鄭金平

(長治三元中能煤業(yè)有限公司,山西 長治 046600)

厚煤層一次采全高回采巷道支護設計優(yōu)化

鄭金平

(長治三元中能煤業(yè)有限公司,山西 長治 046600)

通過采用地應力測試、鉆孔窺視等手段,基于支護-圍巖相互作用關系理論分析,對三元中能煤業(yè)回采巷道支護方式提出優(yōu)化方案。實踐證明優(yōu)化后的支護設計參數能有效的控制巷道圍巖移動,減小巷道變形量,具有明顯的支護效果和經濟效益。

回采巷道;設計優(yōu)化;地應力測試;圍巖控制

厚煤層回采巷道大部分布置于煤層底板,由于煤層的力學參數和巖石的力學參數有較大差別,以及煤巖層之間的層間力的影響,煤層沿頂板掘進和沿底板掘進有較大的差別。選擇回采巷道掘進布置方式,不僅要考慮巷道圍巖的自身穩(wěn)定性,還要考慮整個采場礦山壓力對巷道底板或頂板的影響,所以需綜合考慮各方面的因素[1-2]。

根據三元中能煤業(yè)的工程地質情況及礦壓資料分析,運用支護-圍巖的相互作用原理,對其支護設計進行優(yōu)化分析。工作面開采煤層為下二迭統(tǒng)山西組下部的3#煤層,煤層賦存穩(wěn)定,煤層傾角-8°～10°,煤層平均厚度5.08 m。距煤層底板約0.6 m夾一層平均0.28 m泥巖或炭質泥巖,煤層直接頂為砂質泥巖、泥巖、局部為粉砂巖,平均厚度2.97 m;基本頂為中-細粒砂巖,平均厚度5.86 m;直接底為泥巖、砂質泥巖,平均厚度0.7 m;基本底為細粒砂巖,平均厚度3.36 m。礦井二采區(qū)全部為一次性采全高大采高工作面,原有回采巷道均沿底板布置,支護方式為錨網索支護。

1 地質力學評價測試

1.1測試方法

小孔徑、單孔、多參數耦合地質力學原位快速測試方法,針對煤礦沉積巖強度低、破碎、應力高等特點及井下特殊環(huán)境,研發(fā)原位測試方法與儀器,實現準確、快速測量。地應力——小孔徑水壓致裂法,煤巖體強度——鉆孔觸探法,圍巖結構——鉆孔觀測法。

1.2配套測試儀器

1)SYY-56型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置。該裝置鉆孔直徑56 mm,測量深度30 m,水壓40 MPa。地應力測量裝置由封隔器、印模器、定向儀、儲能器、高壓泵、數據采集儀等組成。

2)WQCZ-56型小孔徑煤巖體強度測定裝置。煤巖體強度測定裝置采用鉆孔直徑56 mm,測量深度可達30 m。裝置主要由探頭、探針位移指示儀、安裝桿、高壓手動泵組成。

3)KDBC-56型數字全景鉆孔窺視儀。采用數字全景技術,解決了鉆孔結構參數定量測量的難題。裂縫分辨率0.1 mm,可提供平面展開圖及虛擬鉆孔巖芯柱面圖。

1.3測量結果分析

布置3個測點對地應力及煤巖體強度進行測量,測量結果顯示:最大水平主應力值為10.63 MPa,方向北偏東41.8°;最小水平主應力值為5.78 MPa,垂直應力為8.81 MPa。區(qū)域應力場以構造應力場為主,測試段埋深約為352.4 m。地應力屬于中等偏低應力值區(qū)域,水平主應力有隨埋深增加而增大的趨勢,井下地應力場類型σH>σv>σh型應力場,最大水平主應力NNE方向,具有一致性。

地應力測試結束后,在地應力測孔中利用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對巷道頂板以上及煤幫10 m范圍內的巖體進行了原位強度測試,測試數據經過統(tǒng)計、分析和換算后,得到中能煤礦頂板和巷幫圍巖強度分布情況,巷道煤幫強度測試結果,見圖1,頂板巖層強度測試結果,見圖2。

圖1 巷道煤幫強度測試結果Fig.1 Strength test of coal wall in roadway

圖2 頂板巖層強度測試結果Fig.2 Strength test of coal roof in roadway

總結得出:煤層頂板10 m范圍內與支護直接相關的主要為泥質砂巖、砂巖和泥巖。3#煤強度主要集中在10 MPa～15 MPa,泥質砂巖強度主要集中45 MPa～55 MPa左右,砂巖強度主要集中在50 MPa～60 MPa左右。

2 支護-圍巖相互作用關系理論分析

回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制需要考慮圍巖力學性質,掘進方式以及回采工藝和支護方式等。對于回采巷道,由于受采動影響較大,穩(wěn)定性控制顯得尤為重要[3-4]。工程實踐表明,巷道圍巖支護過程中,必須要考慮支護-圍巖的相互作用,這是由于巷道圍巖在不同的變形和應力情況下,其圍巖的承載能力是變化較大的[5]。

對于采場對回采巷道頂板和底板影響沒有較大差異特征的情況下,回采巷道的掘進布置方式,即沿著頂板掘進或者沿著底板掘進的選擇,主要要考慮巷道圍巖支護和圍巖相互作用是否合適[6-7]。

目前公認的支護-圍巖共同作用原理理論為巷道圍巖在強度破壞之前其位移與支護力成反變關系。

(1)

式中:a為圓形巷道半徑,m;φ為圍巖內摩擦角,°;G為圍巖剪切彈模,GPa;γH為原巖應力,MPa;C為圍巖內聚力,MPa;P為支護強度,MPa。

回采巷道受巷道布置、巖性選擇、掘進、回采方面的局限和影響,其圍巖變形途徑為彈塑性、破裂、破碎、松動過程。將地質力學測試結果代入公式1計算可知,現有的支護方式雖然對圍巖變形起到了控制作用,但由于支護強度低,密度大,巷道仍然存在較大變形。由于沿底板掘進時,巷道頂板為頂煤,頂煤體強度僅為頂板強度的1/5,其效果遠不如沿頂板掘進。

3 回采巷道支護設計優(yōu)化

3.1原有支護方式

原有的巷道支護方式為矩形斷面,沿煤層底板掘進,掘進寬度5.5 m,高度4.0 m,掘進斷面22 m2,斷面支護方式:錨網索+鋼帶聯合支護。具體參數如下:

頂錨桿采用Φ20 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×500 mm;幫錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×1 000 mm;頂錨索采用Φ18.9 mm×9 000 mm鋼絞線,間排距1 500 mm×1 000 mm;幫錨索采用Φ18.9 mm×5 300 mm鋼絞線,間排距1 500 mm×2 000 mm;金屬網為頂網規(guī)格5 000 mm×1 200 mm,幫網規(guī)格4 000 mm×1 200 mm;頂板鋼帶規(guī)格Φ16-5 000 mm鋼帶,幫鋼帶規(guī)格Φ14-3 100 mm鋼帶。

3.2巷道支護優(yōu)化方案

1)巷道布置方式優(yōu)化。巷道沿煤層底板掘進時,巷道上部會遺留1.08 m左右的頂煤,掘進過程中,頂板不好控制,支護完成后,巷道容易出現墜包,巷道圍巖位移較大?，F將沿底板掘進改為沿煤層頂板掘進,底部留下1.08 m左右的底煤。

2)錨固體材料優(yōu)化。提高錨桿強度,將原先使用的Φ20 mm×2 400 mm錨桿更換成Φ22 mm×2 400 mm錨桿,并將錨桿托板規(guī)格由120 mm×120 mm×10 mm增大為150 mm×150 mm×10 mm;改變錨索托板型號,將原先的260 mm×260 mm×20 mm平鋼板更換成300 mm×300 mm×14 mm球型托板。

3)支護強度優(yōu)化。原有支護中,錨桿直徑采用Φ20 mm,幫部最上和最下的錨桿要求傾斜15°打設,錨桿預緊力矩≥170 N·m,錨桿錨固力≥100 kN,錨索錨固力≥150 kN;優(yōu)化支護后錨桿采用Φ22 mm,錨桿、錨索全部垂直于巖面打設,錨桿預緊力矩要達到300 N·m以上;錨索初始張拉力250 kN,損失后不低于200 kN。

3.3優(yōu)化后支護方式

優(yōu)化支護后順槽為矩形斷面,沿煤層頂板掘進,掘進寬度5.5 m,高度4.0 m,掘進斷面22 m2,斷面支護方式:錨網索+鋼帶聯合支護。

1)錨桿均采用Φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿,錨桿托板為150 mm×150 mm×10 mm鋼板,配套阻尼帽、調心球墊及尼龍墊圈。頂錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm,每排6根。幫錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,每排5根。

2)頂錨索采用Φ18.9 mm×7 000 mm鋼絞線,間排距2 000 mm×2 000 mm,每排2根,采用“三花”布置,錨索不能打設在鋼帶上,錨索托板為300 mm×300 mm×14 mm高強度可調心托板。幫錨索采用Φ18.9 mm×5 300 mm鋼絞線,間排距1 800 mm×2 000 mm,每排2根。

3)采用金屬網片,頂網規(guī)格6 000 mm×1 100 mm,幫網規(guī)格2 900 mm×1 100 mm,網格50 mm×50 mm,要求網片搭接寬度不小于100 mm。采用16#鉛絲連網,雙絲雙扣、孔孔相連、鎖邊成線。

4)采用鋼帶,頂鋼帶規(guī)格Φ16 mm×5 000 mm鋼帶,幫鋼帶采用Φ16 mm×2 900 mm鋼帶。

4 支護方式優(yōu)化效果評價

巷道變形得到有效控制,支護效果明顯提高。為了檢驗支護效果,采用表面位移、頂板離層儀、錨桿(索)受力、巷道破壞狀況統(tǒng)計等方法對巷道頂底板、兩幫相對移近量、頂板下沉量、錨固區(qū)內外頂板巖層位移量、錨桿(索)受力特征、巷道圍巖破壞位置和程度進行了詳細觀測。觀測結論如下:

1)舊支護方案錨桿、錨索受力加大,斷裂現象較多,兩幫及頂板收縮達到500 mm;新支護方案錨桿受力均在設計錨桿屈服載荷的30%～60%之間,受力區(qū)間為38.1 kN ～76.2 kN,桿體無屈服破斷危險。通過連續(xù)巷道變形觀測,數據顯示巷道圍巖趨于穩(wěn)定后,觀測兩幫及頂底板的移近量,收縮均在20 mm以內,巷道變形量得到有效控制。

2)巷道掘進得到大幅度提高。掘進工作面采用三八工作制進行掘進,由于錨桿排距加大(1 000 mm排拒),支護密度降低,掘進工效得到提高。原巷道一個圓班進尺為4 m,現在一個圓班進尺為8 m,掘進工效由0.1 m/工提高到0.2 m/工。

3)支護成本顯著降低。每米使用錨桿由原有的24根減少為17根,9 m錨索變?yōu)? m錨索,且數量每米減少2根,5.3 m幫錨索每米減少1根。可節(jié)約材料費用537.84元/m,延米費用得到有效降低。

5 結論

通過地質力學測試,運用支護-圍巖相互作用原理對回采巷道布置方式及支護參數進行優(yōu)化設計,得出以下主要結論:

1)地質力學評價測試是進行巷道支護設計的重要依據,是反映和分析圍巖力學特征,圍巖應力大小及分布的科學方法。

2)通過支護-圍巖關系理論分析,能有效優(yōu)化支護方案。改進后沿頂板掘進,增大錨桿直徑,提高錨桿、錨索的預緊力,合理縮減支護密度等措施明顯提高了支護效果。

3)優(yōu)化后,通過巷道變形綜合觀測,巷道變形量較小,錨桿錨索受力均勻,支護環(huán)境得到明顯改善。同時,提高了巷道掘進效率,降低了掘進成本,安全及經濟效益顯著。

[1] 康紅普,王金華,林健. 煤礦巷道支護技術的研究與應用[J].煤炭學報,2010 (11):1809-1814.

KANG Hongpu, WANG Jinhua,LIN Jian.Study and Applications of Roadway Support Techniques for Coal Mines[J].Journal of China Coal Society,2010 (11):1809-1814.

[2] 張占濤.大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護參數研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2009.

[3] 孫闖,張向東,李永靖.高應力軟巖巷道圍巖與支護結構相互作用分析[J].巖土力學,2013(9):2601-2607,2614.

SUN Chuang,ZHANG Xiangdong,LI Yongjing.Analysis of Interaction between Surrounding Rock and Support Structure in High Stressed Soft Rock Roadway[J].Rock and Soil Mechanics,2013(9):2601-2607,2614.

[4] 侯公羽.圍巖-支護作用機制評述及其流變變形機制概念模型的建立與分析[J]. 巖石力學與工程學報,2008(S2):3618-3629.

HOU Gongyu.Review of Interaction Mechanism between Surrounding Rock and Support and Analysis of Conceptual Model of Rheologcal Deformation Mechanism[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008(S2):3618-3629.

[5] 蔣金泉.巷道圍巖結構穩(wěn)定性與控制設計[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999.

[6] 楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[7] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2002.

(編輯:武曉平)

OptimizationofSupportingDesignforFully-mechanizedLargeMiningHeightunderOne-passMininginThickCoalSeam

ZHENGJinping
(ShanxiSanyuanZhongnengCoalIndustryCo.,Ltd.,Changzhi046600,China)

With some approaches, such as geostress test and borehole peep, an optimization plan was proposed for gateway supporting based on the interaction theory of support and surrounding rock. The practice proves that the optimized parameters could effectively control the surrounding rock movement, reduce the deformation of the roadway, and present obvious supporting effects and economic benefits.

gateway; design optimization; geostress test; surrounding rock control

TD353

A

1672-5050(2017)03-0027-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.008

2017-06-05

鄭金平(1981-),男,山西呂梁人,大學本科,工程師,從事煤炭生產技術管理工作。