“一硬二软”煤层沿空煤巷围岩变形特点及支护对策

翟金腾

(河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿,河南省永城市,476600)

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“一硬二软”煤层沿空煤巷围岩变形特点及支护对策

翟金腾

(河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿,河南省永城市,476600)

基于计算数值模拟分析结果与现场工程实例,对河南龙宇能源公司陈四楼煤矿“一硬二软”(具有顶板坚硬、煤层与底板软弱)煤层沿空巷道的围岩变形特点进行了分析,提出了关键在于控制两帮位移的沿空巷道支护方式,即两帮的支护强度在埋深小于600 m时不应小于0.2 MPa,埋深在600 m以上时,不应小于0.3MPa。

“一硬二软”煤层 沿空巷道 围岩变形 巷道支护 锚杆支护 数值模拟

AbstractBased on numerical simulation analysis and field construction project,this paper provides an analysis of the deformation characteristics of the surrounding rock of the drifts in coal seam with"hard roof,soft coal and soft floor"along the side of gob area.The paper also determines the key point is to control the displacement of both ribs of the drift along the gob area,i.e. the supporting intensity of both ribs of the drift should be no less than 0.2 MPa at the depth within 600 m and the supporting intensity of both ribs of the drift should be no less than 0.3 MPa at the depth over 600 m.

Key words"hard roof,soft coal and soft floor"coal seam,gob side entry,surrounding rock deformation,entry support,bolt support,numerical simulation

所谓“一硬二软”煤层,是指顶板坚硬、煤层及其底板较软一种煤层赋存条件。河南龙宇能源公司陈四楼煤矿与西南交通大学共同合作对河南龙宇能源公司陈四楼煤矿具有“一硬二软”特点的煤层的沿空巷道进行了实验分析与现场试验研究,研究了沿空巷道的围岩变形特点,并进行了有的放矢地支护参数设计,取得了满意的技术经济效果。

1 “一硬二软”巷道变形特点研究

1.1 围岩塑性区特点

经计算机数值模拟分析,陈四楼煤矿“一硬二软”煤层的沿空巷道围岩中的塑性区分布在两帮及煤层底板岩层中,顶板岩层完全处于弹性变形状态。从埋深500 m到900 m,“一硬二软”沿空煤巷顶板岩层中均无塑性区存在,随着埋深的增大,巷道两帮压剪变形塑性区逐渐变小,巷道底板中的拉伸变形塑性区逐渐增大。在现场,这种巷道的矿压显现表现为剧烈的两帮移近与底鼓。

1.2 巷道位移特点

通过现场实测数据,绘制出“一硬二软”煤层坚硬顶板沿空巷道围岩变形规律图,见图1,列出“一硬二软”沿空巷道顶板离层实测数据,见表1。

表1 “一硬二软”沿空巷道顶板离层实测数据

图1 陈四楼煤矿不同开采深度下“一硬二软”沿空巷道表面位移

图1和表1表明:这种煤层条件的沿空巷道,顶板岩层处于弹性应力状态。顶底板与两帮剧烈移近,是由两帮煤体在顶板压力下产生压缩变形所至。底鼓一方面是因煤巷底板一般不进行支护,另一方面是因为在相邻工作面采空区边界上有较大面积的悬顶,使两帮煤体强烈受压,煤层底板产生横向位移对巷道底板产生水平挤压所至。在埋深超过700 m时,顶底板移近量与底鼓量均呈现加速之势;而两帮移近量在埋深超过600 m就开始加速。1.3 支护参数设计

“一硬二软”煤层的沿空巷道支护成败的关键在两帮。因此采取的设计方案:一是加大帮锚杆的支护强度与刚度,可考虑采用大直径锚杆,如采用ø22锚杆,在埋深超过600 m时支护强度达到0.3 MPa;尽可能加大锚固长度,使锚固长度达到1.5 m(锚杆有效长度2 m左右)及以上。二是在靠工作面一侧,采用帮锚索,埋深小于600 m打1排ø18.9 mm×6.5 m或ø21.6 mm×6.5 m帮锚索,埋深在600 m及以上打2排 (同上规格)帮锚索。两帮移近量控制的程度主要看允许的巷道位移量。只要能满足使用要求即可。由于坚硬顶板不用担心顶板离层破碎,顶部的支护强度不必过大,巷道宽度也可适当增大。事实上沿空巷道的两帮最终移近量可能远大于计算机模拟分析结果。只要满足工作面生产时的安全生产需要,支护就算是成功的。对回采巷道底鼓,只能采用生产过程拉底清理的办法。目前来看,底鼓对生产影响不大。

2 现场工程实例

21109运输巷位于河南龙宇能源公司陈四楼煤矿十一采区21109工作面。该巷与21108工作面采空区相邻。该巷自开口至500 m范围为“一硬二软”煤层条件,巷道最低处埋深580 m。巷道净宽3600 mm,掘进宽度约4000 mm。考虑到巷道顶帮条件,顶部锚杆ø20 mm×2.2 m,间排距800 mm ×900 mm,两帮锚杆ø18mm×2.2 m,间排距600 mm×600 mm。施工采用掘进机破煤和装运煤,在施工中采用两帮预留不小于400 mm的光面层,最后用风镐或手镐刷帮成形。施工中要求帮锚杆托盘必须紧贴实帮,超挖之处在锚杆托盘与煤帮之间垫上200 mm×200 mm木板或木墩,确保帮压向锚杆托盘传递。

动压区外实测巷道两帮移近量 700～1100 mm,动压区内1300～1500 mm(最终移近量,包括动压区外移近量在内),带式输送机的最大宽度位于动压区外,巷道宽度满足使用要求;在动压区内,转载机机身宽度较小,2400 mm以上的巷道宽度即可满足要求。图2为陈四楼煤矿21109运输巷坚硬顶板沿空巷道两帮移近实测曲线图。在动压到来之前,两帮移近量有一个相对稳定期。

图2 21109运输巷两帮移近量实测曲线

在此期间,移近速度缓慢增长,最终稳定在1 mm/d以下。

3 结论

坚硬顶板沿空巷道支护成功的关键在两帮。采用锚网支护时,对帮锚杆的要求如下。

(1)帮锚杆要有较大的刚度,尽可能加大锚固长度,目的在于使煤帮位移可控,而不是完全阻止煤帮位移。

(2)要有适当的支护强度。在埋深600 m以浅,支护强度不应小于0.2 MPa;在600 m以深,支护强度应当不小于0.3 MPa。

(3)坚硬顶板沿空巷道顶板岩层只存在弹性变形,可考虑尽可能小的支护强度。

(4)实践表明,在600 m埋深以浅,坚硬顶板沿空巷道的底鼓,对现场生产影响不大。

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(责任编辑 张毅玲)

"Hard roof,soft coal and soft floor"coal seam: coal drift surrounding rock deformation characters and support solutions

Zhai Jinteng

(Chensilou Coal Mine,Henan Longyu Energy Co Ltd,Yongcheng,Henan province 476600,China)

TD353.6

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翟金腾 (1954-),男,河南省辉县市人,高级工程师,现任永煤集团陈四楼煤矿副总工程师,主要从事煤矿井巷工程支护技术研究工作。