深部大断面顺槽巷道支护技术探讨.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 7 年第5 期 总第1 4 0 期 深部大断面顺槽巷道支护技术探讨 黄 敏 山西煤炭进 出口集团 左云东古城煤业有限公司 ， 山西 大同0 3 7 1 0 0 摘要在分析埋深和巷宽对深部巷道围岩变形的影响规律后 ， 结合现代 支护理论和高强材料特性 ， 提 出采用高强度 、 高韧性锚网索耦合协调支护工艺来控制深部顺槽大断面巷道 大变形的设想， 对宁东 矿区未来深部开拓巷道的支护工艺提供借鉴意义。 关键词 深部 开采；大断面巷道 ； 巷道 变形；支护工艺 中图分类号 T D 3 2 3 文献标志码 A 文章编号 l 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 7 0 5 0 1 5 4 0 3 Di s c u s s i o n o n t he de e p l a r g e s e c t i o n r o a dwa y r o a dwa y s u pp o r t i n g t e c h no l o g y Hu a ng Mi n S h a n x i C o a l h n I I I ln a l l l t P x p o 1’ t g r o u p Z t my u n 1 o n g Gu t ‘ h e n g C o a l Co ． ． I t d ． ．S h a n x i Da l o n g 0 3 7 1 0 0 Abs t r a c t I l l t h e a md ．v s i s o f ’ b u r i a l d e p t h a l l d wi d t h 0 1 1 t h e i n fl u e n c e l a w o f f l e e p r o a d wa y S i l l r o u n d i n g r o c k d e fi r ma t i o n ， c o mb i n e d wi t h mo d e r n s u p p o r t l h e o D a n d h i g h s t r e n g t h n ml e r i a l p r o p e r ti e s ． t h e h i g h s t r e n g t h ． h i g h t o u g h n e s s o f h o h me s h c a b l e c o u p l i n g s u p p o r l t e ’ h n o l o g y I l r o n t r o l l }】 e l ’ gr o o v e a h mg I h e i d e a o f l a r g e 1 e f o r mal i o n o f r o a d wa y ．n o t t 『 1 t he d e e p d e v e h pme n t o f r e f o r m r , a dwa y s u pp o r t t e e h n ol o g y“ 1 f i r m i d e r e e r e n e e． Ke y wo r d s 1 e e p l a l’g e mi n i n g h P i g h t e r o s s h e a d i n g l’o a d wa ．s r h e l a r g e s t r e s s T h e d e f o r ma t i o n o f r o a d w a y S u p p o r l p r o c e s s 宁 东矿 区作为同家规划建设的 l 4个亿 吨煤 炭 地之一 ， 矿 区 6 ． 0 m大采高开采一 艺较 为成熟 当 前 ，一 部 分 矿 井 采 区 ] 作 面 平 均 埋 深 已 进 入 4 8 l ～ 5 1 3 m，准 备中的新采 区T作 面埋深将 令部在 5 0 0 m 以 卜．后续的采区的 I 作而埋深 可能在 7 0 0 m 至更大 一然而 ， 深部开采往往会伴随许 多岩石 物 理 、 力学问题 ． 其巷道支护 T程将 丽临诸 多困难。宁 尔矿区羊肠矿是较 筹建的千万吨绿色 、安全 、 高 效示范 矿井 ．目前正在 回采 Yl 2 0 2 0 3和 Y1 2 0 2 0 6 r 作而 ， 仔在顺槽超前压 力大 、 巷道变形严重 ． 2次 至 3次支护成本骤然增大 ， 采区边 界顺槽顶板 下 沉速度大等问题 。文章将 以羊肠湾矿为研究 背景 ， 在 分析深部开采面临 问题的基础上 。 结合 国内外 深 部巷道 支护一 l 程案例 ， 提 相应的支护模式 。 l 深部 大断面 巷道变形 影响 因素 随 着羊肠湾矿外1 - 作面不断搬 家至深部煤 层 ， 深部巷道同岩 往往会 出现大变形 或强流变 、 强矿 爪等现象 ， 巷道围岩一 1 程问题更 为复杂 。巷道在 高 啦 力与开采扰动作用下 ， 维护难度 更加 困难 。影 响 深部大断而巷道 因素较多 ， 本文取埋深 和断 面宽 度 闪素进行数值试验分析 、 I ． 1 埋深对巷道变形的影响 罔 l为不 同埋 深下巷道 围岩 变形程度计 算统 汁南 可矢 “ ． 随着巷道埋深 南 2 0 0 m增加到 9 0 0 m． 其 顶底板 变形 、 巷帮移近 量均不断增加 ； 巷道埋深 l S 4 较浅时 ，围岩 各项 变形增 幅相 比埋深较大时缓慢 ， 当埋深 “ 1 2 0 0 m增加到 4 0 0 m时 ， 顶 、 底板变量及 巷 帮移近量平均增幅相对较小 ； 巷道埋深从 4 0 0 mm增 加到 9 0 0 mm时 ， 三量增幅 几乎成倍增加。 可 见， 随着 巷道布置于煤层深部 ， 维护难度显著增大。 图 2 a ～ t 1 为埋深对巷道 同岩拉 、 剪破坏计算结 果j由图 可知 ， 随着埋深不断加深 ， 巷道周边及深部 拉破坏 区域面积显著增大 ． 当埋深在 4 0 0 m以下时 ， 巷道周边一定深度 范围内拉破坏 区域面积大一些 ， 巷道埋深越深 ， 周边 区域越容易受剪切破坏 。 ■ T 扳变形 增幅 日 底板 变形增 幅 ■巷帮变形增幅 l - _ 黧 l 图 1 埋 深对巷道 围岩 变形影 响程度统计 a 2 0 0 m h 4 0 0 m ‘ 6 0 0 m d 9 0 0 m 图 2 不 同埋 深巷道 围岩 破坏特征 幅 l昌 0 O ． 0 ． 0 0 苦0I、 Ⅱ ， 馨罄棼 煤矿 现代化 2 0 1 7 年第5 期 总第1 4 0 期 1 ． 2 巷宽对围岩变形的影响 图 3不 同巷道宽 度下 的围岩变形 程度 计算结 果统计。由图可知 ， 巷道断面从 3 m扩宽至 6 ． 5 m时 ， 顶板下沉和两帮移近影响较底板大 ；当巷宽在 3 m 至 4 ． 5 m范围时 ， 围岩变形增幅较平缓 ， 当巷宽超过 4 ． 5 m后 可以视为裸巷临界巷宽 ， 特别是顶板 和两 帮变形增 幅突然增大 ， 受巷宽影响较显著。 a 围岩表面位移统计； b 巷帮水平位移统计 图3 断面宽度对围岩变形的影响 2 深部大断面巷道支护机理分析 根据 弹塑性理论 ， 巷 道掘 出后 ， 开挖 面周边 一 定深 度 围岩会立 即 向空 间及 自由面释放瞬 时弹性 能并伴随弹性和塑性位移 ， 这种现象称为“ 空间效 应” 。对于一般岩石来讲， 深部围岩较浅部围岩的流 变性 延展性更好 ， “ 空 间效应 ”后 的塑性变 形能更 大 ， 一般锚杆 索 让压 变形小 ， 不 能满足大变 形需 要， 易造成后期支护效果提前失效。因此， 在掘进支 护 中尽量实行柔性让压 ， 以“ 支 为主 ， 让为辅 ， 及时 支护 ， 耦合协调” ， 选择高强高延伸率锚杆 ， 使锚杆 达 到及 时主动支护 ， 并 确定二次支 护时 间 ， 实现锚 网索“ 支护 一围岩” 体系的耦合协调 目的。 羊场湾煤 矿 1 2采 区辅顺槽平 均埋深 4 5 0 m左 右 ， 三心拱形断 面 ， 掘宽 5 8 4 0 m m， 掘高 4 3 8 7 m m， 采 用锚网喷锚索联合支护。顶部锚杆必须紧跟迎头 ， 防止漏 冒或塌顶 ， 墙部锚杆在后巷滞后迎头 1 l m左 右。二次支护时间及强度决定 了锚 网索是否能在应 力协调与结构上实现与锚 一岩耦合 ，根据现场经 验， 锚索张拉时间一般滞后迎头 2 0 ～ 3 0 m， 二次支护 强度要合理 ， 若锚索强度小于锚网支护强度 ， 则锚 网支护承担了大部分重力载荷， 若锚索强度大于锚 网支 护强度 ， 则 容易造成 锚索尾部应力 集 中 ， 现 场 张拉预紧力应在 1 3 0 ～ 2 0 0 k N为好。 3 深部巷道支护系统与材料分析 深部开采最普遍的现象就是巷道围岩易从脆 性 向延性转变 ， 普通锚 网索联合支护已不适 应深部 环境 。根据现场施工情况来看 ， 1 2采区顺槽巷道支 护材料需具有 更高 的强度与韧 性 ，从 而适 应 高应 力 、 高延性 的特点 ， 支护应 大幅度提高 围岩初期 和 后期支护强度与刚度 。因此 ， 支护原则 因遵从“ 高强 支护” 原则， 支护方式尽可能以“ 让压耦合” 为主线。 3 ． 1 锚杆支护系统选择 3 ． 1 ． 1锚杆 的选择 当前 ，羊场湾煤矿巷道锚杆主要有 2种类 型 或 左 旋无纵 肋螺纹 钢锚杆 ，杆体 屈服 强度 为 4 0 0 6 0 0 M P a ， 破断力为 2 0 0 3 0 0 k N ， 锚索为 钢绞线 7 根 。 但在实践中都已不能满足要求， 如 l 3 采区边 界 回风顺槽顶局 部 已出现剧 烈下沉 、 掉包 、 钢筋 网 被拉扯等现象 。锚杆杆体是锚杆支护材料 中最重要 的部 分 ， 杆体材料 经历 了低强 度 、 高强 度到高预应 力 、强 力支 护 的发 展 过程 。 目前 ，我 国 开发 的 HR B 5 0 0和 HR B 6 0 0高屈服强度锚杆 ，具有公称 直 径 大 ， 抗 拉载荷高 ， 延 伸率好 的特点 。配合强力托 板、 螺母， 在一些深部矿井中的支护效果十分显著。 3 ． 1 ． 2 钢 带的选择 钢带 或 钢筋梯梁 的前期作用 主要表 现在增 大锚杆索支护面积 ， 支护 防止顶板破碎 的小岩块掉 落 ， 保持围岩的完整性， 与网的作用相似。当锚杆 索 预 紧力或 自身强度较高时 ， 后期 的作 用会有助 于锚杆预紧力的扩散和对巷道表面提供支护反力 ， 抑制浅部岩层离层 ， 保持 围岩的完整性 。 宁东矿 区羊场湾煤矿井下钢带 的主要缺点是 钢带较 薄 、 巷 道顶板 压力大 时 ， 出现托板 压入或压 穿钢带 ， Y1 2 0 2 0 5工作面切眼顶板下沉 ， 已显示 出钢 带材料选择方面的不足。因此 ， 为 了与强力锚杆 匹 配 ， 可采用 强力钢带 ， 适 当加 大钢带厚 度使钢带 的 拉 断载荷达到 5 0 0 k N以上或者在 不改变钢 带尺寸 的情况下 ， 选用抗拉强度更高的钢材 。 3 ． 2 锚索支护系统选择 目前 ， 羊场湾煤矿采用的锚索主要 由 7根钢绞 线组成， 直径 1 7 ． 8 m m， 拉断载荷为 3 5 3 k N 。 锚索作为 二次加强 支护 ， 由于其锚 固深度 或厚度 大 ， 可施 加高预紧力， 能够充分调动深、 浅位岩层结构， 使顶 板深部稳 定岩层 承担 了锚 杆支护 范围 的岩层 荷载 及变形压力 ， 起到高位组合梁作用 。为此 ， 羊肠湾矿 可采用大直径、 高吨位的强力锚索， 提高破断力， 另 一 方面 ，采 用新 型的 1 9根钢丝代 替原来 的 7根钢 丝 ， 增加了索体的柔性和延伸率 ， 可有利保障巷道 围岩整体性 ， 控制深部 围岩大变形 。 下转第 1 5 8页 1 5 5 煤矿现 代化 2 0 1 7 年第5 期 总第1 4 0 期 位于同一个平面上 ， 气缸 推杆 只对刹 车连杆产生推 力而不产 生位移形变。不会造成 闸瓦偏 离对轮 ， 提 高了机车刹车装置的性能。 4 改进后的撒砂装置， 通过撒砂阀控制下砂 量及出砂速度， 动作阀来回动作而起到搅拌器的作 用从 而排砂 ， 加装 的滤网可将砂 中杂物及 较大 的颗 粒过滤 ， 保证砂粒均匀。与原设计相比， 出砂率有了 6 很大的提高， 故障率明显的下降。 l 一控制手 柄 ； 2一拔 又； 3一砂 箱 ； 4一细长连杆 ； 5一滑块 ； 6一回复弹簧 图 7 改造后的撒砂机构运动简图 4 效果 评价 1 机械 刹 车装 置结构 改进后 ， 机车 的刹 车装 置灵敏度大 大提高 ，机 车的制动距 离明显缩短 ， 行 车安全有了可靠 的保障 。 2 固定蓄 电池 的组 件改进 后 ， 活 动插孔 板结 实且无焊缝 ， 防脱落性 能好 ， 安全性 、 实用性好 。 3 刹 车气 缸的安装 位置改进 后 ， 脚 踏气 阀有 了防护罩保护， 不再砸坏 ； 气缸的推杆与刹车连杆 5 结 论 通过 以上对 C D X T 一 5型隔爆型蓄电池 电瓶车 的 设计缺陷大胆的加以技术改进后， 使得 C D X T 一 5型 隔爆型蓄 电池 电瓶车 的性 能较 过去有 了显著提高 。 使之能够更好的为矿井安全生产服务。 作者简介 刘 尚星 1 9 7 6 一 ， 男， 山东鱼 台人 ， 工程 师 ， 山 东科技 大 学 采矿工程本科学历， 兖州煤业股份有限公司南屯煤矿综掘二 区， 从事掘进施工技术与管理工作。 收 稿 日期 2 0 l 7 1 4 上接 第 1 5 5页 4结论 在分析 深部巷道围岩变形影响因素 的基 础上 ， 结合支护理论和高强材料特性 ，提 出采用 高强度 、 高韧 性支护 材料来控 制深部顺 槽巷 道大变 形 的设 想 。高强锚杆支护除 了具有传统锚杆悬 吊作 用外 ， 具有抑 制顶板锚 固 区顶 板离层 、 滑动 、 裂 隙张开 等 扩 容变形 ， 提 高组 合梁结 构稳定 性 ， 防止 高水平 应 力导致的结构拉伸与剪切变形 ，可施加高预应力 ， 使 围岩处 于受 压状态 ； 高强锚索除 了可提供 高位承 载层 的作用外 ， 施加 的高预紧力与锚杆形成 的压 应 力区组合成骨架网状结构 ， 使锚杆支护形成的组合 压缩梁进一步加强 ，同时改善顶板深部受 力条件 ， 使顶板离层得到有效控制。所以， 高强锚网索耦合 协调支护是解决羊场湾煤矿未来深部开采支护困 难有效 的技术工艺 。 参考文献 【 1 J郭保 华 ， 涂 敏． 浅谈我 国大采 高综 采技 术[ J 】 ， 中国矿 业 大 学学报， 2 0 0 3 1 0 4 0 4 1 ． [ 2 】何满潮． 深部开采工程岩石力学的现状及其展望[ A 1 ． 中国 。 l 5 8 岩石力学与工程学会编．第八次全国岩石力学与工程学 术 大会 论文集【 C 】 ． 北 京 科 学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 8 8 9 4 ． 【 3 1陆士 良， 汤 雷 ， 杨新安 ． 锚 杆锚 固力与锚 固技 术【 MJ ． 北京 煤炭 工业 出版社 。 2 0 0 0 1 ． 3 ． 【 4 】蔡美峰 ， 何满朝 ， 刘冬燕． 岩石力学与- -v - ff [ M1 ． 北京 科学 出版 社 ． 2 0 0 2 ． 【 5 J何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学研 究⋯． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5， 2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． [ 6 l钱鸣高， 石平五． 矿 山压力与岩层控制[ M】 ． 徐 州 中国矿业 大学 出版社 ， 2 o 3 ． [ 7 】何满潮， 袁和生， 靖洪文， 等． 中国煤矿锚杆支护理论与实 践 ] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 4 ． 『 8 l 谢 和平． 深部 高应力 下的资 源开 采 一现 状 、 基础科 学问题 与展望【 A 】 ． 香山科 学会议编． 科 学前 沿与未来 第六集 [ c 】 ． 北京 中国环境科学出版社 ， 2 0 0 2 ． 1 7 9 1 9 1 ． 作者简介 黄敏 1 9 9 0 一 ， 男 ， 山西大 同 ， 2 0 1 3年 毕业 于 中 国矿 业 大 学采矿工程专业 ， 助理工程师， 现从事采煤工程。 收稿 日期 2 0 1 7 3 1 2