大断面煤巷底鼓和巷帮控制技术与应用

刘新河 赵天佑 崔石磊 于海洋

(河北工程大学,河北省邯郸市,056038)

大断面矩形煤巷在顶板较稳定、煤层和底板相对较软的情况下,易导致煤巷片帮,造成空帮掉顶,底板鼓起、巷道变形严重。采用锚杆挂网支护的巷道,由于煤帮松动脱落,锚杆外露失去控帮能力,必须进行二次架棚支护。架棚巷道,由于采用被动支护,煤帮松动,会引起棚子歪斜,应力集中,将棚腿、棚梁压弯失去控帮控顶能力,以致一条巷道在服务期内需要进行多次翻修。分析其中原因:一是巷道形状和规格设计不合理,不利于巷道周边围岩支撑压力均衡,造成应力集中较高,松软底板受挤压较大;二是巷道支护不及时,使围岩失去应有的支撑能力。通过采用相似材料模拟研究和数值模拟计算,并结合长期的实践观察,确定合理大断面煤巷的断面形状和巷道腰线宽与巷高的比,以及锚杆支护参数,将此研究结果在中平能化三环公司5#煤层采区下山大断面煤巷进行试验,取得了较好效果。

1 煤层概况

平煤神马能源化工集团三环公司开采的5#煤层赋存较稳定,平均煤厚2.8 m,煤层倾角12°,煤层普氏硬度系数f=1.2～1.5,煤层直接顶板为石灰岩,平均厚度4.0 m,较稳定,局部受构造影响,裂隙发育,常造成局部冒顶,煤层直接底为灰白色厚层状泥砂岩。

2 矩形巷道应力分布特点

通过相似材料模拟和数值计算,矩形巷道围岩应力分布具有如下特点。

(1)顶板中点水平应力在周边附近为拉应力,沿顶板中心线向上,拉应力逐渐减小,并转化为压应力,到顶板上面压应力最大,趋近于原岩应力。压应力分布均匀、范围大,集中程度低。

(2)底板表面中点应力较小,往内部逐渐增大,最大值稍大于原岩应力。

(3)两帮中点拉应力最大,随两帮高度增大而增大,集中系数较高。但随巷道高宽比接近巷道侧应力系数,两帮中点不出现拉应力,只有压应力,而且集中程度较小。

(4)两帮与顶板夹角处切应力最大,越往下越小,到底板夹角处接近于零,如图1所示。

图1 矩形煤巷周边应力分布示意图

原巷道断面为矩形,由于巷道所处围岩的特点及围岩受集中应力的作用,经过一段时间后,巷道形状如图2所示。

图2 矩形巷道煤壁片帮后的断面形状

研究表明:巷道侧压系数沿巷帮并不是均匀分布的,而是从上向下由大到小近似呈斜直线分布,倒梯形巷道腰线宽与高的比最接近于侧压系数,因而巷道周边的应力集中系数最低,最有利于巷帮稳定;同时巷道周边应力集中程度小,也说明巷道两侧的支撑压力向煤体深部转移,再加上倒梯形巷道本身就使两帮支撑压力向煤体深部转移,使松软底板受巷道两侧支撑压力挤压减小,从而避免了底鼓对安全生产造成的不利影响。为此,我们选择倒梯形巷道,严格控制腰线宽与巷高的比值,并严格执行施工措施,保证巷道成形好、及时支护。矩形巷道顶板中点和两帮应力集中系数随巷道断面巷高与腰线宽比和侧应力系数s(巷道断面上所受水平应力和铅直应力之比)关系的变化见表1。从表1中数据可以看出巷道的巷高与腰线宽的比越接近巷道侧压系数s,巷帮和顶板中点的应力集中系数越低,越有利于巷帮稳定。

表1 巷道顶板中点和两帮中点应力集中系数随巷道断面巷高与腰线宽比和侧应力系数s关系的变化

3 存在的问题及对策

(1)巷道两帮应力影响区随巷帮高度增大而增大,相应应力集中系数较高,如果应力很高,巷道周边附近应力就会超过煤体承载能力而产生破裂片帮。

(2)大断面煤巷巷帮与顶板转角处受最大切应力影响,巷帮中点容易受最大拉应力影响,转角处和巷帮中点往往来不及支护就松动脱落,给施工安全和巷道控帮造成很大影响。

(3)由于一次成巷断面大,支护不及时容易造成煤帮松动,尚未开始支护就片帮。

(4)矩形大断面巷道底鼓比较严重,底鼓占顶底板移近量的89%。

针对上述问题,应采取以下对策。

(1)改变大断面煤巷巷道断面形状,使巷道形状由矩形改为倒梯形,不仅可以减小切应力对巷帮与顶板转角处的影响,有利于巷帮支撑压力均衡,而且可使巷道两帮支撑压力向煤体深部转移,底板受挤压减少。

(2)调整巷道的高宽比,使其接近巷道的侧压系数,使巷帮中点不出现拉应力,压应力集中系数较低。

(3)改变巷道施工程序,大断面煤巷断面成形分上下两段施工,先沿巷道顶板掘进约1.7 m高的上半断面,刷掉余留,挂网打锚杆固定煤帮,然后挖掉下半段煤,煤层薄处破底,达到设计规格,并继续加固煤帮。此种施工方式,解决了一次成巷造成支护不及时的问题,尽最大可能保持了巷帮的自承能力。由于采用台阶式掘进和锚杆挂网及时加固煤帮,在巷道水平应力逐渐增大的过程中,水平应力和铅直应力趋于均化,煤帮的自承能力提高,从而对保持巷道的稳定性起到重要作用。

4 巷道断面形状及支护参数的确定

煤巷断面形状确定为倒梯形,采用锚杆挂网支护形式。

(1)锚杆用左旋全螺纹钢配托盘和螺帽,锚杆规格为ø16 mm×1800 mm。

(2)锚杆间、排距分别为800 mm和800 mm,允许正负误差为50 mm。

(3)锚杆角度与煤帮垂直,其支护断面如图3所示。

图3 倒梯形巷道断面

5 矿压观测

5.1 观测站布置

图4 采区下山观测站布置示意图

在5#煤层采区轨道下山设置巷道变形观测站,对巷帮和顶底板移近量进行观测。从水平大巷与采区轨道下山交叉点沿轨道下山向下300 m范围内,无掘进动压影响区每隔40 m设置1个围岩变形观测站,进行围岩变形观测,安装1套顶板离层仪,对煤帮进行观测;300～350 m范围内,受掘进动压影响区每隔15 m设置1个围岩变形观测站,安装1套顶板离层仪,如图4所示。图中数字1、2、3等表示观测站。

5.2 观测结果

无掘进动压影响区内,巷道变形小,煤壁稳定,无松动脱层。观测站顶底板平均移近量为410 mm,最大顶底板移近量为430 mm,底鼓占顶底板移近量的70%,最大占78%。测站两帮平均移近量为153 mm,最大移近量为165 mm,两帮总体移近量均衡。说明煤巷巷帮变形较小,承载能力较好。受掘进动压影响区,观测站顶底板平均移近量为435 mm,最大顶底板移近量为450 mm,底鼓占顶底板移近量的60%;两帮平均移近量为180 mm,最大移近量为190 mm,煤帮稍有松动,但总体变形均匀,承载能力较好。

6 结论

(1)煤层顶板稳定、底板松软时,大断面煤巷可采用倒梯形巷道,使围岩受力均匀,应力集中程度小,煤帮整体承载能力较好,不易片帮,底鼓量小,巷道变形量小。

(2)掘进对煤巷巷帮的影响较大,采用台阶式掘进减少掘进支护的滞后时间,达到及时支护的目的,能取得较好的效果。

(3)顶底板、两帮相对移近速度变化随时间呈递减状态,两帮移近量与掘进支护时间成反比。

实践证明在相同的支护强度下,采用倒梯形巷道断面与原来矩形断面相比:巷道变形量小,易维护,煤帮稳定,巷道底鼓量小;巷道受掘进动压影响变化不大;避免了煤帮松脱空顶、底鼓等不利影响,支护成本低,而且节约了维修费,安全和经济效益相当明显。

[1] 王文星,岩体力学[M].中南大学出版社,2004

[2] 钱鸣高,石平五,矿石压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

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