南屯煤矿深部沿空巷道耦合支护技术(1).pdf

第2 7卷第 5 期 、 ， 0 1 ． 2 7 No ． 5 辽宁工程技术大学学报 自 然科学版 J o u r n a l o f Li a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 0 8年 1 0月 0c t ． 2 0 0 8 文章编号1 0 0 8 0 5 6 2 2 0 0 8 0 5 ． 0 6 8 3 - 0 3 南屯煤矿深部沿空巷道耦合支护技术 李伟 ，冯增强 1 ． 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 兖矿集团公司 南屯煤矿，山东 邹城2 7 3 5 0 0 摘要 通过研究， 确定了南屯煤矿九采区 9 3 r 0 2综放工作面沿空回采巷道围岩为高应力节理化复合型 HJ 型 软岩，根据巷道围岩变形力学机制及其转化对策，确定了锚网索耦合支护设计方案，即采用破底板掘进和超前支 护优化围岩结构，采用直墙圆拱形巷道断面优化围岩受力状态，锚杆为直径 2 2 mn ] ，长 2 5 0 0 n l l ／ 1 的螺纹钢锚杆， 间排距 8 0 0 mm x 5 0 0 m i l l ，配合钢筋网及复合托盘，锚索长度为 6 8 0 0 ml n ，排距 2 0 0 0 mm。工程应用表明，巷 道掘进期间围岩基本没有变形，工作面回采期间，顶底板变形量累计 4 5 6 mm，两帮相对移近量累计 5 1 8 mm， 能够实现深部松软厚煤层沿空巷道围岩稳定性的有效控制，为工作面的安全高效生产创造了条件。 关键词深部开采；沿空巷道；耦合支护 中图分类号T D 3 5 0 ． 1 文献标识码A Co u p l i n g s u p p o r t t e c h n o l o g y f o r g o b s i d e e n t r y a t d e p t h 一⋯ 一l e“一 一一 i n Na n t u n Co a l M i n e LI W e i ． FENG Ze n g q i a n g 1 ． S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． N a n t u n Co a l Mi n e ， Ya n z h o u Co a l Mi n i n g Gr o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， Z o u c h e n g 2 7 3 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e s u r r o u n d i n g r o c k o f t h e g o b s i d e e n t r y o f 9 3 u p 0 2 c o a l mi n i n g f a c e a t Na n t u n Co a l M i n e a p p e a r s t o b e h i g h s t r e s s e d j o i n t c o m p l e x s o f t r o c k ． B a s e d o n the mu l t i p l e d e f o r ma t i o n me c h a n i c s me c h ani s m a n d tr ans f o r mi n g c o un t e r me a s u r e o f t h e s u rro u n di ng r o c k ， the de s i g n o f bo l t me s h an c h o r c o u pl i n g s up p o r t i s s ug g e s t e d i n t he p a p e r ． I t i s t o s a y t h a t f o r e p o l i n g s u p p orti n g an d flo o r - d i nt i n g a r e us e d t o r e i n f o r c e s u r r o u n d i n g r oc k s t r u c t ur e ， a n d v e rti c a l wa l l s e mi c i r c u l ar a r c h t y p e o f r o a d wa y are u s e d t o o p t i mi z e t h e s t r e s s s t a t e o f s u r r o u n d i n g r o c k． De t a i l e d l y , the bo l t s p ara me t e r s a r e t wi s t e d s t e e l b o l t s o f 2 2 mi i l i n d i am e t e r , 2 5 0 0 mm i n l e n g th， 8 0 0 x 5 O O mm o f s e p ara t i o n - a r r a y p i t c h and fi t b a r - ma t r e i n f o r c e me n t a n d c o mp o u n d p a l l e t ． T h e anc h o r p a r a me t e r s a r e 6 8 0 0 mm i n l e n g th， 2 0 0 0 mm i n a r r a y pi t c h． The e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n r e s ul t s s h o w t ha t a l i Ul e d e f o r m a t i o n o c c u r r e d i n pe rio d o f t un n e l i n g， a n d 45 6 mm di s pl a c e me n t o f r o o f - t o flo o r a n d 5 1 8 mm di s pl a c e me n t o f t wo wa l l s o c c u r r e d i n p e rio d o f mi n i n g， wh i c h i n d i c a t e s tha t the t e c h n o l o gy c a n c on t r o l the d e f o rm a t i o n of t h e go b s i d e e n t r y． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； g o b s i d e e n t ry； c o u p l i n g s u p p o r t 1 工程地质条件 九采区9 3 0 2 综放工作面上部回采巷道为南屯煤 矿第一个深部松软煤层条件下的沿空巷道。该巷道 工程最大埋深达 7 2 0 m， 布置于 3煤层中， 工作面沿 空回采巷道与 9 3 0 1综放工作面采空区相邻，其间采 用留设小煤柱的方法掘巷，巷道断面为宽 4 ． 2 m，高 收稿 日期 基金项 目 作者简介 2 o 0 7 ． O 2 ． 1 5 教育部新世纪优秀人才项 目资助 N c 日 7 _ o 8 0 0 李伟 1 9 6 6 ． 男，山东 济南人，博士研究牛， 獭，主要从 3 m。 煤层厚 4 ． 5 5 ． 8 m， 为上软中碎下硬的三元结构， 上部煤层厚为 2 ． 7 3 ． 0 m，中部约为 1 ． 0 m，下部为 0 ． 8 1 ． 8 m，煤层走向倾角为 1 0 。左右，倾 向倾角为 l 5 。左右。 为使巷道避开上部破碎煤体， 将巷道破 3 煤层底板砂岩掘进。巷道直接项为泥质粉砂岩，老 顶为粉细砂岩互层，之上依次为泥岩、中砂岩等岩 层 ；直接底为泥质粉砂岩 ，之下的底板岩层依次为 E ． ma i l j s k f a w1 2 6 ．c o rn。本文编校赵娜 6 8 4 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 第 2 7 卷 粉细砂岩互层、3 煤层、中细砂岩互层 以及粉细砂岩 互层等岩层，具体地层结构如图 1 。 2 变形力学机制及其支护对策 2 ． 1 变形力学机制确定 1 工程软岩类型 通过试验巷道围岩的微观试验及现场调查研 究，获得南屯煤矿 9采区煤层巷道 围岩节理裂隙发 育，属于碎裂结构岩体；该巷道埋深为 4 7 0 ～ 7 2 0 m， 白重应力为 1 1 ． 7 5 ～ 1 8 MP a ，巷道最大工程应力为 1 8 ． 8 ～ 2 8 ． 8 MP a 。根据临界深度确定方法⋯，结合现 场破坏特征观察，巷道围岩临界深度约为 4 0 0 m， 因此，该区已进入深部高应力软化状态。同时，由 于该区煤层 的上软中碎下硬的三元结构，巷道沿煤 层底板掘进 不破底 时，巷道上部处于 3上 煤层 的上部松软破碎结构煤体 中，极易冒项、折帮，巷 道的成型及支护十分困难 。据此，确认该工程岩体 为高应力、节理化复合型 H J型软岩 。 的复合型变形机制 。 2 ． 2 耦合支护对策 根据前述分析，采用深部软岩巷道锚 网索耦合 支护设计方法【 3 】 ， 结合深部松软厚煤层沿空掘巷 的 技术关键 ， 运用合理的转化技术， 将 9 3上 0 2沿空回 采巷道的复合型变形力学机制向单一型转化 ，具体 转化技术及过程如图 2 【 2 】 。其 中 阳 r - i 二 踟 3 耦合支护参数设计 通过对试验巷道围岩变形力学机制 、支护对策 分析研究，确定 9 3 0 2沿空回采巷道均采用 “ 锚杆 豳块 裂结 构煤 体 钢筋网锚索 ”耦合支护 。为便于施工组织，在 一碎 裂结 构 煤体 满足最大支护荷载要求的情况下 ，采用对称支护形 _松散结 构 煤体 式 。设计支护断面如图 3 。 图 1 巷道岩层结构 F i g ． 1 s t r a t a c o n s t r u c t i o n o f g a t e wa y l 8 6 5 0 0 m m锚索 2 变形力学机制 室 内试验及现场 调查表 明巷道 围岩节理裂隙 发育，属于节理化软岩，其膨胀性主要是以扩容机 制为主。开挖及支护过程中表现出随深度增加，围 岩变形破坏变得越来越严重，且破坏的方向性不明 显，说明重力机制起作用。 9 3 0 2沿空回采巷道 围岩在掘进之前就已受动 压影响和超前支承压影响，并与相邻工作面造成的 侧向支承压力产生叠加应力场，使巷道围岩变形量 急剧加大 ，维护极为困难 。因此 ，工程开挖引起的 偏应力，并产生应力集 中，是深部软岩巷道变形破 坏的重要原因之一。 根据上述分析，结合软岩工程力学理论[2 ] ，可 得 9 3 0 2沿空回采巷道围岩的复合型软岩变形力学 机制具体为具有胶体和微裂隙膨胀 I B c 、重力 和工程偏应力扩容变形 I I B D 和层理倾 向型 I I I c c 高强锚杆＼ q 2 2 ． 2 5 0 0mm 高 2 2 2 2 0 0l 高强锚杆 { 硝 { 程 口 、 兰 2 5 0 0 m 4甍 杆 ＼ ‘＼ 溶 一 刿 搀 钢筋网 m m 稿 q 2 22 2 0 0IT II T I 高强锚杆 图 3 巷道锚网索耦合支护设计断面 1 F i g _ 3 b o l t - n e t a n c h o r c o u p l i n g s u p p o r t d e s i g n o f t h e g a t e wa y 4 应用效果分析 通过 9 3 0 2沿空回采巷道掘进期间的巷道表面 位移监测 曲线分析表 明 图 4 ，一般在掘进工作面 正常掘进 3 d 距掘进工作面后方 2 5 m处施加锚 第 5 期 李伟，等南屯煤矿深部松软煤层沿空巷道耦合支护技术 6 8 5 索二次耦合支护后，巷道 围岩变形基本得到控制 ， 并趋于稳定。 趟 距迎头距离， m 图4 掘进期间巷道围岩表面位移一距离曲线阍 F i g ． 4 d i s p l a c e me n t d i s t a n c e c u r v e s o f t h e g a t e wa y d u r i n g the d riv i n g t e r m 童 O 距 工作 面距 离， m 图5 回采期间巷道围岩位移变化曲线[ 8 】 F i g ．5 d i s p l a c e me n t c u r v e o f g a t e wa y s u r r o u n d i n g r o c k d u r i n gmi n i n g 通过工作面回采期间巷道变形监测数据分析 表 明 图 5 ， 工作面回采动压超前影响范围在 7 0 ～ 8 O m左右，剧烈影响范围 3 0 m；巷道顶底板变形量最 大为 4 5 6 mm，两帮相对移近量最大为 5 1 8 mm；巷 道两帮的移近速度大于项底板 的移近速度 ，最大值 发生在距工作面 1 0 m 范围。巷道变形在允许变形 范围之 内，不影响巷道在回采期间的正常使用。 矿压监测结果综合分析表明，采用锚网索耦合 支护技术能够实现九采区深部松软厚煤层沿空巷 道 围岩稳定性的有效控制，为工作面的安全高效生 产创造了条件 。 参考文献 【 1 】何 满潮． 深部的概念 体系及 工程 评价指标 【 J 】 ． 岩石 力学与工程学 报，2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 5 4 2 8 5 8 ． 【 2 】何满潮， 景海河，孙晓明． 软岩工程力学[ MI ． 北京 科学出版社， 2 0 0 2 ． 【 3 ]孙晓明． 煤矿软岩巷道耦合支护理论研究及其设计系统开发【 D] ． 北京 中国矿业大学 北京校区， 2 0 0 2 ． 【 4 】孙晓明， 何满潮， 杨晓杰． 深部软岩巷道锚网索耦合支护非线性设计方 法研究【 J 】 ． 岩土力学， 2 0 0 6 ， 2 7 7 1 0 6 1 ． 1 0 6 5 ． 【 5 ]孙晓明， 何满潮．深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究[ J J ． 中国矿 业大学学报， 2 0 0 5 ， 3 4 2 1 6 6 ． 1 6 9 ． 【 6 】孙晓明，杨军， 曹伍富． 深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律 研究[ J ] 岩 石力学与工程学报，2 0 0 7 ，2 6 5 8 9 5 - 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