掘进巷道应力区煤壁片帮的防治.pdf

2023 年第 8 期2023 年 8 月在煤巷掘进过程中，片帮是一种经常遇到的现象。在短时间内，片帮会导致巷道发生局部堵塞。片帮深度较大时，会导致巷道顶板下沉加剧。如果不进行有效防治，片帮还会引发巷道的瓦斯超限问题。近些年来，随着巷道的断面尺寸增大，片帮发生的频率也在升高。实际生产中，片帮的原因有很多，主要原因是巷道所受的应力异常1-3。因此，必须针对片帮的具体情况采取合适的治理措施。本文分析了煤壁片帮的原因，重点探讨了煤壁片帮的防治措施。1煤壁片帮原因分析煤壁片帮是煤壁煤体成片脱落的现象，主要是由地应力异常导致的。在煤矿巷道掘进过程中，煤壁片帮的原因主要有支护强度低、煤体破碎、煤体硬度高和地应力异常等4-6。下面将进行具体分析。1.1支护强度低在巷道掘进完成后，为了维持巷道的稳定性，需要对巷道进行支护。煤巷属于回采巷道，支护相对简单且支护强度较低。在支护完成后，巷道仍处于不稳定状态，持续发生变形。在变形过程中，顶板下沉，对两帮形成较大的压应力。在两帮支护强度不足的情况下，两帮的煤体成块脱落，形成片帮。巷道变形具有明显的时间效应（见图 1），这使得设计的支护强度有时较低。图 1巷道变形的时间效应1.2煤体破碎煤层的一些区域由于受到地质构造作用，煤体本身就比较破碎。在巷道变形作用下，这部分破碎煤体由于强度较低，会从煤壁上脱落，形成片帮。值得注意的是，这种情况下的片帮规模通常比较大。例如，巷道附收稿日期：2023-01-05作者简介：周建祯袁 1995 年生袁 男袁 山西大同人袁 助理工程师袁 主要从事煤矿掘进方面的工作遥掘进巷道应力区煤壁片帮的防治周建祯（山西华阳集团新能股份有限公司二矿，山西 阳泉 045000）摘要：煤壁片帮是煤巷掘进过程中经常遇到的一种现象袁 对巷道的稳定性和使用性会产生一定的影响遥 因此袁 必须对煤巷掘进过程中的片帮进行治理遥 分析了煤巷片帮的主要原因袁 包括支护强度低尧 煤体破碎尧 煤体硬度高和地应力异常袁 然后重点探讨了防治煤壁片帮的措施袁 主要有加强巷道支护尧 煤层注水尧 做好临时支护和采用护帮装置袁 可以为防治煤壁片帮提供一定的参考遥关键词：煤巷掘进曰 应力区曰 片帮治理中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0198-03Prevention and Control of Coal Wall Caving in Stress Zone ofExcavation RoadwaysZHOU Jianzhen(No.2 Coal Mine,Shanxi Huayang Group New Energy Co.,Ltd.,Yangquan 045000,Shanxi,China)Abstract:Coal wall caving is a common phenomenon encountered during coal roadway excavation,which can have a certainimpact on the stability and usability of the roadway.Therefore,it is necessary to control the caving during the coal roadwayexcavation process.The main reasons for coal roadway caving were analyzed,including low support strength,coal fragmentation,high coal hardness,and abnormal ground stress.Then,discussion on the measures to prevent and control coal wall caving werefocused on,including strengthening support,coal seam water injection,providing temporary support and the use of protectiveequipment,which can provide a certain reference for preventing and controlling coal wall caving.Key words:coal roadway excavation;stress zone;caving control（总第 215 期）实践运用两帮移近量底鼓量顶板下沉量403530252015105102030400时间/d1982023 年 8 月2023 年第 8 期近存在一个陷落柱（见图 2），陷落柱附近不但地应力异常而且顶板比较破碎，甚至还连通了一些地下水，这加大了发生片帮的可能性。图 2陷落柱结构图1.3煤体硬度高在一些区域，煤体强度高，但是脆性比较强。巷道在应力作用下，两帮会承受一定的压力。在压力作用下，高硬度煤体发生的变形有限，而一旦超过了最大变形，煤体将会从两帮脱落。值得注意的是，硬煤片帮更加危险，这是由于硬煤在变形时内部存储了大量的弹性能，使得片帮时块体具有更大的动能。在采矿学上，这种现象被称为冲击地压，是一种严重的煤矿动力灾害。随着煤矿开采进行到深部，这种现象发生的频率和强度越来越高，危害也越来越大。1.4地应力异常地应力异常是诱发片帮的一个重要原因，主要分为两种情况。一种情况是巷道所受的垂直应力较大，在巷道支护不当时，两帮煤体被压碎，形成片帮；另一种情况是巷道所受的水平应力较大，两帮受到较大的剪切力，使得煤体发生破坏。第一种情况常发生于断层附近的区域（见图 3）。而深部开采中会存在水平应力比垂直应力大的情况。图 3断层附近巷道此外，巷道断面尺寸过大也会导致煤壁片帮。这是由于随着巷道高度的增大，两帮刚度会明显降低。随着煤矿开采强度的提高，片帮现象会更加普遍。2煤壁片帮防治措施以上分析了煤壁发生片帮的原因，主要是由于应力的非正常变化。为了保证巷道的正常使用和安全生产，需要根据具体情况对片帮进行防治。经过大量生产实践可知，主要可从加强巷道支护、煤层注水、做好临时支护和采用护帮装置等几方面进行防治7-9。下面将进行具体分析。2.1加强巷道支护加强巷道支护是防治应力区煤壁片帮的根本措施。通过对巷道顶板和两帮进行加强支护，减弱煤岩体的变形，达到控制片帮的目的。在对巷道支护进行设计时，通常采用工程类比法和数值模拟法。但是实际支护施工过程中，地质条件存在较大的差异性，这使得一些设计的支护难以起到很好的作用。为此，需要根据具体的支护效果，对巷道进行加强支护。具体做法如下：对巷道的顶底板和两帮移近量进行实时监测，并将监测结果与设定的变形参考标准值进行对比；一旦巷道的变形量超过了预定值，则应该对所在巷道区域采用补打锚索的方式加强支护，锚索密度取决于巷道的变形程度。总的来说，片帮大部分是由煤壁承受了较大的变形引起的。通过对巷道进行加强支护控制变形，就能尽可能地避免发生片帮。2.2煤层注水对于由煤体硬度较大引起的片帮，一种简单有效的方式就是通过煤层注水对煤体进行软化。对煤层注水后，煤体强度降低，塑性增强，就能承受较大的变形，从而避免发生片帮。大量的现场实验表明，软化煤体能避免由煤体失稳导致的动力片帮问题，即煤体冲击地压问题。为了保证注水效果，需做好以下两方面：1)控制注水时间。一般情况下，注水时间越长，煤体软化范围也就越大，但可能会造成巷道内的大面积积水，引起道路泥泞。2)采用合理的注水钻孔参数。注水钻孔的密度越大，注水的效率越高，但是施工量会越大，这对于控制施工的成本不利。2.3做好临时支护在巷道掘进完成后，需要做好临时支护，控制巷道变形。由于永久支护通常滞后于临时支护，临时支护的强度决定了巷道初期的变形程度。如果巷道初期变形较大，则会导致永久支护完成后巷道仍有一个较快的变形速度，这会导致片帮。为此，需要做好巷道的临时支护。具体要做好以下几方面：1)控制单体液压支柱的支护密度，靠近掘进头区域要适当地增加单体液压支柱的数量；2)对于顶板破碎区域，采用棚式支护技术进行支护（见图 4），防止因发生大面积冒顶而引起两断层面水平巷道周建祯：掘进巷道应力区煤壁片帮的防治1992023 年第 8 期2023 年 8 月4梁恺，彭晓涛，秦世耀，等.基于协同控制优化风储系统频率响应的策略研究 J.中国电机工程学报，2021，41(8)：2628-2641.5CONTO J.Grid challenges on high penetration levels of wind powerC/IEEE Power and Energy Society General Meeting.San Diego：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2012.6 SHARMA A，HUANG S H，SARMA N.System inertial frequencyresponse estimation and impact of renewable resources in ERCOTinterconnection C/IEEEPowerandEnergySocietyGeneralMeet-ing.Detroit：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2011.7王管建，牟伟，范磊.一种新型网源协调在线监测系统 J.大电机技术，2020(1)：84-88.8ZHANG H C，HU Z C，XU Z W，et al.Evaluation of achievable ve-hicle-to-grid capacity using aggregate PEV model J.IEEE tran-sactions on power systems，2017，32(1)：784-794.9LIN Y S，BAROOAH P，MEYN S，et al.Experimental evaluation offrequency regulation from commercial building HVAC systems J.IEEE transactions on smart grid，2015，6(2)：776-783.10赵蓓.大型光伏电站并网频率控制策略研究 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