厚煤层大埋深综放开采窄煤柱沿空巷道支护方式优化.pdf

陕西蒲白矿业科技2厚煤层大埋深综放厚煤层大埋深综放开采窄煤柱沿空巷道支护方式开采窄煤柱沿空巷道支护方式优化优化陕西陕煤蒲白矿业有限公司苗永新王根强王伟摘要为了解决厚煤层大埋深综放开采窄煤柱沿空掘巷巷道支护难题，以蒲白建庄矿业4-2307 工作面为例，利用数值模拟研究 9 米煤柱与 15 米煤柱围岩应力变化规律，对 15 米煤柱支护方案进行优化，并进行了现场工业性试验，对矿压进行跟踪监测。结果表明：9 米煤柱较 15 米煤柱沿空掘巷受到采空区侧边缘应力影响和区段煤柱侧向水平挤压作用减小，对于巷帮及巷道肩部的支护强度要求提高，支护方式优化后巷道变形得到有效控制，同时煤柱整体性得到加强，杜绝了瓦斯、老空水涌出现象，窄煤柱开采技术有效保障安全生产。关键词窄煤柱沿空掘巷支护矿压监测煤炭是我国保障能源安全稳定供应的“压舱石”，有着不可替代的地位，短期内难以改变。特别是近几年受疫情影响，国家针对煤炭行业保供稳价政策力度不断增强，如何安全高效地生产原煤成为了煤炭行业发展的核心关键。蒲白矿业公司以窄煤柱为突破口，深入研究综采放顶煤工作面小煤柱护巷矿压显现规律，对顶板支护方案进行了一系列优化升级，克服了窄煤柱顶板、防治水、防治瓦斯等一系列困难，取得了一些经验。1工程概况蒲白新区两矿分别为建新煤化与建庄矿业，地处黄陵县店头镇，两矿核定生产能力合计 900 万吨/年，以 4-2煤层为主采煤层，埋深普遍超过 400 米，局部可达 900 米以上，两矿工作面均采用综采放顶煤开采工艺，初设工作面面间煤柱 30 米，建新煤化 42 盘区、建庄矿业二、三盘区开采设计煤柱优化为15米。建庄矿业 4-2307 工作面设计面间煤柱进一步优化为 9 米，该工作面概况见下页表。陕西蒲白矿业科技3表 1 建庄矿业 4-2307 工作面概况表根据矿井地质资料及周边相邻巷道揭露，4-2307 综放工作面地质构造较简单，呈中部低东西两翼高的向斜构造，南北向呈南高北低的单斜构造，地层倾角 25。工作面煤层厚度 7.2m10m，平均煤厚 8.6m。煤层厚度由北向南逐渐减小。煤层含夹矸 12 层，夹矸厚度 0.20.8m，平均厚度 0.5m，煤层益厚 8.1m。夹矸岩性以炭质泥岩、泥岩为主，次为粉砂质泥岩。该工作面回风顺槽长 1793，位于4-2305 闭采工作面运输顺槽侧，设计煤柱宽度 9 米，巷道宽 5.0 米，高 3.6 米。表 2 4-2307 工作面顶底板岩性表老顶(基本顶)直接顶伪顶伪底直接底老底 上部、下部以细砂岩为主，中部为粉砂岩，夹煤线。砂质泥岩，深灰色，团块状，含植物叶化石，底部为细砂岩。杂紫色鲕状泥岩，团块状，无层理，具鲕粒，夹细砂岩条带。煤层顶底板岩性顶板底板 中砂岩：灰白色，由石英长石组成，含暗色矿物及炭屑，水平层理，泥质胶结，性脆。泥岩，深灰黑色，含植物根部化石及黄铁矿薄膜。黑色泥岩，薄层片状，具滑面，含豆状黄铁矿结核。320万 吨513.5万 吨93%7.5m况概面作工高作工煤 层 全 厚可 采 储 量8.1m煤 层 益 厚地 质 储 量466180 面 积设 计 采 高260m倾 向 长 度设 计 回 采 率1793m走 向 长 度煤 层 倾 角工 作 面 编 号井 下井 上2 54-2307综 采 工 作 面3.57.1 10.05m8.6m程标 高煤 底高 程地 面+814m+867m面置位位 于 杨 家 台 以 南，石 坡 子 以 东 之 位 置。北 为 三 盘 区 4-2305综 放 工 作 面，南 为 4-2309工 作面（未 掘），西 为 三 盘 区 辅 助 运 输 巷，东 邻 一 盘区 采 空 区。+1220m+1550m陕西蒲白矿业科技4K1l1325.31 491.0014505.00 中 砂 岩：紫 红、砖 红 色，以 长 石 为 主，石 英 次 之，局 厚 层 状，泥 质 胶 结，分 选 良好，极 松 散。夹 薄 层 紫 杂 色 泥 岩，且 具 兰斑。J2z117.74 622.74 砾 岩，青 灰、紫 灰 等 杂 色，砾 石 多 由 石英、砂 岩 快 组 成，硅 质 胶 结，分 选 差，次 棱角 状，无 层 理，坚 硬。J2y 砂 质 泥 岩，深 灰 色，团 块 状，含 植 物叶 化 石，底 部 为 细 砂 岩。3.45662.97 中 砂 岩：灰 白 色，由 石 英 长 石 组 成，含暗 色 矿 物 及 炭 屑，水 平 层 理，泥 质 胶 结，性脆。0.05659.52 泥 岩，深 灰 黑 色，含 植 物 根 部 化 石 及 黄铁 矿 薄 膜。8.6659.47 4-2煤，黑 色 块 状，局 部 末 状，节 理 发育，有 黄 铁 矿 结 核 及 薄 膜，底 部 煤 质 较 劣。结 构：2.8（0.3）4.5（0.2）0.8。夹 矸 以炭 质 泥 岩 为 主。0.6650.871.15650.27 4-1煤，半 亮 型，黑 色 块 状，节 理 较 发育。含 黄 铁 矿 结 核 及 薄 膜。26.38649.12 上 部、下 部 以 细 砂 岩 为 主，中 部 为 粉砂 岩，夹 煤 线。全 段 以 砂 岩 为 主，上 部 薄 层 砾 岩，中 下部 主 要 为 粗 砂 岩、中 砂 岩、含 砾 中 砂 岩、细砂 岩、薄 层 粉 砂 岩。K1y图 14-2煤层柱状图陕西蒲白矿业科技5图 2 4-2307 工作面布置示意图2 矿井原有 15 米煤柱回采巷道支护方案以建庄 4-2205 工作面运输巷为例，该巷道距相邻工作面 4-2207 工作面运输巷煤柱 15 米。支护方案如下：顶板单数排全锚杆布置，采用202500mm 左旋螺纹钢锚杆，布置在T140-3400/6 型钢带上，间排距 650700mm；双数排全锚索布置，每排采用 5根21.88300mm 防腐锚索配合铁托盘支护，间排距 13001400mm。帮 部 全锚 杆 布 置，采 用 20 3500mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距 650700mm。305 工作面307 工作面307 回风巷回风巷808090500036002006506506508006506506506506506501300130080065065065036006502007007007008006506506503600650200700700700R80060004500 防腐锚索21.8*8300mm左旋螺纹钢锚杆 20*2500mm双层8#铁丝网1000*10000mm左旋 螺纹钢锚杆 20*3500mm 铁托盘300*300*12mm双层8#铁丝网1000*10000mm运 输 巷 1#临 时 避 难 硐 室回 风 巷 1#临 时 避 难 硐 室回 风 巷 2#临 时 避 难 硐 室F C C 15 T 2 05 J 2 6A 78 3 2.2 2 7F F 1 08 8 6.2 5 78 9 3.7 88 2 7.7 9 0调 车 硐 室水 仓水 仓水 仓调 车 硐 室二 号 联 络 巷警戒线警 戒 线8 3 8.9 6 68 3 8.6 4 88 4 1.7 0 38 4 1.6 8 38 4 1.9 7 88 2 08 2 08 2 58 2 58 1 58 1 58 3 08 3 08 3 58 3 58 4 08 4 08 4 58 4 58 1 08 1 08 5 08 5 085 585 58608658 4 58 5 08 5 58 6 08 6 58708 8 08 7 588 5建 1 61 5 5 0.7 58 3 1.3 61 0.0 50.2 03.5 76.2 84-23 0 5 运 输 联 络 巷4-23 0 5 胶 带 运 输 巷4-21 0 3 采 空 区4-21 0 4 采 空 区4-21 0 5 采 空 区采区边界4-2305切眼三盘区回风巷三盘区辅助运输巷三盘区胶带运输巷4-21 0 6 采 空 区4-23 0 7 运 输 联 络 巷4-2307切眼2 2 31 7 9 32606 01 5 6 3陕西蒲白矿业科技6图 3 4-2205 工作面支护方式示意图该巷道在施工后 1-2 个月内，顶板下沉、两帮收敛较严重，平均收敛量达 0.8m左右，顶板下沉量达 0.5m 左右，对工作面安装、回采影响较大，2 个月后巷道变形量缓慢。3沿空掘巷围岩应力模拟通过对 9m、15m 煤柱留设宽度时巷道直接顶 30m 区域内 x 方向和 y 方向应力进行数值模拟分析，绘制不同宽度下掘巷顶板应力分布变化曲线如下。采空区距巷道 9m采空区距巷道 15m图 4采空区距离巷道不同宽度下围岩水平位移云图87565087565065065065005000120013001300120070070070014003500双层8#铁丝网1000*10000mm 防腐锚索21.8*8300mm 铁托盘300*300*12mm左旋螺纹钢锚杆 20*2500mm 钢带T140-3400/6陕西蒲白矿业科技7采空区距巷道 9m采空区距巷道 15m图 5采空区距离巷道不同宽度下围岩垂直位移云图0918273645051015202530水平应力水平应力/Mpa/Mpa距巷道顶板距离距巷道顶板距离/m/m9米15米图 6不同煤柱宽度下巷道顶板 30m 范围内水平应力变化曲线图 7 不同煤柱宽度下巷道顶板 30m 范围内垂直应力变化曲线经过数值模拟及分析可知：巷道顶板水平应力方面：10m 范围内15 米煤柱小于 9 米煤柱，10-30 米范围内15 米煤柱大于 9 米煤柱。巷道垂直应力方面：30 米范围内 15米煤柱均小于 9 米煤柱。可知，留设 15 米煤柱较留设 9 米煤柱巷道顶板垂直应力对比变化不大，水平应力有所增大，沿空掘巷开挖巷道受到采空区侧边缘应力影响和区段煤柱侧向水平挤压作用，对于巷帮的支护阻力要求很大，支护设计优化时，需在帮部支护强度上有所提升。同时由于采空区积水、瓦斯聚集，水平应力增加时，需要考核对煤柱整体性进行加固，杜绝出现涌水、瓦斯涌出现象。01020304050051015202530垂直应力垂直应力/Mpa/Mpa距巷道顶板距离距巷道顶板距离/m/m9米15米陕西蒲白矿业科技84巷道支护优化方案按照自稳隐形拱理论，通过计算确定了沿空掘巷自稳隐形拱相关参数。又根据锚网体系设计原则，并经过锚杆、锚索长度及锚杆围岩耦合理论确定锚杆锚索间排距，最终确定了巷道支护优化方案：顶板单数排全锚杆布置，采用22L2500mm 左旋螺纹钢锚杆，布置在T140-L3400/6 型钢带上，间排距 650800mm；双数排全锚索布置，每排采用 2根21.88300mm 防腐锚索+2 根 MSZ227300mm 注浆锚索交错布置，间排距10001600mm。帮部锚杆注浆锚索布置，巷肩处与帮部采用 22L3500mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距 650800mm；煤柱侧帮部第1、2，第 3、4 跟锚杆之间，每排布置 2根 MSZ227300mm 注浆锚索，间排距13001600mm。与原支护相比，一是在顶部、煤柱侧帮部增加了注浆锚索，以提升煤柱和顶板整体性，提高支护质量。二是将顶、帮锚杆直径由20 升级为22，提升了锚杆强度。三是将巷道肩部锚杆由L2500mm 升级为 L3500mm，增加了锚杆长度，抵抗巷道水平应力的增加。5矿压观测5.1 观测方式5.1.1 巷道表面收敛监测通过巷道表面位移观测可判定巷道围岩的运动情况，分析围岩是否进入稳定状态。巷道表面位移监测包括底臌、两帮相对移近、顶板下沉等内容。主要是通过在巷道内布置测点，观测各个测点之间距离的变化确定。5.1.2 巷道顶板离层支护展开图采面侧煤柱侧HRB50022-L2500左旋锚杆钢带T140-L3400/6 间排距650*800防腐锚索21.8-L8300蝶形托盘300*300*12布置方式4-0-4 间排距1000*1600注浆锚索MSZ22-L7300蝶形托盘300*300*12布置方式2-0-2 间排距1000*1600112265065065065065050003600R8003400R800650650650250注浆锚索MSZ22-L4500 蝶形托盘300*300*12布置方式2-0-2 排距1300*1600650650650250HRB50022-L3500左旋锚杆蝶形托盘300*300*12 间排距650*800280010008008008008008008008008001000100080065065080065065033陕西蒲白矿业科技9图 84-2307 回风巷支护示意图图 94-2307 回风巷矿压测点布置图通过巷道顶板离层仪可以观测巷道顶板离层状况，通过巷道围岩内部的变化预测巷道围岩稳定性。5.1.3 支护结构荷载监测通过仪器监测锚杆锚固力变化情况，可以了解锚杆的工作状态。5.2 测点布置掘进巷道时，每掘进 100 米安设一组顶板离层、巷道收敛观测点，每 500 米抽检一组锚杆锚固力监测和锚杆载荷。500036002800R800R800650650650650250553400HRB50022-L2500左旋锚杆钢带T140-L3400/6 间排距650*80065065065065065065065065065025055HRB50022-L3500左旋锚杆蝶形托盘300*300*12 间排距650*800650600650600陕西蒲白矿业科技10每个测站监测内容如下：1 个顶底板收敛监测仪，1 个激光测距仪，1 个顶板离层量监测。5.3 数据处理5.3.1 顶板离层、巷道收敛数据处理矿压监测需要的是变量与距离的函数，但所有监测仪器的记录方式都是变量与时间的函数与变量差。所以，本监测系统采用在原设备基础上定制的方式以满足本项目需要。每天根据现场监测数据对每个测点绘制出位移时间曲线（Ut 曲线）和位移距离曲线（UD 曲线），每月均匀挑几组测点进行汇总分析。5.3.2 锚杆锚固力观测数据处理根据支护设计参数，将支护断面内锚杆编号，进行监测，根据监测数据绘制观测数据曲线，分析锚杆工作时轴向力大小以检验单根锚杆的抗拉强度设计值、锚杆支护强度设计是否合理。5.4 检测结果经过对巷道掘进后 50 天内矿压观测数据的统计、分析，支护方式优化后的巷道变形量均小于 15 米煤柱巷道变形量。同时对锚杆载荷的监测显示，巷帮未出现大面积锚杆实效卸压情况，表明注浆锚索的应用对小煤柱加固起到积极作用。6结论1）在厚煤层大埋深工作面采用窄煤柱护巷时煤柱体应力状态集中度低，区段煤柱进入塑性区，但未发生破坏，核心承载区稳定性得到控制，为优化支护参数，提升支护效率，确保安全生产提供了保障。2）留设 15 米煤柱较留设 9 米煤柱巷道顶板垂直应力对比变化不大，水平应力图 104-2307 工作面回风巷掘进后 50 天内顶板移近量、巷道收敛量变化图010020030040050060070080001020304050原支护顶板移近量原支护巷道收敛量优化后顶板移近量优化后巷道收敛量陕西蒲白矿业科技11有所增大，沿空掘巷开挖巷道受到采空区侧边缘应力影响和区段煤柱侧向水平挤压作用，在增加锚杆直径、增加巷肩锚杆长度、应用注浆锚索后，巷道变形得到有效控制。3）注浆锚索在加固煤柱，提升煤柱、巷道顶板整体性，从而控制采空区积水、瓦斯涌出等方面有着显著效果，在沿空掘巷灾害治理方面起到了关键作用。参考文献：1建庄煤矿4-2307小煤柱护巷支护设计.陕西惠天煤矿技术有限公司2耿耀强，索永录，赵腾飞等.基于复合注浆材料的断层破碎区巷道锚注支护.西安科技大学学报.2021-43孟祥军，赵鹏翔，王绪友，林海飞等.倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱留设尺寸及围岩控制技术研究.西安科技大学学报.2022-5（上接第 44 页）反映煤矿机电设备的故障情况。由此可知，本文设计的方法不仅能够反映设备故障，并且可以对大部分带有特征频率的机械设备故障进行判定。通过对矿井机电设备的故障状态和类型进行预测，保障煤矿机电设备的安全运行，实现预防为主、防修结合的安全生产，能在最短时间内发现并及时解决问题，从而提高生产效率，减少安全风险。5结论本文基于深度学习算法采集能量算子，分析振动信号，结合 SAE 网络进行共振解调，对煤矿机电的故障问题进行检测。由测试实验可知，该方法对其故障状态和类型进行了较为精确地诊断，在煤矿机械设备的故障分析与故障诊断中，采用深度学习方法有效地提高故障诊断率，提高煤矿的生产效率，保障矿井安全生产。参考文献1陈金.农业水利泵站机电设备故障诊断与处理J.新农业,2022(13):84-85.2薛志勇.钻井现场电气设备常见故障诊断与排除方法J.中国设备工程,2022(12):162-164.3崔旭东.煤矿机电设备常见故障以及维修技术J.能源与节能,2022(06):139-140.4王瑞冬.人工智能技术在矿山机电设备检测中的应用研究J.煤炭科技,2022,43(03):120-124.