近距离煤层采空区下巷道支护技术研究与应用.pdf
第4 7 卷 第2 期 煤炭工程 C OAL E NGI NE E RI NG Vo 1 . 4 7. No . 2 d o i 1 0 . 1 1 7 9 9 / c e 2 01 5 0 2 O 1 2 近距 离煤层采 空 区下巷道支护技术研究与应 用 张忠温 ,吴吉南 ,范明建 ,高福全 ,张立海 1 .中煤平朔集团有限公司,山西 朔州0 3 6 0 0 6 ;2 .天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 1 0 0 0 1 3 摘 要以平朔矿 区 1 1煤回采工作面巷道掘进 为工程 背景 ,详 细介绍 了矿 区近距 离煤层采 空区下巷道 支护成套技术及现场应用情况。在对矿 区 1 1 煤 围岩地质力学测试与评估、围岩可锚 性试验和锚杆 支护作用理论分析的基础上,根据煤层 顶板层 间距 离的不同,提 出了 “ 锚杆 锚 索” 、“ 锚杆 短锚索” 、“ 全长预应力锚杆”等以锚杆支护为主的巷道 支护方案 ,彻底改变了近 距 离煤层巷道必须使 用架棚支护的传统观念。实践证明,锚杆 支护 能够满足矿井近距 离煤层采空 区下巷道掘进与工作面回采的需要 ,在保证巷道支护安全的前提下,降低 了支护成本和工人劳动 强度 ,为提 高巷道掘进速度创造条件。 关键 词 近距 离煤 层 ;采 空 区下 ;巷 道掘 进 ;锚杆 支护 ;效 果评 价 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 2 - 0 0 3 7 - 0 4 Re s e a r c h o n Ro a d wa y S up po r t Te c hno l o g y Und e r Go a f o f Cl o s e Co a l S e a m Z HA N G Z h o n g w e n ,WU J i n a n ,F A N M i n g j i a n ,G A O F u q u a n ,Z H A N G L i h a l 1 . C h i n a C o a l P i n g s h u o G r o u p C o m p a n y L i mi t e d,S h u o z h o u 0 3 6 0 0 6,C h i n a ; 2 . C o a l Mi n i n g a n d D e s i g n i n g D e p a r t me n t ,T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o m p a n y L i m i t e d ,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ,C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e e n g i n e e rin g b a c k g r o u n d o f mi n i n g r o a d wa y d ri v i n g i n N o . 1 1 c o a l s e a m o f P i n g s h u o mi n i n g a r e a, t h e p a c k a g e d t e c h n o l o g y o f r o a d wa y s u p p o r t a n d a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n i n c l o s e d i s t a n c e c o a l s e a ms u n d e r g o a l we r e i n t r od u c e d. Ba s e d o n t h e r e s ul t s o f g e o me c ha n i c t e s t , a n c ho r t e s t s i n r o a d wa y s u r r o u n di ng s , a nd t he o r y a n a l y s i s o f b o l t i n g s u p p o r t i n No . 1 1 c o a l s e a m , s u p p o r t i n g s c h e me s w e r e p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e i n t e rs e a m d i s t a n c e s , s u c h a s b o l t a n d c a b l e, b o l t a n d s h o r t c a b l e , p r e t e n s i o n e d a n d f u l l l e n g t h a n c h o r e d b o l t , w h i c h c h a n g e d t h e t r a d i t i o n a l c o n c e p t i o n o f s t e e lf r a me s up p o rti ng s y s t e m f o r c l o s e s e a m r o a d wa y. The pr a c t i c e s h o ws t h a t , b o l t i ng s u pp o rt c o u l d me e t t h e n e e d o f r o a d wa y s u p p o rt i n g u n d e r g o a f o f c l o s e c o a l s e a m,wh i c h r e d u c e s s u p p o rt c o s t a n d l a b o r i n t e n s i t y ,c r e a t i n g c o n di t i o n s t o i mpr o v e d r i v i n g s pe e d,o n t he p r e mi s e s o f s a f e r o a d wa y s u p po rt. Ke y wo r d s c l o s e c o a l s e a ms ; u n d e r g o a f ;r o a d wa y d ri v i n g ; b o l t i n g s u p p o r t ; e f f e c t e v a l u a t i o n 平朔矿区位于宁武煤 田北端,煤层赋存于石炭系上统 太原组 ,主采煤层 4煤 、9煤 、1 1煤。以二号井 为例,4 煤 、9煤、1 1煤平均厚度分别为 1 1 . 9 m、1 3 . 7 4 m、4 . 8 5 m。 其中,9煤与 1 1 煤层间距离在 2 . 9 4 . 8 m之间,局部最小 仅 2 . 1 m左 右。矿井 1 1煤 回采工 作面 巷道 掘进时 ,上覆 9 煤工作面已回采完毕,属于典型的近距离煤层采空区下巷 道掘进。从揭露的 1 1 煤巷道顶板围岩条件来看 ,处于采空 区下的 1 1 煤顶板节理裂隙较为发育,局部存在明显的破碎 带,围岩结构在上覆煤层采动应力的作用下遭到破坏。近 距离采空区下巷道支护形式主要为 “ 锚网 索工字钢对 棚”联合支护,支护强度虽然能够满足生产需要,但施工 工艺复杂 、工序繁琐 ,导致掘进速度慢 、支护成本高,支 护系统 整体 可靠 性较差 。近距 离煤层 采空 区下 巷道掘 进与 支 护在 多数 矿 区均 有存 在 ,如何 根 据现 场 围岩 赋存 条 件 , 选择合理支护形式与参数成为实现近距离煤层采空区下巷 道 安全 、快 速掘进的关键 。 收稿 日期 2 0 1 4~ 0 21 7 基金项目国家科技支撑计划 2 0 1 2 B A B 1 3 B 0 2 ;国家 自然科学基金委员会资助项 E t U 1 2 6 1 2 1 1 ;中煤能源重点科技 创新项 目计划 Y L K Q MC K C J K一2 0 1 3 0 0 1 作者简介张忠温 1 9 6 4一 ,男,河北南皮人 ,高级工程师,现任中煤平朔集团有限公司副总经理、总工程师,主要 从事技术管理工作 ,Em a i l f a n m i n g j i a n c c r i 1 6 3 . c o m。 引用格式张忠温,吴吉南 ,范明建 ,等.近距离煤层采空区下巷道支护技术研究与应用 [ J ] .煤炭工程,2 0 1 5,4 7 2 3 7 4 0 . 3 7 煤炭工程 2 0 1 5年第2 期 1工程概 况 矿井 2 1 1 0 6工作面走 向长度 1 7 5 0 m,倾 向长度 3 0 0 m, 埋深在 2 1 0~ 2 3 0 m之 间。现场探 测显 示 ,本工 作面巷 道顶 板 9煤与 1 l 煤层 间距离一般在 2 . 9~ 4 . 5 m之 间 ,局部最小 间距在 2 . 1 m左右 。巷道沿煤层底板掘进 ,施 工时上覆 9煤 工作 面已回采完毕 ,如图 1 所示 。 2 1 1 o 6 辅运巷 图 1 2 1 1 0 6工作面与 9煤 采空区对应 关系 l 1 煤厚度3 . 2 6~6 . 3 1 m之间,平均厚度 4 . 8 5 m,结构 较复杂,煤层倾角 1 . 5 。一 3 . 0 。 ,属稳定煤层。煤层顶板以 泥岩、泥灰岩、及粉砂岩为主,围岩强度较低 ,结构松软。 现场探测显示 顶 板炭 质泥 岩厚 度 0 . 8~1 . 2 m,砂 岩 厚度 0 . 2~ 0 . 5 m;煤层底板 为褐 色粉砂岩 ,岩性较致 密 ,上部含 较多植物化石 ,可见黄铁矿结核 ,平均厚度为 4 . 6 0 m。 2 矿井 1 1 煤围岩应力环境与赋存条件原位测试 2 . 1 地 应 力场原位 测试 采用煤矿井下 水压致 裂地 应力测 量方 法 ,对巷 道围 岩 的应力环境进行测 试 ] 。矿井 1 1煤 巷道 围岩最 大水平 主 应力 5 . 6 6~ 6 . 3 4 M P a ,最小水平 主应力 3 . 1 1 4 . 9 2 MP a ,垂 直主应力为 4 . 0 8 4 . 1 8 M P a ,属低值地应力场区。应力场 类型以 型、 型为主,最大水平主应力方 向集中在 N 4 9 . 5 。 6 6 . 6 。 w 之间。 2 . 2 围岩 强度 原位 测试 钻孑 L 触探围岩强度原位测试结果显示,顶板砂质泥岩 强 度 集 中 在 2 1 . 6 ~ 3 3 . 9 3 M P a ,粉 砂 岩 强 度 5 4 . 0 l~ 7 9 . 0 7 M P a ;泥灰岩节理裂隙发育,局部较破碎 ,平均强度 2 7 . 8 3~ 3 0 . 6 8 M P a ;煤体完整性较好 ,平均强度 2 1 . 3 MP a , 属中硬煤层。 2 . 3顶板 岩层 结构 观测 采用钻孑 L 全景围岩结构观测仪,对顶板岩层结构进行 观察。在不受上覆煤层采动影响的巷道中,1 1煤顶板岩层 除局部含有少量裂隙和离层外,基本保持 了较好的完整性。 在上覆煤层 回采动 压影响 区域 ,1 1煤巷道 顶板普遍 存在 明 显离层、裂隙带和破碎区,局部甚至出现较大空洞。 2 . 4 围岩 可锚 性评 价 由于近距离上覆煤层 采动应 力的影 响 ,造成 9煤 与 1 1 煤层问围岩结构破碎 ,局部 9煤采空区积水下渗 ,对 9煤 3 8 顶板围岩产生一 定 的软化 、弱化作 用 ,影 响锚杆 的锚 固效 果。根据煤巷锚杆支护技术规范要求 ,对巷道围岩的可 锚性能进行现场测试。结果 见表 1 显示 表 1 采空区下 l 1 煤 围岩可锚性试验 结果 1 锚固长度对锚杆 索 拉拔力影响明显。正常条件 下 ,顶板直径 2 2 mm螺纹钢锚杆加长锚固最大拉拔力大于 1 2 5 k N。帮部直径 1 8 m m 圆钢锚 杆端锚最 大拉拔 力大于 6 0 k N,满足技术规范对锚杆锚固力的要求 。 2 锚索采用 1支 K 2 3 3 5和2支 Z 2 3 6 0树脂锚固时 ,最 大拉拔力均大于 1 8 0 k N。在围岩条件发生变化 ,锚 固力明 显降低的巷道段 ,应及时调整锚 固参数,确保最大拉拔力 达到设计要求。 3 钻孔 淋水 对锚 杆 索 拉拔 力 的影 响显著 。最 大 拉 拔力降低幅度与钻孔含水状态 、淋水速度有直接关系⋯。 在钻孔含水段 ,应调 整锚杆 索 的锚 固参数 ,并 加大锚 固 力检测频度,确保巷道安全。 3 近距离煤层巷道支护参数选取原则 针对矿井 1 1煤生产地质条件,根据地质力学测试结 果 、顶板围岩结构状况 以及围岩 可锚性试验结果,判 断 2 1 1 0 6主运巷可选用锚杆支护进行巷道支护。为充分发挥锚 杆支护作用,结合煤巷锚杆支护已有研究成果与工 程实 践 ,对平朔矿区采空区下巷道支护参数选取提出以下 设 计原则 1 及时 、主动支护原则。巷道开挖后应 及时支护 ,控 制 巷道 围岩离层 、裂隙的进一步扩大 。特 别对于顶 板破碎 、 2 0 1 5年第2 期 煤炭工程 帮部煤体易片落的巷道段。应减小空顶、空帮时间和距离 , 做 到及 时主动支护 。 2 合理预应力施加与预应力扩散原则。合理预应力的 施加是实现锚杆主动支护的关键,只有施加合理的预紧力 并实现预紧力在围岩中的有效扩散,才能充分发挥锚杆支 护的作用。保证锚杆支护系统的具有较高 的承载能力,提 高巷道围岩的整体稳定性 。 3 围岩结构强化原则。近距离煤层采空区下巷道掘 进,顶板围岩结构易因上覆煤层回采时的采动影响而遭到 破坏 ,需加强 对围岩结构变形 的控制 。 4 围岩可锚性 判断与锚 固参数优化原 则。巷道 围岩的 可锚性能是决定能否采用锚杆支护的前提 ,巷道锚杆支护 设计前必须进行 井下 拉拔 力试 验 ,并根 据试 验结果 对锚 固 参数进行优化设计。 5 “ 三高一低”及经济合理性原则。即在实现锚杆支 护系统高强度、高刚度 、高可靠性的前提下,做到降低锚 杆支护密度,提高掘进速度,降低支护综合成本。 4不同层间距离条件下巷道支护方案 矿井 2 1 1 0 6主运巷顶 板 岩层距 上 覆 9煤采 空 区 的距 离 小且变化 幅度大 ,巷道掘 进期 间需 根据现 场地 质条 件 、顶 板层间距的变化调整相应支护参数。采用 F L A C数值计算 软件 ,对不 同支护形 式与 参数 的支 护效果 进行 分析 。根 据 1 1 煤顶底板岩层分布状况,对巷道顶底板岩性、厚度、倾 角大小进行 建模 ,并 将地 应力 大小 与方 向 、围岩 强度 等基 本参数赋值到计算模型中。考虑到有限元软件的计算原理 和数值计算效果 ,对于上覆 9煤采空区冒落区域的岩体密 度 、抗压强度、弹性模量 、摩擦角、粘聚力等物理力学参 数进行弱化处理,以确保计算模型为连续介质 。最终, 确定采用以锚杆支护为主的支护形式。顶板选用屈服强度 不低 于 3 3 5 MP a的 螺 纹钢 锚 杆 ,杆 体 直 径 2 2 m m,长 度 为 2 . 12 . 4 m,预 紧 扭 矩 3 0 0 3 5 0 N m;锚 索 为 直 径 O1 7 . 8 m m,长度 3 . 3~ 4 . 3 m,初始锁 定张拉 力1 2 0~1 5 0 k N; 帮部锚杆为直径 1 8 m m,长度 1 . 7 m的圆钢和玻璃钢锚杆。 根据顶板 岩层 厚度变化情况 ,当层 间距离 大于 2 . 9 m时 ,采 用 “ 锚网索”联合支护 ,锚杆树脂加长锚固,护顶构件为 钢筋托梁或 w 钢带 ;当层间距离介于 2 . 12 . 9 m之间时, 采用 “ 锚网”配工字钢棚辅助支护。通过调整树脂锚固剂 凝 固速度 ,对顶板螺纹钢锚杆进行全 长预应力锚固。 5 矿压监测与支护效果评价 5 . 1 表 面位移 在巷道掘进和工作面 回采期间分别对巷道表面位移进 行监测,判断围岩的稳定性。监测结果显示掘进期间巷 道顶板下沉量为 1 6 ra m,底鼓量 8 mm,顶底移近量为巷道掘 进高度的0 . 6 9 %;左、右两帮移近量分别为 2 2 ram和 8 ram, 两帮移近量为巷道 宽度 的 0 . 6 % 。巷道整体收敛率较小 ,监 测点在距迎头 8 01 0 0 m以后处于稳定。工作面回采期间, 两帮最大移近 1 1 4 m m,煤柱侧帮位移量8 2 mm,为两帮总移 近量 的 7 1 . 9 % ;顶底 板 移 近 1 6 2 mm,其 中底鼓 量 1 4 2 m m, 占顶底板移近量 的 8 7 . 7 % 。在距 工作 面 3 5 m范 围内 ,围岩 变形速度显著增加。回采期间,应对工作面前方 3 5 m范围 内的巷道 围岩 进行 加强 支护 ,确保 回采 安全 。巷 道表 面位 移监测 曲线如 图 2所示 。 3 5 30 25 2 0 1 5 1 O 5 0 0 2 0 4 0 6 0 8 O l 0 0 1 2 0 l 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 距迎头距离/ m a 掘进期问 一l 0 0 8 0 6 0 - 4 0 . 2 0 o 距工作面距离/ m b 回采期间 图 2 巷道表 面位移监 测曲线 5 . 2顶板 离层 顶板离层 监测显 示 ,顶板 浅部 离层 0 . 4 ra m,深部离 层 零 。结合表面位 移监 测结果 判 断 ,巷道顶 板 围岩处 于稳 定 状态 。 5 . 3 锚杆 、锚 索受力 锚杆 、锚索受力监测结果 如图 3所示 显示 锚杆、 锚索初始紧力施加较为合理 ,锚杆集中在 2 0 3 0 k N,个别 顶板 锚杆 初始 预 紧力 达到 3 7 k N;锚 索锁 定预 紧力 在 7 6 8 4 k N之间。在锚杆 索 受力监测过程中,除个别锚杆外, 曩 1 2 0 Z 1 0 0 趔8 O 似6 O 4 0 监测天数/ d a 顶板锚杆受力 0 5 l 0 l 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 45 5 O 5 5 6 0 监测天数I/ d b 】 锚索受力 图 3 锚杆、锚索受力监测 3 9 g眦 / 螂 斟 目 稠陕 m啪啪∞∞舳加。 煤炭工程 2 0 1 5 年第2 期 锚杆 索 受力变化值普遍较小,锚杆、锚索受力比较稳定, 支护参数选取较为合理。 6 结论 1 矿区主采煤层 4煤、9煤和 l 1煤,其中 9煤与 1 1 煤层间距离在 2 。 9~4 . 8 m之间,局部最小层间距离仅有 2 . 1 m。1 1 煤工作面巷道掘进时,上覆 9煤已回采完毕 ,属 近距离煤层采空区下巷道支护。 2 巷道 围岩地质力学测试与可锚性能判断是近距离 煤 层采空 区下巷道采用 锚杆支护 技术 的必 要前提 。1 1 煤 巷道 处于低值地应力场区,顶板岩层结构受上覆煤层采动影响 节理裂隙较为发育,围岩强度变化较大,在施工过程中应 加强锚杆锚固力和预紧力的检测工作,以保证巷道安全。 3 针对近距离煤层采空区下巷道围岩条件,提出及时 主动支护、合理预应力施加与有效扩散、顶板围岩结构强 化、“ 三高一低”及经济合理性等支护原则,并根据顶板层 问距离的不同,分别对支护形式与参数进行区别化设计。 4 井下实践表明,“ 锚网索”联合支护和全长预应力 锚杆支护方式 ,能够有 效控制 近距离 煤层 采空 区下巷道 围 岩的变形与破坏,改变了近距离煤层巷道必须架棚支护的 观念,降低了巷道支护成本和劳动强度 ,实现了巷道安全 、 快速 、高效掘进和工作面顺利 回采。 参考文献 [ 1 ] 林健 ,范明建 ,司林坡 ,等.近距离 采空 区下松 软破碎 煤层巷道锚杆锚索支护技术研究 [ J ] .煤矿开采,2 0 1 0 4 4 5 5 0 ,6 2 . 、 、 、 、 、 上接 第 3 6页 薄至 2 . 0 0 m 赵 固二矿副井 左右 。 3 外层井壁采 用 C 4 0一C 9 0低 温早 强高 性 能混凝 土 , 1 d 、3 d 、7 d的强度分别达到设计标号的 2 0 %、5 0 %、7 0 % 以上 ,可有效解 决以往外 层井壁 混凝 土早期 强度偏 低而 遭 受破坏的问题。 4 内层井壁采用 C 4 0一C 9 0低水化 热防裂密 实高性 能 混凝土 ,有效缓解 了内层井壁 大体积 混凝 土连续 浇筑 的收 缩开裂问题 ,一年后的混凝 土强度可 超过设计 标号 的 1 0 % 以上 ,提高井壁后期 抵抗 破坏 的能力。 3结语 根据赵 固一矿 、泉店风井 、赵固二矿、顺河副风井 、 李粮店主副井等深厚冲积层冻结井施工的实践经验得出, 冻结凿井技术水平和经济效益的提高主要体现在安全、快 速施 的成果上;具有较高的科学性、适用性和透明度的 冻结方案设计为安 全快速施 工奠 定 了基础 ,施 工单位 的严 格组织、机械设备高水平配置、质量保证体系的落实,并 依靠新技术、科学细致的监测与分析,以及冻结与掘砌的 密切配合,可以不断地提高冻结凿井的技术水平 ,并提高 4 0 武文浩 ,刘爱卿 ,李挺 .近距离煤层 采空区下巷 道支护 技术研究 【 J ] .煤炭工程, 2 0 1 3 8 4 4 - 4 6 . H. Ka n g, X. Zh a n g, L S i , e t a 1 . I n s i t u s t r e s s me a s u r e me n t s a n d s t r e s s d i s t ri b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s i n C h i n a [ J ] . E n g i n e e ri n g G e o l o g y ,2 0 1 0 1 l 6 3 3 3 3 4 5 . 康 红普 ,林健 ,张晓.深部矿井 地应力测量 方法研究 与应用 [ J ] .岩石力学与工程学报 ,2 0 0 7,2 6 5 9 2 9 9 3 3 . M T / T 1 L 0 4 - 一2 0 0 9,中华 人 民共 和国煤 炭行 业标 准一煤 巷 锚杆支护技术规范 [ s ] . MT 1 4 6 . 1 2 0 0 2 ,中华人 民共和 国煤 炭行业标 准一 树脂锚 杆、锚固剂 [ s ] . 勾攀峰 ,陈启永 ,张盛 .钻 孑 L 淋水对树 脂锚杆锚 固力 的 影 响分析 [ J ] .煤炭学报 ,2 0 0 4 ,2 9 6 6 8 0 6 8 3 . 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 ,2 0 0 7 . 康红普.煤岩体地质力学原位测试及 在围岩控制 中的应用 [ M] .北京 科学出版社 ,2 0 1 3 . 范明建.浅 埋深 特厚 松散 煤层 巷道 支护 技术 研究 与应 用 [ J ] .煤矿开采 ,2 0 1 3 4 4 54 8 . 范明建 .锚杆预应力与巷道支护效果的关系研 究 [ D] .北 京 煤 炭科学研究 总院,2 0 0 7 . 康红普 ,姜铁 明 ,高 富强.预 应力 在锚 杆 支护 中的作 用 [ J ] .煤炭学报 ,2 0 0 7,3 2 7 6 8 06 8 5 . 刘波 ,韩彦辉.F L A C原理 、实例 与应用指 南 [ M] .北 京 人 民交通出版社 ,2 0 0 5 . 责任编辑郭继圣 井筒施工安全 、质量和速度 ,创造良好的技术经济效益。 参考文献 [ 1 ] 沈季 良.建井工程手册 【 M] .北京煤炭工业 出版社, 1 9 8 6 [ 2 ] 陈文豹 ,汤志斌 .冻结法 施工 [ M] .北 京 煤炭 工业 出版 社 ,1 9 9 3 . [ 3 ] 张世芳 ,李功洲 ,陈文豹 ,等.永夏矿 区深厚 冲积层特殊凿 井技术[ M] .北京 煤炭工业 出版社 ,2 0 0 3 . [ 4 ] 李 功洲 ,陈文 豹.深 厚 冲积 层 冻结 凿 井技 术 问 题 的探 讨 [ c ]/ / 全国矿山学术会议论文选集.徐州中国矿业大学 出版社 ,2 0 0 4 . [ 5 ] 陈文豹 ,李功洲 ,汤志斌.深厚冲积层冻结壁形成规律与工 程预报 [ C]/ / 矿井建设现代技术理论与实践.北京 煤炭 工业 出版社 ,2 0 0 5 . [ 6 ] 陈文豹,李功洲,吴立杨,等.程村矿主副井深厚冲积层冻 结法凿井技 术 [ M J .北京 煤炭工业出版社 ,2 0 0 8 . 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