主采 2、3煤层,生 产规模 90 万 t/ a,现阶段 2煤层布置 1226 综采工作 面,区段标高为 960 1 105 m,相对高差 145 m. 1226 工作面煤层均厚为 2. 85 m,工作面走向推进长 度 1 562 m,工作面开切眼长度 180. 5 m,沿顶底板割 煤,不留顶底煤,平均采高为 2. 85 m. 为提高工作面 回采率及巷道利用率,设计在 1226 运输巷采用无煤 柱沿空留巷技术。 2 1226 运输巷支护技术 1226 运输巷掘进期间采用“锚网索梁”永久支护 方式,顶板每排采用 6 根 d20 mm2 400 mm 的左旋 螺纹钢锚杆配合 4. 5 m 的钢筋托梁进行支护,顶锚杆 锚固剂采用 MSK2355、MSZ2355 各一卷。 锚索采用 d21. 6 mm6 500 mm 的钢绞线,布置在两排锚杆中 间, 采 用 “ 三 花 ” 布 置 方 式, 树 脂 锚 固 剂 采 用 MSK2355、MSK2355、MSZ2355 各一卷。 两帮每排各 支设 4 根 d20 mm2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆,在 巷道右帮 2煤层与夹矸分界处打设一根点锚索,锚 索与巷道右帮成 75角,锚索的排距为 2 m,锚索采用 d21. 6 mm6 500 mm 的钢绞线配合 300 mm300 mm 12 mm 的四方铁板进行支护,锚固剂采用 MSK2355、 MSK2355、MSZ2355 各一卷。 3 巷道切顶卸压恒阻大变形锚索留巷支护 1226 运输巷采用以“切顶卸压恒阻大变形锚索 支护”为主体的支护方案,通过预裂切缝爆破,在局 部范围切断工作面顶板应力传递,减弱巷道顶板压 力,保护巷道顶板完整性。 具体方案在 1226 工作面 运输巷靠近回采侧范围内进行切顶爆破,切缝孔距巷 道回采侧帮 150 mm,切缝面由竖直方向向采空区旋 转 15,切缝孔间距设计为 600 mm,切顶钻孔垂直高 度为 10. 0 m,施工时至少超前工作面 50 m. 采用恒阻大变形锚索控制顶板下沉,恒阻大变形 锚索加固方案锚索 d21. 8 mm,长度为 12 m,恒阻器 d85 mm, 长 450 mm, 恒 阻 值 为 32 t, 可 伸 缩 量 为 150 mm. 1226 工作面运输巷和材料巷共布设 2 列恒 阻大变形锚索,第一列恒阻锚索距切缝钻孔 400 mm 距回采侧煤帮 550 mm,排距 1 000 mm;第二列中 线偏实体煤侧 200 mm,排距 2 000 mm. 恒阻锚索相 邻锚索之间用 3 mm280 mmW 钢带连接平行于巷 道走向。 预裂钻孔及恒阻锚索支护见图 1. 图 1 1226 运输巷留巷支护示意图 4 巷道分区临时支护方案 工作面回采期间,巷道与工作面相对位置发生变 化时,受到的采动影响大小也发生变化。 工作面前方 一定范围内,巷道围岩受超前支承压力的影响;工作 面附近,巷道受采煤机割煤、采空区顶板垮落的动压 影响;工作面后方一定范围内,巷道仍受采空区顶板 垮落的动压影响,需要持续变形一段时间才能最终稳 定。 因此,将工作面附近的 1226 运输巷划分为 3 个 区超前支护区工作面前方 30 m,架后临时支护区 架后 0200 m和成巷稳定区架后 200 m 之后, 分区见图 2. 4. 1 超前支护区 工作面前方 30 m 内的运输巷受超前支承压力的 影响,巷道围岩易出现较大的变形,故设计采用单体 液压支柱配合 π 型梁进行临时补强支护,采用一梁 三柱垂直巷道轴线方向布置,排距为 1. 0 m,超前支 护长度不小于 30 m. 4. 2 架后临时支护区 工作面后方 0200 m,采空区顶板逐渐垮落,动 压影响较为剧烈。 因此,在架后 0 200 m,顶板需要 临时加强支护。 现有的架后临时支护主要有单体临 时支护、单体墩式支架临时支护和门式刚架临时支 护[5-6]. 其中单体支柱主要用于浅埋深、薄煤层、压力 比较小的留巷支护,曙光煤矿开采深度大,巷道内压 力显现明显,因此主要从单体墩式支架临时支护和 门式钢架临时支护之间选择。 单体墩式支架临时 支护和门式钢架临时支护对比见表 1. 为确保 1226 运输巷的切顶留巷效果,对门式支 架与墩式支架综合分析比较后,最终确定采用门式支 架进行 1226 运输巷的架后临时支护。 1226 运输巷 为矩形断面,根据自然平衡拱理论,作用在深埋岩体 巷道顶部的围岩压力为自然平衡拱内岩体的自重,顶 742020 年第 5 期张能旺综采工作面切顶留巷临时支护技术研究应用 图 2 巷道不同位置临时支护图 表 1 门式支架与墩式支架对比表 类别门式支架墩式支架对比效果 顶板支护整体局部靠切缝侧门式优 底板支护整体加底梁局部靠切缝侧门式优 单体量0800 个门式优 运输方式机械人工或单轨吊门式优 200 m 费用1 640 万元680 万元墩式优 底鼓控制效果好效果差门式优 板最大松动范围为[5-6] hg a c fd 1 式中 hg顶板最大松动范围,m; a巷道宽度的一半,m,取 2. 35; c帮部最大破坏范围,m,取 3. 5; fd顶板硬度系数,取 2. 由式1可得,hg 2. 925 m,按照最危险的情况 考虑,顶板松动范围内的岩体自重全部由门式支架承 担,则所需的门式支架支护力为[7] N hgγ2c 2ad2 式中 N所需支护力,kN; hg顶板最大松动范围,m,取 2. 925; γ岩层平均重力密度,kN/ m3,取 25; c巷道两帮破坏范围,m,取 3. 5; a巷道宽度,m,取 2. 35; d支护排拒,m,取 1. 5. 由式2可得,N 1 283. 34 kN. 根据压强公式 PN/ S,可算 出 所 需 支 护 压 强 至 少 需 0. 182 MPa. ZLQ2826/ 22. 5/ 38 型门式支架初撑力为 1 978. 2 kN, 工作阻力为 2 826 kN,均大于所需支撑力,因此确定 采用 ZLQ2826/ 22. 5/ 38 型门式支架。 1226 运输巷锚 杆排距为 1 000 mm,为有效避让顶板锚杆、锚索,确 定门式支架架间距为 1 500 mm,留巷加强支护长度 按照 200 m 考虑,共需 134 架门式支护装置。 相邻门 式支护装置横梁之间通过矿用高强度圆环链及紧链 器连接,实现相邻门式支护装置之间的连接,避免因 立柱卸压发生倒架。 门式支架布置方式见图 3. 为防止采空区的矸石滚落至巷道内,支架靠近采 空区一侧挂设钢筋网,钢筋网上部与顶板金属网捆扎 在一起,钢筋网由 d6 mm 的钢筋焊接而成,尺寸为 1 700 mm1 000 mm,钢筋网挂设完成后,在采空区 侧布置可伸缩 36U 型钢,U 型钢长 2. 6 m可根据巷 道高度适当调整,U 型梁排距为 500 mm,布置见 图 4. 4. 3 成巷稳定区 滞后采煤工作面 200 m 以上的巷道内,当围岩趋 于稳定时,将门式支架撤去,保留可伸缩 U 型钢进行 挡矸支护,根据巷道内瓦斯浓度、采空区漏风情况,确 定是否进行碎石帮侧喷浆处理。 喷浆时采用水泥砂 浆,喷浆厚度不小于 50 mm,必要时进行复喷。 5 应用效果 5. 1 监测点布置及监测周期 曙光煤矿 1226 运输巷沿空成巷施工后,在现场 进行了巷道表面位移量监测,布置 83 组测点,每组测 点包括 2 个点顶板A 点、底板B. 监测方法用 收敛仪分别测量各测点到基准点的距离,两测点相邻 两次测试数据的差值即为两点相对移近量,以此累加 相邻两次测试数据的差值即可得两点相对总移近量, 测量精度 0. 1 mm. 巷道表面位移监测为实时在线监 测,每次获取的观测数据需要做好记录表及时整理, 共进行为期 21 天的监测。 84山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期 图 3 运输巷道门式支护临时支护展开图 图 4 架后临时支护侧视图 5. 2 支护效果评价 对现场监测得到的数据整理得到图 5,成巷初期 巷道围岩位移量快速增大,成巷约 10 天后围岩趋于 稳定,两帮移近量稳定在 23. 5 mm 左右,顶底板移近 量稳定在 16. 3 mm 左右,巷道变形量小,支护效果 良好。 图 5 围岩位移量变化曲线图 6 总 结 1 以“切顶卸压恒阻大变形锚索支护”为主体 的切顶留巷技术应用期间,临时支护对于留巷围岩稳 定非常关键。 工作面超前段受超前支承压力的影响, 可采用单体柱或单体柱工字钢进行补强支护,超前 支护距离不小于 100 m;工作面开采时,顶板开采垮 落,动压明显,可采用门式支架等强度高、整体性强的 临时支护方式,工作面后方顶板从垮落到稳定需要一 定的时间,因此距工作面较近的架后区域不仅需要进 行顶板补强支护,还需进行挡矸支护,采用可伸缩 U 型钢挡矸支护效果良好;当巷道距工作面较远时,顶 板运动基本趋于稳定。 矿压监测结果表明,巷道顶板 稳定后,可将架后临时支护的设备撤掉,只进行挡矸 支护即可。 2 围岩位移监测结果表明,留巷期间围岩稳定 后,两帮移近量稳定在 23. 5 mm 左右,顶底板移近量 稳定在 16. 3 mm 左右,围岩稳定性良好,能够满足 1228 接替工作面的生产需求。 参 考 文 献 [1] 何满潮,宋振骐,王 安,等. 长壁开采切顶短壁梁理论及其 110 工法-第三次矿业科学技术变革[J]. 煤炭科技,201711-9,13. 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Key words Roof caving process; Multi-round caving; Sequence; Interval layering 上接第 49 页 [4] 王 瑨. 12605 工作面切顶卸压成巷支护技术探讨[J]. 江西煤炭科技,2019386-88,91. [5] 孟玉良. 临时支护装置在煤矿掘进工作面的应用探究[J]. 当代化工研究,20191439-40. [6] 吴跃东. 巷道气垛式前探梁临时支护装置的分析[J]. 机械管理开发,2019,3410139-140. [7] 陈上元,何满潮,王洪建,等. 深井沿空切顶巷道围岩协同控制及应力演化规律[J]. 采矿与安全工程学报,2019,364660-669. 25山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期