“一硬二軟”煤層沿空煤巷圍巖變形特點及支護對策

翟金騰

(河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦,河南省永城市,476600)

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“一硬二軟”煤層沿空煤巷圍巖變形特點及支護對策

翟金騰

(河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦,河南省永城市,476600)

基于計算數值模擬分析結果與現場工程實例,對河南龍宇能源公司陳四樓煤礦“一硬二軟”(具有頂板堅硬、煤層與底板軟弱)煤層沿空巷道的圍巖變形特點進行了分析,提出了關鍵在于控制兩幫位移的沿空巷道支護方式,即兩幫的支護強度在埋深小于600 m時不應小于0.2 MPa,埋深在600 m以上時,不應小于0.3MPa。

“一硬二軟”煤層 沿空巷道 圍巖變形 巷道支護 錨桿支護 數值模擬

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

所謂“一硬二軟”煤層,是指頂板堅硬、煤層及其底板較軟一種煤層賦存條件。河南龍宇能源公司陳四樓煤礦與西南交通大學共同合作對河南龍宇能源公司陳四樓煤礦具有“一硬二軟”特點的煤層的沿空巷道進行了實驗分析與現場試驗研究,研究了沿空巷道的圍巖變形特點,并進行了有的放矢地支護參數設計,取得了滿意的技術經濟效果。

1 “一硬二軟”巷道變形特點研究

1.1 圍巖塑性區特點

經計算機數值模擬分析,陳四樓煤礦“一硬二軟”煤層的沿空巷道圍巖中的塑性區分布在兩幫及煤層底板巖層中,頂板巖層完全處于彈性變形狀態。從埋深500 m到900 m,“一硬二軟”沿空煤巷頂板巖層中均無塑性區存在,隨著埋深的增大,巷道兩幫壓剪變形塑性區逐漸變小,巷道底板中的拉伸變形塑性區逐漸增大。在現場,這種巷道的礦壓顯現表現為劇烈的兩幫移近與底鼓。

1.2 巷道位移特點

通過現場實測數據,繪制出“一硬二軟”煤層堅硬頂板沿空巷道圍巖變形規律圖,見圖1,列出“一硬二軟”沿空巷道頂板離層實測數據,見表1。

表1 “一硬二軟”沿空巷道頂板離層實測數據

圖1 陳四樓煤礦不同開采深度下“一硬二軟”沿空巷道表面位移

圖1和表1表明:這種煤層條件的沿空巷道,頂板巖層處于彈性應力狀態。頂底板與兩幫劇烈移近,是由兩幫煤體在頂板壓力下產生壓縮變形所至。底鼓一方面是因煤巷底板一般不進行支護,另一方面是因為在相鄰工作面采空區邊界上有較大面積的懸頂,使兩幫煤體強烈受壓,煤層底板產生橫向位移對巷道底板產生水平擠壓所至。在埋深超過700 m時,頂底板移近量與底鼓量均呈現加速之勢;而兩幫移近量在埋深超過600 m就開始加速。1.3 支護參數設計

“一硬二軟”煤層的沿空巷道支護成敗的關鍵在兩幫。因此采取的設計方案:一是加大幫錨桿的支護強度與剛度,可考慮采用大直徑錨桿,如采用?22錨桿,在埋深超過600 m時支護強度達到0.3 MPa;盡可能加大錨固長度,使錨固長度達到1.5 m(錨桿有效長度2 m左右)及以上。二是在靠工作面一側,采用幫錨索,埋深小于600 m打1排?18.9 mm×6.5 m或?21.6 mm×6.5 m幫錨索,埋深在600 m及以上打2排 (同上規格)幫錨索。兩幫移近量控制的程度主要看允許的巷道位移量。只要能滿足使用要求即可。由于堅硬頂板不用擔心頂板離層破碎,頂部的支護強度不必過大,巷道寬度也可適當增大。事實上沿空巷道的兩幫最終移近量可能遠大于計算機模擬分析結果。只要滿足工作面生產時的安全生產需要,支護就算是成功的。對回采巷道底鼓,只能采用生產過程拉底清理的辦法。目前來看,底鼓對生產影響不大。

2 現場工程實例

21109運輸巷位于河南龍宇能源公司陳四樓煤礦十一采區21109工作面。該巷與21108工作面采空區相鄰。該巷自開口至500 m范圍為“一硬二軟”煤層條件,巷道最低處埋深580 m。巷道凈寬3600 mm,掘進寬度約4000 mm。考慮到巷道頂幫條件,頂部錨桿?20 mm×2.2 m,間排距800 mm ×900 mm,兩幫錨桿?18mm×2.2 m,間排距600 mm×600 mm。施工采用掘進機破煤和裝運煤,在施工中采用兩幫預留不小于400 mm的光面層,最后用風鎬或手鎬刷幫成形。施工中要求幫錨桿托盤必須緊貼實幫,超挖之處在錨桿托盤與煤幫之間墊上200 mm×200 mm木板或木墩,確保幫壓向錨桿托盤傳遞。

動壓區外實測巷道兩幫移近量 700～1100 mm,動壓區內1300～1500 mm(最終移近量,包括動壓區外移近量在內),帶式輸送機的最大寬度位于動壓區外,巷道寬度滿足使用要求;在動壓區內,轉載機機身寬度較小,2400 mm以上的巷道寬度即可滿足要求。圖2為陳四樓煤礦21109運輸巷堅硬頂板沿空巷道兩幫移近實測曲線圖。在動壓到來之前,兩幫移近量有一個相對穩定期。

圖2 21109運輸巷兩幫移近量實測曲線

在此期間,移近速度緩慢增長,最終穩定在1 mm/d以下。

3 結論

堅硬頂板沿空巷道支護成功的關鍵在兩幫。采用錨網支護時,對幫錨桿的要求如下。

(1)幫錨桿要有較大的剛度,盡可能加大錨固長度,目的在于使煤幫位移可控,而不是完全阻止煤幫位移。

(2)要有適當的支護強度。在埋深600 m以淺,支護強度不應小于0.2 MPa;在600 m以深,支護強度應當不小于0.3 MPa。

(3)堅硬頂板沿空巷道頂板巖層只存在彈性變形,可考慮盡可能小的支護強度。

(4)實踐表明,在600 m埋深以淺,堅硬頂板沿空巷道的底鼓,對現場生產影響不大。

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(責任編輯 張毅玲)

"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

B

翟金騰 (1954-),男,河南省輝縣市人,高級工程師,現任永煤集團陳四樓煤礦副總工程師,主要從事煤礦井巷工程支護技術研究工作。