李雅庄煤矿巷道底鼓机理探讨.pdf

8江西煤炭科技2023年第3 期李雅庄煤矿巷道底鼓机理探讨孟超（霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西霍州0 3 1412）摘要：以李雅庄煤矿2-6 18 2 回风顺槽巷道大变形且发生明显底鼓为工程背景，通过顶底板岩石物理力学参数测试和巷道底鼓机理分析，采用工程实践的方法对该弱胶结底板岩层的底鼓机理和巷道大变形模型进行研究，最终确定采用“反底拱+底板锚索”辅以锚杆锚索联合支护的模式可以获得较好的支护效果。在2-6 18 2 回风顺槽进行了工程参数验证，监测结果显示巷道两帮最大移近量仅为50 mm，达到巷道使用要求。关键词：巷道变形；底鼓；反底拱；锚杆支护中图分类号：TD353;TD322+.1Abstract:Based on the engineering background of large deformation and obvious floor heave occurring in 2-6182 return airroadway of Liyazhuang Colliery,the paper makes a study on the floor heave mechanism and large deformation model of theweakly consolidated floor strata through engineering practice by testing the physical and mechanical parameters of roof and floorrock and analyzing the floor heave mechanism of roadway and presents the combined support mode of inverted arch and bottomanchor cable supplemented with bolt and anchor cable,whose monitoring results show that the maximum displacement of the twosides of the roadway is only 50 mm,meeting the roadway application requirements.Key words:roadway deformation;floor heave;inverted arch;bolting support中国在未来的很长一段时间内依旧以煤炭资源为主要的消费能源，煤炭的安全高效开采始终是煤炭相关行业要研究的重要课题-3 。软岩是在自然状态或开采扰动影响下呈现低强度、易破碎、强流变风蚀特性的一类复杂岩石力学介质的统称。在软岩巷道稳定性控制实践中巷道底鼓问题尤为突出4-6 。据不完全统计，在我国西部大部分的矿区普遍存在巷道底鼓现象7-1。工程实践中巷道开掘后，由于受设备安装及运输等原因的影响，巷道底板无法得到有效控制，尤其在巷道底板岩性较弱情况下，底板在高水平应力的作用下成为围岩高应力释放点而优先发生破坏，加之软岩巷道的强流变性，导致巷道底鼓量越来越大，直至需要卧底扩帮，威胁整个巷道的安全使用。因此研究与发展特定地质条件下巷道底鼓力学机理及对应的底鼓控制技术具有广泛应用价值和重要的现实意义。1工程背景李雅庄煤矿2-6 18 2 回风顺槽设计长度为文献标识码：ADiscussion on Roadway Floor Heave Mechanism in Liyazhuang CollieryMeng Chao(Liyazhuang Colliery,Huozhou Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou,Shanxi 031412)1099m。2-6 18 2 工作面位于六采区上部前进方向的左翼，2 号煤层埋藏深度53 56 17 m，埋藏深度大，矿井周边无老空水害威胁。本工作面开采煤层属2 号煤层，位于山西组中下部，属全区稳定可采煤层，厚度3.3 3 3.42 m，平均3.3 7 m，煤层普氏硬度为1.2。该煤层含12 层夹研,结构较简单，预计夹研厚度最薄为0.2 0 m，最厚为0.8 m。煤岩类型为半亮型-光亮型。煤层倾角6 9，平均7，属近水平煤层。工作面回采巷道沿煤层走向布置，顺槽及切眼均沿煤层顶板掘进。顶底板岩层柱状图如图1所示。2-6182巷掘进时设计为矩形断面，回风顺槽断面设计：毛宽5.0 m，净宽4.8 m，毛高3.5m，净高3.3 m，采用锚网索联合支护。2-6 18 2 回风顺槽巷道顶底板岩性特征以泥岩等软弱岩体为主，在受工作面采动影响扰动下，产生了不同程度的变形破坏。对现场实际地质条件进行了实测，对巷道变形破坏原因进行分析，得到巷道破坏的主要因素分别为：支护工艺不完善，两侧工作面采动影响以及围岩自身条件差等。综合考虑，采用“反文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 0 0 8-0 32023年第3 期底拱+底板锚索”对底板进行控制。本文将通过现场实践研究“反底拱+底板锚索”对巷道底鼓进行控制的机理、围岩变形规律和留巷效果监控。研究成果对相似地质特征工程有良好的参考和应用价值。岩性层厚柱状中粒砂岩5.50m细砂岩2.55m砂质泥岩3.50 m细砂岩3.87m2#煤3.37m泥岩1.25m中砂岩3.40m泥岩1.73m图12 号煤层顶底板岩层柱状图2底鼓力学模型通过弹塑性理论，建立李雅庄矿回风顺槽底鼓力学模型，如图2 所示。EA江西煤炭科技3工程应用3.1支护参数确定在仔细分析2-6 18 2 巷道的变形失稳机理及不同支护方式控制效果的基础上，依据巷道支护设计基本原则，结合矿井巷道地质状况及施工条岩性描述件，提出一种针对李雅庄煤矿的修复加固方案，修白灰色，中厚层状。灰色细砂岩，水平层理。灰色，块状，钙质胶结，层理较发育，裂隙发，含细砂岩。灰色，块状，钙质胶结，层理较发育，局部层理面呈灰黑色，含云母碎片及煤屑具裂隙，局部含细砂黑色，黑色条纹，弱玻璃光泽。为光亮型煤，硬度中等，煤层呈碎块状，含1-2 层泥质夹研。深灰色及灰黑色，块状，断口坦状，具层理及裂隙，含植物化石及煤屑。灰白色，巨厚层状，块状构造，等粒结构，以石英长石为主。灰黑色，水平裂隙分布较多且无规律。9复方案流程为：两帮扩刷拉低两帮浇筑混凝土打设底梁顶板安设工字钢、背板底板填平、铺砖。具体的修复流程如下：(1)挂网扩刷后立即进行金属网的挂网工作，金属网之间的连接方式为钢丝连接。(2)锚杆支护及梯子梁的铺设挂网之后进行锚杆支护，锚杆型号为20mmX2400mm的螺纹钢树脂锚杆,锚杆托盘尺寸为12 0 mm120mm10mm,预紧力不小于250kN，锚固力不低于2 0 0 kN，锚杆间排距800mm800mm。顶锚杆打完后，使梯子梁能够悬挂在顶部锚杆上边，然后通过梯子梁，向下来打设帮部及底板锚杆，梯子梁的规格为14mm，长度为 3 2 0 0 mm。(3)锚索支护在锚杆打完之后，随后进行锚索支护，锚索型B号（BHRB500)18.9mm8300mm，配套托盘Z300mm300mm15mm,预紧力不低于3 0 t,锚C固力不低于6 0 t，锚索间排距10 0 0 mmX1000mm，外露长度10 40 mm，每排打设2 根（两帮各1根）。(4)混凝土浇筑图2 底鼓力学模型分析可知底板最大破坏深度为：l-sing/2singr,(p+ccotp(1-sinp)/ccotp2cos(-+%)42式中：ra为巷道宽度的一半,m;p为两帮垂直应力，MPa;为底板岩层内摩擦角，;c为底板黏聚力。由上式可以看出，底板破坏深度与巷道两帮垂直应力大小成正相关，底板破坏深度与内摩擦角和内黏聚力成负相关。通过增大底板内摩擦角和黏聚力即可减小巷道底板破坏深度。最直接的方式即是浇筑“反底拱+底板锚索”来加强巷道底板力学参数,达到减小底鼓的目的。其次对两帮进行混凝土浇筑，起到封闭两帮岩石，增强两帮力学参数，减小两帮破坏区范围，减小应力两帮垂直应力集中程度的目的。D(+)tangcosope对两帮进行加固，加固方式采用混凝土浇筑，浇筑厚度不小于0.3 m,混凝土强度为C30。(5)工字钢的架设帮部混凝土浇筑完之后，在其上方架设型号为12#的工字钢，架设完之后，在上方再次铺设水泥背板，之间的空隙采用充填材料进行充实，充填材料选择水泥砂浆等。在巷帮扩刷过程中对巷道进行卧底，卧底厚度根据实际需要，参照最终修复效果图，保证巷道施工完毕后净高为3.3 m。底梁弯曲形状为马蹄形弧面，规格为宽高=400mmX500mm，钢筋规格为22mm，钢筋间排距3 0 0 mm300mm，保护层厚度为10 0 mm。底梁间距为50 0 0 mm，每根底梁使用3 根锚索加双钢筋托梁固定在底板上，巷道支护断面如图3 所示。103.2支护效果分析现场对反底拱+底板锚索控制巷道底鼓措施进行检验。采用十字布点法对测点进行动压巷道位移监测，依据实际检测分为测站1、测站2、测站3、测站4进行位移监测和受力检测，根据四个测点监测结果对支护方案进行反馈与优化。监测并记录的数据如图3 所示。50测站2测站3测站140测站4302010江西煤炭科技糖束 0 18.9,1两帮变形速度在10 天时达到最大，最大变形速度为2.0 mm/d,1-4号测站的巷道两帮相对移近量fofo5f图3 巷道支护断面2023年第3 期在6 0 天时分别为45mm、3 7 mm、50 mm和40.5mm;巷道顶底板相对移近量在40 天时达到3 0 mm左PPft右，两帮变形速度在2 0 天时达到最大，最大变形编中2 2,L5300ff速度为1.8 mm/d,1-4号测站的巷道顶底板相对移近量分别为3 7.5mm、3 3 mm、42 mm和3 4.5mm，变形均在合理范围内，巷道围岩变形较采用原有支护时大幅减小。4结论1)根据理论分析和工程实践，最终确定李雅庄煤矿2-6 18 2 回风顺槽巷道大变形的治理措施为：“反底拱+底板锚索”的联合支护方式。并对两帮及顶板补打锚索，同时架设梯子梁进行联合支护。2)现场对上述支护效果进行检验，“反底拱+底板锚索”的方式在工程中取得较好的效果，在2-6182回风顺槽布置一个十字测点进行表面位移监测，结果表明2-6 18 2 回风顺槽进行支护优化后，巷道变形量处在较小范围内，可以满足回采巷道使用要求。0(a)巷道两帮相对移近量50测站2测站340测站1测站43020100(b)巷道顶底板相对移近量图4测点巷道变形规律根据图4围岩位移监测曲线可知：采用“反底拱+底板锚索”措施后，巷道发生大范围变形阶段在“反底拱+底板锚索”措施完成后40 天内，在406 0 天内巷道变形量逐渐减小，直至趋于稳定。李雅庄煤矿2-6 18 2 回风顺槽由于底板为泥岩，胶结性较差，而且吸水性强，受到回采扰动极易发生底鼓现象。进行上述措施后，巷道围岩表面变形的速率和累积变形量明显减小，伴随着采动的扰动，变形的规律并不稳定，出现摇摆。经过一个半月的监测,2-6 18 2 回风顺槽围岩基本稳定，形变很小，巷道两帮相对移近量在40 天时达到3 5mm左右，1010203040观测时间(d)2030观测时间(d)5040506060参考文献：1朱瑞岩.古城煤矿工作面运输顺槽底鼓机理及控制J.江西煤炭科技，2 0 2 2(3)：52-54.2于宽.煤层底板突水原因及防治技术研究J.江西煤炭科技,2 0 2 2(3):13 5-13 8.3】赵瑞华.回坡底煤矿回采巷道切顶卸压工程实践J.江西煤炭科技，2 0 2 2 3）：3 1-3 3.4王金平，周宏，黎劲东，等.复合软岩淋水顶板及底鼓巷道锚注一体化支护技术研究J.哈尔滨：煤炭技术，2022,41(7):47-50.5阮进林，李旺年，钟自成.机载锚杆钻机巷道支护及煤层注水技术应用J.北京：煤炭工程2 0 2 2,54(5）：50-53.6李松峰，陈军锋.极近距离煤层下行开采巷道围岩支护技术研究.重庆：矿业安全与环保,2 0 2 2,49(2)：12 7-13 1.7王立杰，耿帅，尹爱民，等.复杂矽卡岩巷道锚杆支护参数优化研究J.马鞍山：金属矿山，2 0 2 2（4)：6 0-6 5.8顾士坦，卢佳欣，王洪磊，等.特厚煤层双采空区下巷道围岩支护控制技术J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 2 2,41(7)：5-10.作者简介：孟超（198 5一），男，河北定州人，2 0 11年毕业于太原理工大学采矿工程专业，安全工程师，安全副矿长，研究方向：安全工程。收稿日期：2 0 2 2-0 9-12编辑：黄敏辉