复杂地质条件下综采工作面大断面切眼施工及支护.pdf

2023 年 11 月2023 年第 11 期煤矿井下回采工作面采煤设备机械化、智能化水平的快速发展显著提高了工作面生产效率，但机电设备尺寸也显著增大，导致以往工作面切眼尺寸难以满足综采设备安装及通风要求1-3。研究表明，切眼断面尺寸及围岩条件是切眼施工工艺选择及支护参数确定的关键因素，且切眼断面越大，围岩条件越复杂，其施工及支护难度越大4-6。本文以木瓜煤矿 10201 综采工作面切眼为研究对象，针对其断面尺寸较大且施工期间需穿过断层破碎带等工程问题进行研究，确保大断面切眼过断层破碎带成形效果，为类似工程切眼施工提供参考和借鉴。1工程概况木瓜煤矿现开采 10 号煤层，煤层平均厚度 6.77 m，平均倾角 8.5毅，平均埋深 203 m，煤层结构简单，赋存稳定。10201 综采工作面位于二盘区准备巷道南翼，北邻二盘区 3 条准备大巷，南为井田边界，东西两侧均为实体煤。煤层顶底板情况如表 1 所示。10201 综采工作面采用双巷制，沿煤层走向布置，10201 胶带顺槽及运输顺槽设计长度均为 1 081 m，工作面切眼设计长度为 245 m。采用综采放顶煤回采工艺，采用全部垮落法管理顶板。为满足工作面设备安装及通风需求，10201 综采工作面切眼设计断面尺寸为10.8 m4.5 m（净宽净高）。根据物探资料，10201综采工作面切眼施工期间需穿过 F26正断层（断层落差收稿日期：2023-03-05作者简介：刘红波袁 1981 年生袁 男袁 河南夏邑人袁 助理工程师袁 主要从事煤矿技术管理方面的工作遥复杂地质条件下综采工作面大断面切眼施工及支护刘红波（山西焦煤霍州煤电木瓜煤矿，山西 方山 033100）摘要：为解决复杂地质条件下综采工作面大断面切眼围岩变形量大尧 支护困难的问题袁 以木瓜煤矿 10201 综采工作面切眼为研究对象袁 提出采用 野二次成巷冶 施工工艺和 野锚网索+注浆+单体支柱冶 的联合支护措施遥 现场应用效果表明院 切眼过断层破碎带期间袁 顶底板相对移近量最大值为 138.72 mm袁 两帮相对移近量最大值为 81.62 mm袁 无冒顶及片帮现象发生袁 切眼成形效果较好遥关键词：综采工作面曰 大断面切眼曰 导硐扩刷曰 围岩控制中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)11-0123-03Large-section Cut Construction and Support of Fully-mechanized Mining Faceunder Complex Geological ConditionsLIU Hongbo(Mugua Coal Mine,Huozhou Coal Electricity Group,Shanxi Coking Coal Group,Fangshan 033100,Shanxi,China)Abstract:In order to solve the problem of large deformation of surrounding rock and difficult support in the large-section cut ofthe fully-mechanized mining face under complex geological conditions,taking the cut of 10201 fully-mechanized mining face ofMugua Coal Mine as the research object,the combined support measures of secondary tunneling construction technology andanchor net cable+grouting+single pillar was proposed.The field application results showed that the maximum relativedisplacement of the roof and floor was 138.72 mm,and the maximum relative displacement of the two sides was 81.62 mm duringthe period when the cut passed through the fault fracture zone,there was no roof fall and wall caving,and the cut shaping effectwas good.Key words:fully-mechanized mining face;large-section cut;expanding brush of guide hole;surrounding rock control（总第 218 期）技术研究顶底板名称岩性厚度/m岩性特征老顶灰岩6.10 耀 9.307.70灰色，坚硬，中厚层状，块状结构，含少量方解石细脉，裂隙较发育泥岩1.70 耀 2.902.30灰黑色，半坚硬，水平层理，厚层状，具节理，含少量植物茎叶化石灰岩0 耀 5.152.57深灰色，坚硬，中厚层状，参差状断口，局部裂隙发育直接顶泥岩0 耀 5.002.50受风氧化带影响，呈黄色，较软，裂隙发育，破碎，泥质胶结直接底粉砂岩5.15 耀 5.275.21深灰色，以石英为主，含少量暗色矿物，分选较好，钙质胶结，半坚硬老底砂质泥岩6.90 耀 13.6010.25深灰色，粉砂质，平行层理，含植物茎叶化石碎片，较松软表 1煤层顶底板情况1232023 年第 11 期2023 年 11 月H=4.0 m，65毅）和 F40正断层（H=3.2 m，57毅）。10201 综采工作面切眼过断层期间，因巷道断面尺寸较大且围岩破碎，巷道变形量较大，围岩控制困难，对切眼顺利施工和生产安全造成较大影响。2大断面切眼施工工艺及围岩控制措施为确保 10201 综采工作面切眼施工安全及成形效果，设计采用“二次成巷”工艺进行施工，即先施工切眼导硐，然后沿工作面推进方向一侧将切眼导硐二次扩刷至切眼设计断面尺寸。2.1切眼导硐支护设计切眼导硐净断面规格为 5 800 mm4 500 mm，沿10201 综采工作面最里侧施工，采用“锚网索+单体支柱”联合支护。切眼导硐支护断面如图 1 所示。单位：mm图 1切眼导硐支护断面示意图具体支护参数如下。1)顶板。顶锚杆采用椎22 mm3 600 mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距为 800mm1000mm，选用 150mm150 mm10 mm 钢板托盘，施加预紧力不小于 160 kN。顶锚索采用椎21.6mm7 500 mm 预应力钢绞线锚索，间排距为 1 800 mm2 000 mm，选用 180 mm180 mm12 mm 钢板托盘，施加预紧力不小于 300 kN。2)巷帮。西帮锚杆采用椎20 mm2 400 mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距为 1 000 mm1 000 mm；西帮锚索采用椎21.6 mm5 000 mm 预应力钢绞线锚索，间排距为 2 000 mm2 000 mm；东帮采用椎20 mm2 400 mm玻璃钢锚杆，间排距为 1 000 mm1 000 mm。3)其他。沿切眼导硐中线布置 1 排单体支柱，间距为 3 000 mm。顶板和两帮锚杆配合使用规格为 15 mm150mm5200mm 的 钢带及规格为 900mm3000mm的菱形金属网。2.2切眼导硐二次扩刷及支护设计待切眼导硐施工完毕后，沿其东侧巷帮向东扩刷5 000 mm 以达到切眼设计断面尺寸。在切眼导硐扩刷期间，距切眼导硐中线所布置的单体柱 5 000 mm 布置第 2 排单体柱，切眼导硐扩刷范围顶板支护方式及支护参数与切眼导硐相同，扩刷后的切眼东帮与切眼导硐东帮支护方式及参数一致。扩刷完成后的切眼支护断面如图 2 所示。2.3过断层破碎带注浆支护设计受地质构造活动影响，F26和 F40正断层周围一定范围内岩体完整性较差，破碎程度较高。10201 综采工作面切眼在穿过 F26和 F40正断层破碎带期间面临围岩变形大，甚至引发冒顶、片帮等灾害事故的问题，给切眼安全快速施工带来较大威胁。为提高断层破碎带围岩整体性，提高围岩自承能力，增强围岩和支护相互作用效果，在 10201 综采工作面切眼过断层期间采用 WTD 中空注浆锚杆对切眼围岩进行加固。注浆锚杆规格为椎25 mm3 500 mm，间排距为 2 000 mm2 000 mm，注浆采用水灰比为 0.7颐1 的水泥单液浆，注浆压力控制在 24 MPa。3工业性试验为掌握 10201 综采工作面切眼过断层期间围岩控制效果，在过 F26和 F40正断层破碎带前后，每隔 50 m布置 1 组测站，共布置 6 组测站。其中，1#，4#测站分别位于 F26，F40正断层破碎带之前；2#，5#测站分别位于 F26，F40正断层破碎带内；3#，6#测站分别位于 F26，F40正断层破碎带之后。对切眼正常段掘进及过断层破碎带掘进期间围岩表面变形情况进行了为期 30 d 的现场观测。以过 F26正断层破碎带为例进行分析，观测结果如图 3 所示。椎20 伊 2 400 左旋螺纹钢锚杆椎21.6 伊 5 000 预应力钢绞线锚索间排距 2 000 伊 2 000间排距 1 000 伊 1 000椎22 伊 3 600 左旋螺纹钢锚杆间排距 800 伊 1 000椎20 伊 2 400 玻璃钢锚杆间排距 1 000 伊 1 000椎21.6 伊 7 500 预应力钢绞线锚索间排距 1 800 伊 2 000东帮西帮800 800 800 800 800 800 8001 1001 8001 8001 1002005 8006 0001242023 年 11 月2023 年第 11 期(c)3#测站图 3不同测站巷道围岩表面变形情况图 2扩刷完成后的切眼支护断面示意图单位：mm由图 3 可知，在不同地质条件下，10201 综采工作面切眼掘进期间，其顶底板相对移近量及两帮相对移近量随观测时间均呈现出先增大后趋于稳定的变化趋势，具体表现为在 015 d 内，切眼顶底板及两帮相对移近量呈增大趋势；在 15 d 以后，切眼顶底板及两帮相对移近量基本趋于稳定。此外，10201 综采工作面切眼在过 F26正断层破碎带之前，其顶底板相对移近量、两帮相对移近量最大值分别为 92.64 mm，51.64 mm；在过F26正断层破碎带期间，其顶底板相对移近量、两帮相对移近量最大值分别为 138.72 mm，81.62 mm；在过 F26正断层破碎带之后，其顶底板相对移近量、两帮相对移近量最大值分别为 109.82 mm，64.11 mm。切眼成形效果较好，无冒顶片帮现象发生。由此可见，10201 综采工作面切眼在过 F26正断层破碎带期间其顶底板及两帮相对移近量最大值虽显著大于过断层前后的围岩相对移近量，但仍在切眼施工允许的变形范围内，表明采用先施工切眼导硐再二次扩刷的施工工艺，以及“锚网索+注浆+单体支柱”的联合支护方式，能有效控制过断层破碎带期间的围岩变形。(a)1#测站1015202530时间/d5010080604020顶底板相对移近量；两帮相对移近量。顶底板相对移近量；两帮相对移近量。1501209060301015202530时间/d50(b)2#测站12010080604020顶底板相对移近量；两帮相对移近量。1015202530时间/d50椎20 伊 2 400 左旋螺纹钢锚杆椎21.6 伊 5 000 预应力钢绞线锚索间排距 2 000 伊 2 000间排距 1 000 伊 1 000椎22 伊 3 600 左旋螺纹钢锚杆间排距 800 伊 1 000椎20 伊 2 400 玻璃钢锚杆间排距 1 000 伊 1 000椎21.6 伊 7 500 预应力钢绞线锚索间排距 1 800 伊 2 000东帮西帮800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 8001 1001 8001 80020010 80011 0002001 8001 8001 8007005 000单体支柱（下转第 130 页）刘红波：复杂地质条件下综采工作面大断面切眼施工及支护1252023 年第 11 期2023 年 11 月4结论针对木瓜煤矿 10201 综采工作面大断面切眼过断层破碎带期间围岩变形大、支护困难的问题进行研究，主要得到以下结论。1)提出采用先施工切眼导硐，再进行二次扩刷的大断面工作面切眼施工工艺。2)提出采用“锚网索+注浆+单体支柱”的联合支护方式控制大断面工作面切眼过断层破碎带围岩变形。3)现场实测结果表明：10201 综采工作面切眼在正常段掘进期间，顶底板相对移近量最大值为 109.82 mm，两帮相对移近量最大值为 64.11 mm；在过断层破碎带期间，顶底板相对移近量最大值为 138.72 mm，两帮相对移近量最大值为 81.62 mm；切眼围岩变形得到有效控制。参考文献：1 茹武伟.胡底煤矿大断面开切眼围岩控制技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40(8)：38-40.2 杨柳.大断面巷道快速掘进及联合支护技术研究 J.机械管理开发，2022，37(10)：199-200.3 武冲锋.组合锚注支护在深部大断面巷道围岩控制的应用 J.中国矿山工程，2022，51(4)：56-61.4 张妙生.复杂条件下大断面巷道掘进支护技术研究 J.煤，2022，31(5)：84-86.5 何庆帅.8112 大断面切眼二次成巷联合支护技术应用 J.山东煤炭科技，2021，39(10)：31-32.6 李广友.综采工作面切眼大断面掘进工艺研究 J.山西冶金，2020，43(6)：68-69.（编辑：高志凤）7结束语通过提高城郊煤矿 21111 下巷设备机械化、自动化和智能化程度，建立了掘、支、运协同高效的智能掘进工作面，提升了煤矿综掘工作面的安全性，实现了综掘工作面的智能化、少人化。通过综掘机远程智能控制系统进行井下远程视频监视、远程控制，降低了作业人员的劳动强度，改善了作业人员工作环境，提升了煤炭采掘设备的技术水平，减少了掘进断面危险因素。城郊煤矿 21111 下巷智能掘进工作面的建设为矿井智能化建设积累了经验。参考文献：1 康红普，姜鹏飞，刘畅.煤巷智能快速掘进技术与装备的发展方向 J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(2)：5-7.2 韩永亮.智能掘进技术在任家庄煤矿的应用及创新 J.工矿自动化，2022，48(suppl 2)：30-32.3 高奎英，冯志忠.神东矿区成套智能化快速掘进系统过断层工艺研究 J.煤炭科学技术，2022，50(suppl 2)：38-43.4 王步康.煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分析 J.煤炭科学技术，2020，48(11)：1-11.5 王国法，刘峰，孟祥军，等.煤矿智能化(初级阶段)研究与实践J.煤炭科学技术，2019，47(8)：1-36.6 康红普，姜鹏飞，高富强，等.掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径 J.煤炭学报，2021，46(7)：2023-2045.7 宋栋帅.智能化掘进机电控系统设计及关键技术研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.8 高强.掘进工作面智能化建设分析与设计 J.煤炭科学技术，2021，49(suppl 2)：292-297.9 王国法，富佳兴，孟令宇.煤矿智能化创新团队建设与关键技术研发进展 J.工矿自动化，2022，48(12)：1-15.10 王国法.煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 J.煤炭科学技术，2022，50(1)：1-27.11 胡兴涛，朱涛，苏继敏，等.煤矿巷道智能化掘进感知关键技术 J.煤炭学报，2021，46(7)：2123-2135.12 刘送永，张德义.巷道掘进机智能化技术研究现状及展望 J.工矿自动化，2019，45(10)：23-28.13 李飞，张林，尚宇琦，等.煤矿智能化掘进关键技术研究 J.工矿自动化，2023，49(4)：33-41.14 王海军，曹云，王洪磊.煤矿智能化关键技术研究与实践 J.煤田地质与勘探，2023，51(1)：44-54.15 高晓明.利民煤矿智能化建设 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