大断面回采巷道支护设计研究

大断面回采巷道支护设计研究 李宁 西山煤电镇城底矿 摘 要： 基于 S8310大采高综采工作面的地质特征和生产技术条件, 系统分析了大采高综采大断面回采巷道变形破坏的基本形式及原因, 通过数值模拟结合现场实践提出回采巷道沿顶掘进方式, 最终确定 S8310综采大断面回采巷道支护方案为:锚网索+W 钢带 (顶) 联合支护, 现场实践表明, 回采巷道围岩变形得到有效控制, 支护效果明显。关键词： 大采高; 沿顶掘进; 巷道支护; 作者简介：李宁 (1987-) 男, 河南焦作人, 2010 年毕业于河南理工大学采矿工程专业, 助理工程师, 现担任山西焦煤西山煤电集团镇城底矿开拓二队技术副队长, 主要从事煤矿开掘巷道的技术管理工作。收稿日期：2017-5-17Research on the design of the back and back of the large sectionLi Ning Xishan Coal and Electricity Zhenchengdi Mine; Abstract： Based on the large mining height are broken S8310 fully mechanized working face of geological characteristics and production technology conditions, systematic analysis of the large mining height are broken fully mechanized large section roadway, the basic form of deformation and failure and the reason, through the numerical simulation in combination with the practice along the roof of roadway excavation method is put forward, finally determine S8310 fully mechanized large section roadway support scheme is:+ W steel belt anchor wire rope (top) combined support, field practice shows that extraction to effectively control the deformation of surrounding rock of roadway, the supporting effect is obvious.Keyword： Large height; along the top of the heading; the roadway support; Received： 2017-5-171 工作面基本参数及技术条件某矿 15号煤层 S8310工作面走向长 1023m, 工作面倾斜长度为 220m。工作面地质储量 210万 t, 可采储量 182万 t。该工作面内 15号煤层总厚度最大 6.60m, 最小 6.35m, 平均厚度 6.51m, 煤层倾角 3°12°, 平均 6°, 煤层赋存稳定, 构造相对简单。煤层结构复杂, 赋存 3层不稳定夹石, 其中上夹石厚度 0.14m左右, 中部夹石 0.12m左右, 下部夹石 0.14m左右。该工作面地面标高1156.51344.2m, 工作面标高 609.0664.5m。根据地质条件分析, 该工作面煤厚适中, 煤层赋存稳定, 构造简单。该工作面地面标高 1156.51344.2m, 工作面标高 609.0664.5m。地表位于石家山以东, 弯进咀以南, 大西沟以西, 小西沟以北的山梁沟谷地带, 地表无建筑物, 有部分农田及山林。本工作面井下位于南条带三采区东部, 东部为南条带二采区, 南部为二采区 S8211工作面 (未掘) , 西部为 S8309工作面 (未掘) , 北部为 S8308工作面 (未掘) 。本工作面为实体煤工作面, 四周工作面均未回采。根据地质条件分析, 该工作面煤厚适中, 煤层赋存稳定, 构造简单。工作面布置图如图 1所示。2 大断面巷道变形破坏特征与原因分析图 1 S8310工作面布置示意图 下载原图S8310大采高综采工作面回采巷道, 进风巷矩形断面 5.1m×3.7m, 面积 18.87m;回风巷矩形断面 4.3m×3.7m, 面积 15.91m, 远大于 16m, 故此判别 S8310大采高综采面巷道为大断面巷道。对于大断面巷道来说, 由于其断面尺寸较大, 断面形状多为矩形, 当受到采动影响时, 围岩变形量及塑性区范围更大。其破坏形式往往是多种类型复合形成, 具有以下一些破坏特征:巷道围岩变形破坏更为严重, 发生变形破坏塑性区面积达;遇到地质构造或特殊围岩情况时, 巷道围岩会发生突发性破坏;巷道会发生大量级的底鼓, 多数情况下巷道支护的焦点在顶板及两帮的支护, 底板维护工作不够;水和空气也会对巷道稳定性造成影响, 当巷道断面增大时, 巷道更容易受到水和空气的影响, 使巷道变形更为严重。大断面巷道围岩破坏形态受到多重因素影响, 既有客观原因, 又受到人为因素的影响, 具体分析有以下影响因素:(1) 地质条件与生产条件, 主要包括:岩性的影响、上覆岩层压力的影响、围岩地应力的影响、工作面回采引起应力变化的影响、断层构造的影响等。(2) 支护设计方案与施工质量, 巷道维护工作中, 主观因素也对其支护强度及效果产生一定的影响。施工质量不合格:人员操作的误差、工序安排不当、假帮 (顶) 后空洞、施工质量达不到要求;不合适的设计:巷道支护形式单一、底板支护重视程度不够、支护构件设计的不合理等。3 大断面回采巷道掘进位置分析S8310工作面采用厚煤层大采高综采设备与回采工艺, 使得工作面进、回风巷道高度小于采高, 从而大采高综采面巷道在煤层中布置的空间位置问题显得尤为重要。若回采巷道沿着煤层顶板掘进, 顶板支护对象为岩体, 若沿底板掘进, 支护对象为煤体, 煤体强度较岩体低, 需要加强巷道支护。通过 UDEC软件结合工作面具体参数, 在支护条件相同情况下, 对沿煤层顶板掘进和沿煤层底板掘进围岩变形情况进行数值模拟, 模拟结果如图 2所示。分析图 (a) 、 (b) 可知, 在支护参数相同的情况下, 沿煤层顶板掘进引起巷道围岩塑性变形范围较沿底掘进小, 沿顶掘进, 巷道顶板支护容易, 可有效控制顶板下沉量, 加强对两帮的支护可以减小两帮移近量, 提高围岩稳定性。分析图 (c) 、 (d) 可知, 较沿顶掘进, 沿底掘进过程中竖直和水平方向上位移矢量明显增大, 进一步通过图 (e) 、 (f) 可知, 沿顶掘进巷道围岩位移量更小, 稳定性更好。图 2 沿煤层底板和顶板掘进时围岩变形情况 下载原图图 2 沿煤层底板和顶板掘进时围岩变形情况 下载原图图 2 沿煤层底板和顶板掘进时围岩变形情况 下载原图当沿煤层底板掘进巷道, 一般在掘进期间围岩相对较稳定, 但在服务期间, 特别是工作面回采期间, 巷道围岩 (煤体) 变形量很大, 顶板和两帮表面媒体破碎脱落严重, 在每排锚杆之间由于围岩压力作用产生大量煤兜, 为避免顶板煤体冒落和片帮, 须加强支护强度, 增加锚杆锚索直径、长度, 减小排间距, 以控制围岩 (煤体) 的变形, 沿煤层底板掘进回采巷道不利于维护, 也会增加经济成本, 所以在厚煤层开采时回采巷道位置一般采用沿煤层顶板掘进。综上分析, S8310 大采高综采工作面回采巷道设计沿 15号煤层顶板掘进, 开切眼也沿 15号煤层顶板掘进。随着工作面推进到一定距离, 采高达到 6.51m后, 机头、机尾各 1020m范围工作面要与两回采巷道平缓过渡, 应掌握好采高和卧底量, 防止出现工作面“急凹”所造成的设备事故。4 大采高综采大断面回采巷道支护方案S8310大采高综采面回采巷道设计方案如下:巷道支护采用锚杆+金属网+W 钢带 (顶) +钢筋梯 (帮) +锚索联合支护, 顶锚杆采用 20mm×2400mm 的左旋无纵筋螺纹钢, 帮锚杆采用 20mm×2000mm 的左旋无纵筋螺纹钢, 顶板锚杆间排距取 800mm×900mm, 两帮锚杆间排距取 1000mm×900mm, 采用树脂药卷全长锚固, 锚固剂为 CK2335 (2支) 和 Z2335 (3支) , 锚固长度 1.8m左右。进、回风巷选择均由 4mm铁丝编制的金属网, 顶板、两帮配套使用金属网, 进风巷顶板选择长 5400mm、宽 900mm的金属网;回风巷顶板金属网长 4600mm、宽 900mm;进、回风巷两帮的金属网选择长 3800mm、宽 900mm。锚杆采用钢托盘, 选择 BHW-250-3.0型 W钢带, 在两帮采用由 18mm 的钢筋焊接而成的钢筋梯, 在每个锚杆安装部位焊接 2根间距为 60mm的加强筋。顶板每排布置 2根17.8mm×5500mm 钢绞线锚索, 间排距为 1800mm×1800mm。采用 5根锚固剂锚固, CK2335 (3 支) , Z2335 (2 支) , 锚固长度 1.8m左右。具体的进风巷支护布置如图 3所示。图 3 进、回风巷断面锚杆锚索布置图 下载原图5 巷道围岩裂隙状况分析为了更好的检测巷道的矿压显现, 验证现场支护方案的支护效果, 结合井下的具体条件, 选择巷道支护方案实施后的进风巷进行钻孔窥视探测分析, 观测巷道不同深度围岩状况。如图 4、图 5所示, 巷道在不同的深度处岩层整体完整, 没有明显的顶板离层、围岩裂纹、岩层错动等现象发生, 表明了 S8310大采高综采大断面巷道设计方案的可靠性。5.1 进风巷顶板围岩破坏情况在 01.20m浅部岩层范围内, 浅部岩体为黑色泥岩, 受采动影响, 该范围围岩松散、较为破碎, 并且在 0.68m处出现离层现象, 如图 4 (a) 所示;1.202.15m范围内属于锚固区内, 围岩整体较为平整, 离层现象较少, 未发现明显破碎带和裂隙发育区, 如图 4 (b) 所示;2.153.2m 范围为锚杆锚固端部, 此范围顶板主要为黑色泥岩, 岩性软弱, 但完整性良好, 仅个别地带存在纵向裂隙的现象, 如图 4 (c) 、 (d) 所示。图 4 进风巷围岩内部情况 下载原图通过对以上视频截图分析可知:钻孔深度范围内顶板岩层总体较完整, 裂隙发育程度低。在 0.68m处发生离层裂隙, 1.202.15m 范围内围岩完整无裂隙发育, 2.154.0m范围岩层完整性良好, 仅 3.0m处存在纵向裂隙。5.2 回风巷顶板围岩破坏情况图 5 回风巷围岩内部情况 下载原图回风巷顶板正中钻孔的 0.41.01m浅部围岩内, 岩体完整性较好, 存在少量裂隙和弱面, 如图 5 (a) 、 (b) 所示;1.013.0m 范围内为锚固段, 岩体较为完整, 基本未发现裂隙的存在, 如图 5 (c) 所示;3.04.0m 范围为锚固区外, 围岩完整, 未出现明显裂隙和破碎带, 如图 5 (d) 所示。通过对以上视频截图分析可知:钻孔范围内顶板岩层完整性良好, 环形裂隙发育。0.41.01m范围内存在环形裂隙和软弱面;在 1.013.0m范围内围岩完整;3.04.0m范围内围岩较完整, 仅 3.50m处发育横向裂隙。综合分析, 由图 4和 5可知, 巷道在本文设计支护方案下, 很好的控制了巷道内部围岩裂隙, 使得巷道稳定性和整体性得到了大幅度的提高。S8310大采高综采大断面在按设计要求完成的支护方案下, 巷道能够保持稳定, 满足了矿井的生产需求, 创造出良好的经济技术效益。6