寺家庄煤矿15119回风巷沿墙掘进支护优化研究.pdf

收稿日期:2023 02 10作者简介:王 辉(1983-),男,山西汾阳人,工程师,从事生产技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.012寺家庄煤矿 15119 回风巷沿墙掘进支护优化研究王 辉(潞安化工集团 寺家庄煤业有限责任公司,山西 晋中 045300)摘 要:为保障沿墙掘巷技术在寺家庄煤矿 15 号煤层的成功应用,以 15110 回风巷沿柔模墙体进行掘进为工程背景,借助理论计算、现场调研、矿压监测等手段进行围岩科学控制方案的研究,结果表明:基础支护条件下掘巷阶段出现墙体上部压坏、顶板过度下沉等问题,分析巷道破坏原因提出采用长锚索进行补强支护,对顶板进行取芯分析确定锚索应端锚在稳定、坚硬的 5.5 m 厚中粒砂岩关键层中,设计顶板锚索长度为 9.7 m,新掘段巷道表面变形量较小且逐渐稳定,顶板离层量在合理范围内,取得较好控制效果。关键词:沿空留墙;柔模混凝土;补强支护中图分类号:TD353 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0044 031 工程概况15119 工作面回风巷从中央盘区原 15117 工作面进风巷开口往北 357 m 处东帮开口,坐标为:X=68 657.090,Y=106 214.217,Z=+496.719(底板),开口后,先向东水平施工 23.2 m;而后沿 15 号煤层顶板随层掘进,煤层厚度 6.893.92/5.7 m,先向北施工 42.7 m,而后沿北偏西 30方位角施工 33.5 m后至设计巷道沿空留墙位置,然后沿 15 号煤层顶板向北掘进。15119 工作面回风巷与 15119 工作面低位瓦斯预抽巷平行布置,层间距为 1517 m.15119 工作面回风巷在掘进过程中,在适宜位置根据现场实际情况设置临时车场、避难硐室。15117 进风巷内进行沿空留墙,15119 工作面回风巷再沿柔模墙体进行掘进,如图 1 所示。15119 工作面回风巷沿15 号煤层顶板掘进,煤层顶底板岩性特征如表 1所示。图 1 15119 工作面回风巷沿墙掘进巷道布置表 1 15119 工作面回风巷顶、底板情况顶底板名称 岩石名称厚度/m岩性特征老顶粉砂岩6.71深灰色,缓波状层理,含植物碎片化石。直接顶砂质泥岩5.33黑灰色,节理发育,含团块褐铁矿结核,分选好。直接底砂质泥岩3.60灰黑色,团块状,含铝质,具鲕状结构。老底细砂岩2.59灰色,夹粉砂岩,薄层显示波状层理。2 基本支护设计15119 工作面回风巷断面形状为矩形,掘进荒宽、荒高为 5.4 m、4.1 m,支护形式:15119 工作面回风巷顶部采用“锚索+W 钢带+经纬网”联合支护,帮部采用“锚杆(钢护板)+锚索+菱形网”联合支护。基本支护,如图 2 所示。顶板支护:6 孔 W 钢带打注锚索,间排距为 1 000 mm1 000 mm,角锚索距两帮 200 mm,所有锚索垂直巷顶打注。经纬网长边垂直掘进方向铺设,锚索规格为 D21.6 mm 实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月8 200 mm,经纬网规格为5 800 mm1 100 mm,顶 W钢带规格为 BHW235/280/6-5300-1000-6.煤柱帮为宽 1.5 m 高强度预留墙体,墙体之间及墙体与顶板接顶处全长喷浆封闭,喷浆厚度为 100 mm.采帮采用锚杆(钢护板)+锚索+菱形网联合支护。采帮每排锚索、锚杆共布置 5 根,间距 800 mm,从上至下第 1 根、第 2 根、第 3 根布置锚索,第 4 根、第 5 根布置锚杆,锚索规格为 D17.8 mm4 200 mm,帮锚杆规格为 D20 mm2 200 mm 左旋无纵肋螺纹钢锚杆,菱形网规格为 4 400 mm1 100 mm,W 钢护板规格为 BHW235/280/4-450,铺网时,联网搭接 100 mm,每隔 100 mm 用 14 号铅丝双股双边三花联网一道,每道绑扎不少于 3 匝,铺网时长边垂直掘进方向。图 2 15119 工作面回风巷基本支护(单位:mm)3 补强支护设计截至 2022 年底工作面已掘进 154 m,巷道出现部分墙体顶部压坏、墙体倾斜及顶板下沉等情况。针对以上存在的主要问题,通过对现场进行查看,收集资料,与矿相关单位领导进行了讨论、沟通和原因分析,为确保巷道支护有效、安全可靠,满足回采超前压力显现时的要求,需对现有支护设计进行补强支护优化。3.1 原因分析根据现场调研情况归纳失稳原因如下:锚索随顶板一起下沉,且锚索托板和锁具直观看没有任何压力显现反应,说明锚索没有充分起到悬吊作用1,端锚位置不合理或锚固力不够或端锚位置的岩层结构及岩性差。从取芯顶板岩性分析看,现打 8.2 m 长锚索端锚位置在 1.5 m 厚的细粒砂岩层中,该层的岩性比较好、较为稳定,但层理较发育易离层。其上部有稳定的 5.5 m 厚中粒砂岩是锚索端锚的最佳位置。锚索预紧力不够,张拉机具选择不合理,施工工艺等问题导致顶板离层。3.2 顶板取芯及锚固段合理层位分析在15119 回风巷9H9 测点往北16 m 处,在顶板打钻孔取芯,取芯长度 17 m,钻孔取芯柱状,根据取芯资料并结合钻孔资料对比分析,15 号煤直接顶岩性为砂质泥岩已确定,其厚度取芯 5.6 m,钻孔5.33 m,平均 5.465 m,基本相符;岩性为深灰色砂质泥岩,富含植物化石碎片及碎削化石;第 1 层老顶岩性为 0.4 m 厚粉砂岩和 1.5 m 厚的细粒砂岩互层,两层之间与直接顶之间的层理较为发育;之上的第 2 层 5.5 m 厚的中粒砂岩老顶为难垮落的岩层结构,其岩性坚硬、稳定,是锚索支护端锚最佳位置;再之上为较薄的细粒砂岩、炭质泥岩及煤线的复合层。根据以上地质资料分析结果,本次支护设计依据现场钻孔取芯资料为准进行支护设计,锚索应端锚在稳定、坚硬的 5.5 m 厚中粒砂岩关键层中。锚固深度在1.52 m.顶板锚索端锚关键层位支护,锚索总长度为 9.7 m,如图 3 所示。3.3 补强支护方案设计锚索必须锚入坚硬稳定的岩层中,然后通过锚索张拉机具对锚索施加预应力,把不稳定的顶煤和54第 9 期 王 辉:寺家庄煤矿 15119 回风巷沿墙掘进支护优化研究 岩体吊挂在稳定的坚硬岩体上,使其巷顶的煤、岩体形成组合梁自承拱,达到主动支护顶板的目的。图 3 15119 回风巷顶板锚索端锚关键层位支护断面图(单位:m)根据煤矿巷道锚杆支护技术规范,对于树脂锚杆(索)树脂药卷直径应比钻孔直径小 48 mm.索体为 D21.6 mm,119 股高强度钢绞线。采用2 支 MSZ-23-120 中速树脂锚固剂加长锚固。锚固长度验算2:232()2(1 2002)=302()2-222()2lm经计算,钻孔直径为 30 mm 时,锚固长度为2 929.12 mm,大于钻孔深度的 1/3,属于端头锚固;当钻孔直径为 32 mm 时,锚固长度为 2 277.55 mm,锚固长度为钻孔深度的 24%,小于钻孔深度的 1/3,属于三径匹配不合理,因此寺家庄煤矿 D21.6 mm锚索的合理钻孔直径应为 30 mm,树脂药卷直径为23 mm.顶板补强支护在基本 30 支护的基础上沿原锚索之间补打 D21.6 mm、L9 700 mm 锚索,形成“2-1-2”补强支护形式,间排距为 1 000 mm2 000 mm.规格型号:D21.6 mm、L9 700 mm,拉断载荷为504 kN 的 119 结构,延伸率 7%的钢绞线。锚索角度:均垂直顶板岩层面打设。锚索张拉预紧:锚索初次张 拉 力 要 达 到 300 kN.锚 索 托 梁:采 用 长1 300 mm 高强度 U 型钢梁;拱形调心球及配套锁具。15119 回风巷补强支护,如图 4 所示。4 支护效果考察寺家庄煤矿 15119 回风巷已掘段采用上述方案进行补强支护,新掘段采用优化支护方案掘进期间每间隔 40 m 设置 1 个测站,监测项目包括表面变形量、顶板离层量3-4,以距开口处 220 m 的 S-2 号测站为例,对监测数据进行整理绘制处表面变形量及顶板离层量变化曲线如图 5 所示。图 4 15119 回风巷补强方案(单位:mm)分析可知,巷道掘巷支护完成早期,开挖后30 d内,巷道表面变形量及顶板离层量逐渐增大,开挖30 d 后围岩表面变形量保持恒定,围岩变形速度减小为零,顶板离层量也不再增大,围岩整体稳定,充填墙体内挤变形最为明显,最大变形为 102 mm,其次为顶板下沉变形,最大下沉量为 81 mm,底板底鼓量为 40 mm,实体煤帮内挤变形量 11 mm,围岩整体变形量较小,巷道表面光洁、平整,围岩稳定性良好;顶板浅部基点最大离层量为 7.5 mm,深部基点最大离层量 3.0 mm,顶板岩层离层量很小,顶板岩层整体性控制效果较好。综上可得,补强支护方案能够很好满足维护沿墙掘巷的需要。5 结 语本文以寺家庄煤矿 15119 回风巷沿墙掘进为研究背景,采用现场调研、理论计算、矿压监测等手段进行沿空巷道围岩科学控制技术(下转第 50 页)64 第 32 卷较大,最大为 64 mm,两帮变形量相对较小,最大为53 mm,其围岩变形量均属于偏小范围,且巷道断面完整,由此可判断沿空掘巷围岩控制方案较为合理,有利于巷道围岩稳定性的提升。5 结 语1)基于分离岩块法,建立了沿空掘巷条件下的巷旁支护体承载计算力学模型,认为巷旁支护体主要承受巷道顶板区域内的覆岩载荷,并理论确定了巷旁支护体所受载荷为 16 376 kN/m2,同时给出了符合承载能力的柔模混凝土墙体尺寸为宽1.6 m,高 4.2 m;2)根据工程经验得出,采用切顶卸压技术可进一步保证多重动压下的回风巷围岩及巷旁支护体稳定性,并通过理论计算确定了切顶高度 18.95 m,钻孔间距 4 m,角度 75时可达到卸压效果;3)根据矿压监测数据分析得出,巷旁支护体内的应力峰值位于其设计强度之下,墙体处于稳定状态,同时回风巷掘进时,其巷道围岩变形曲线呈先急后缓,随后趋于稳定的变化趋势,并且变形量均较小,表明沿空掘巷围岩控制方案可有效保证巷道围岩的稳定性。参考文献:1 韩承强,张开智,徐小兵,等.区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究J.采矿与安全工程学报,2007(3):370-373.2 黄万朋,赵同阳,江东海,等.双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩稳定性控制技术J.岩石力学与工程学报 2023,4(23):1-13.3 孙殿宇.复杂条件沿空掘巷煤柱留设方式研究J.煤矿现代化,2022,31(4):93-96,101.4 杨 洁.下霍煤矿2305 回风巷小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究J.山东煤炭科技,2022,40(7):50-53.5 梁刚勇,关键.新三矿高水材料充填沿空留巷技术应用研究J.内蒙古煤炭经济,2013(3):111-112,117.6 顾国民.倾斜煤层沿空留巷巷旁柔模混凝土墙体宽度设计J.山西焦煤科技,2021,45(8):4-7.7 徐向东,李青锋,唐湘隆.深部巷道围岩破碎区及裂隙区分布及其支护控制J.矿业工程研究,2018,33(1):11-18.本期编辑:王伟瑾(上接第 46 页)研究,基本支护条件下掘巷研究表明,巷道出现墙体倾斜及顶板下沉等问题,探讨分析原支护方案缺陷,提出采用长锚索进行补强支护,通过顶板取芯掌握顶板岩层岩性、厚度特征,确定锚索应端锚在稳定、坚硬的 5.5 m 厚中粒砂岩关键层中,据此确定顶板锚索长度为 9.7 m,根据“三径”合理匹配原理确定锚索孔合理直径为 30 mm,树脂药卷直径为 23 mm,采用“2-1-2”补强支护形式,矿压监测表明,巷道表面变形量较小且保持稳定,顶板离层得到有效控制,消除了墙体顶部压坏、墙体倾斜等问题,很好满足维护沿墙掘巷围岩的需要。图 5 矿压监测结果 参考文献:1 张晓琳.大采高工作面沿空留墙无煤柱开采技术应用研究J.煤,2022,31(12):28-30,34.2 于健浩.大采高工作面小(无)煤柱开采技术适应性研究J.煤炭工程,2022,54(9):6-11.3 段春阳.寺家庄矿大采高工作面巷旁充填沿空留墙技术应用J.煤矿现代化,2022,31(2):37-39.4王瑞栓.15119 工作面无煤柱开采技术研究与应用J.山东煤炭科技,2021,39(2):12-14,17.本期编辑:王伟瑾05 第 32 卷