浅埋煤层回采巷道稳定技术研究

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  【摘 要】西部矿区主要特点是煤层埋藏深度浅,论文以西部矿区准格尔旗某煤矿回采巷道为研究对象,采用锚固分区理论,对浅埋煤层回采巷道的支护参数进行了优化研究。
  【Abstract】The main characteristic of the western coal region is that the coal seam is buried in shallow depth. This paper takes the mining roadway of a coal mine of a coal mine in Jungar Banner as the research object, and uses the theory of anchorage zoning to optimize the supporting parameters of the mining roadway in shallow coal seam.
  【关键词】浅埋煤层;围岩控制;锚杆支护
  【Keywords】 shallow coal seam; surrounding rock control; bolt support
  【中图分类号】TD823                                        【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069(2019)03-0195-02
  1 引言
  浅埋煤层回采工作面巷道一般布置在煤层中,巷道围岩受采动影响较大。且相对于其他埋深的煤层,浅埋煤层来压速度快,矿压显现剧烈。两者的共同作用导致回采巷支护难度大,在设计使用年限内,巷道断面经常由于变形量太大而无法满足使用要求[1]。
  某矿4206工作面主要开采4-2煤层,其地面标高1361~1416m,工作面标高1295~1310m。煤层埋深66~106m,厚度约为2.55m,是典型的西部浅埋深煤层。4-2煤层煤的硬度系数f=2,顶板岩性为粉砂岩或砂质泥岩,底板岩性为砂质泥岩,顶底板岩石硬度系数f=4~6。工作面机巷顶底板岩石强度低,均为软弱岩石,岩石风化作用较强,岩体的稳定性较差,工程地质类型划分为第三类第二型层状岩类中等型。采掘过程中,局部地段易发生顶板冒落和底板软化变形等问题。随着工作面的推进,4206工作面机巷多次反复扩修,严重制约了工作面的安全高效生产。
  锚杆直接作用区是受锚杆锚固力直接作用的区域,锚杆非直接作用区是受锚杆锚固力非直接作用的那部分岩体。这对理解锚网支护体系各部分的作用是显而易见的,也有利于进一步阐明锚网支护各部分的作用机理[2]。
  根据巷道锚网支护各部分所起的作用和锚网支护各种破坏现象,可将煤巷锚网支护失效或弱化归纳为三种失效模式:
  第一种,锚固失效型。指锚杆(索)没有锚固作用、锚固力低、锚固力衰减的快或衰减的很低,以至锚杆(索)起不到应有的锚固作用,由此导致的锚网支护失效,称为锚固失效型。
  第二种,护表失效。指锚杆间的岩体流变,得不到有效控制,导致锚网支护失效的情况。它往往是由于锚网支护中网的柔性大,无法有效地延伸托盘对围岩的压力,导致锚杆间的岩体变形得不到有效控制,该处围岩向巷道自由面破碎膨胀,锚杆体周围的岩石破碎,导致浅部围岩承载能力下降。
  第三种,结构失稳型。指锚网支护承载结构,由于结构上不稳定导致的锚网支护失效。它包括两种情况:一是由于局部锚网支护承载结构失稳,导致整个锚网支护承载结构失稳;另一种情况是锚网支护承载结构失稳,从整体结构稳定性来说,在一定的载荷作用下,其结构本来就不稳定,如锚杆间排距过大、锚杆长度偏短、结构补偿锚索偏少等都可能导致锚网支护承载结构结构性失稳。
  2 浅埋煤层巷道变形原因分析
  2.1 强动压
  浅埋煤层矿压显现剧烈,顶板下沉量大,实测在200mm左右,这导致了工作面超前支撐压力大,巷道底板强度较低,已很难支撑上覆岩层的重量,又在动压影响下,巷道底臌更加严重[3]。
  2.2 巷道围岩强度低
  由于巷道围岩强度低,导致巷道变形速度快和变形量大,两帮和顶底板移近量可能达到10mm/d,变形量一般达到60~100mm以上,大的甚至达到300~500mm,如果支护不合理,变形量甚至达到1000mm;变形时间长,一般持续2个月,有的甚至半年都无法稳定,呈现流变性。
  2.3 底板遇水膨胀
  底板为砂质泥岩,含有亲水性很强的蒙脱石、伊利石等粘土矿物质。该类岩石遇水就会剧烈膨胀,导致巷道内部的水难以排除而加深膨胀,如此反复,进一步增大巷道底臌量。
  3 巷道支护参数优化
  3.1 锚杆参数优化
  根据某矿4206工作面巷道变形破坏特征与原因,提出如下改进方案:①增加锚索长度[4],采用Ф15.24×7000mm锚索。通过将锚索锚固到巷道围岩深部稳定岩层中,可以起到悬吊作用及组合梁作用,改善围岩内部的受力情况及应力分布,有效的抑制巷道顶板变形。②增大锚杆预紧扭矩到280N·m。提供更高的初始护表力,有效抑制巷道早期变形,抑制巷道围岩浅部裂隙发育,控制松动圈发育;增大围岩裂隙之间的摩擦力,提高松动圈内围岩的整体性;提高锚固范围内围岩体的残余强度,使得锚杆与锚索更好地共同发挥作用。③在钢丝网外增加强度高、挠度低的钢筋网。针对松软围岩,通过增大锚杆之间围岩的护表强度,减少巷道表面破碎岩块散落,控制巷道围岩后期表面变形程度,同时更好地发挥锚杆托盘的护表作用,   3.2 支护参数设计
  4206工作面机巷沿顶板掘进,巷道设计断面5000×2800mm,采用高强度锚杆-锚网索联合支护。锚杆采用Ф18×1800mm高强度左旋无纵筋螺纹钢,间排距800×800mm,錨杆托盘选用120×120×10mm方形钢板,预紧扭矩不得小于280N·m;锚索采用Ф15.24×7000mm钢绞线制作,间排距1500×3000mm,锚索托盘选用300×300×10mm方形钢板,预紧力不得小于200kN;锚杆采用两根Z2350型树脂锚固剂,直径23mm,锚固长度1000mm;锚索采用四根Z2350型树脂锚固剂,锚固长度1800mm。巷道柔性网片采用8#铁丝网制作,网目50×50mm菱形,外加直径6mm钢筋焊接的钢筋网,网目100×100mm正方形。
  3.3 支护效果分析
  为合理评价锚网支护效果,根据4206工作面机巷地质条件,布置了2表面位移测站,监测巷道顶底板移近量和两帮移近量。
  巷道表面位移是反映巷道围岩稳定状况的综合指标。掘巷期间采用锚网索支护后,1#测站巷道顶底板变形在距掘进头96 m左右时趋于稳定,顶底板最大变形量为123 mm,观测期间平均变形速率为2.86 mm/d,巷道两帮变形量相对较大,在距掘进头83 m左右时趋于稳定,两帮最大移近量182 mm,观测期间平均变形速率为4.23 mm/d。
  掘巷期间采用锚网索支护后,2#测站巷道顶底板变形在距掘进头108m左右时趋于稳定,顶底板最大变形量为95mm,巷道两帮变形量相对较大,在距掘进头121m左右时趋于稳定,两帮最大移近量为159mm。
  4 结语
  通过锚杆支护理论,根据现场实际调查的巷道变形情况,综合分析,提出了浅埋煤层巷道稳定技术方案。
  经过现场实测,两个测点位置的巷道变形量达到了159mm,但随着距迎头距离的增加,变形速度均降到了0,这说明浅埋煤层巷道稳定技术可以有效地控制巷道变形。
  【参考文献】
  【1】林光侨. 浅埋煤层采场矿压规律及支架合理工作阻力研究[D]. 北京:中国矿业大学, 2013.
  【2】康红普, 王金华, 林健. 煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2010,29(4):649-664.
  【3】钱鸣高. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社,2010.
  【4】雷学义. 潞新矿区浅部巷道支护参数优化研究[J]. 煤炭技术,2016,35(12):68-70.
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