大斷面煤巷底鼓和巷幫控制技術與應用

劉新河 趙天佑 崔石磊 于海洋

(河北工程大學,河北省邯鄲市,056038)

大斷面矩形煤巷在頂板較穩定、煤層和底板相對較軟的情況下,易導致煤巷片幫,造成空幫掉頂,底板鼓起、巷道變形嚴重。采用錨桿掛網支護的巷道,由于煤幫松動脫落,錨桿外露失去控幫能力,必須進行二次架棚支護。架棚巷道,由于采用被動支護,煤幫松動,會引起棚子歪斜,應力集中,將棚腿、棚梁壓彎失去控幫控頂能力,以致一條巷道在服務期內需要進行多次翻修。分析其中原因:一是巷道形狀和規格設計不合理,不利于巷道周邊圍巖支撐壓力均衡,造成應力集中較高,松軟底板受擠壓較大;二是巷道支護不及時,使圍巖失去應有的支撐能力。通過采用相似材料模擬研究和數值模擬計算,并結合長期的實踐觀察,確定合理大斷面煤巷的斷面形狀和巷道腰線寬與巷高的比,以及錨桿支護參數,將此研究結果在中平能化三環公司5#煤層采區下山大斷面煤巷進行試驗,取得了較好效果。

1 煤層概況

平煤神馬能源化工集團三環公司開采的5#煤層賦存較穩定,平均煤厚2.8 m,煤層傾角12°,煤層普氏硬度系數f=1.2～1.5,煤層直接頂板為石灰巖,平均厚度4.0 m,較穩定,局部受構造影響,裂隙發育,常造成局部冒頂,煤層直接底為灰白色厚層狀泥砂巖。

2 矩形巷道應力分布特點

通過相似材料模擬和數值計算,矩形巷道圍巖應力分布具有如下特點。

(1)頂板中點水平應力在周邊附近為拉應力,沿頂板中心線向上,拉應力逐漸減小,并轉化為壓應力,到頂板上面壓應力最大,趨近于原巖應力。壓應力分布均勻、范圍大,集中程度低。

(2)底板表面中點應力較小,往內部逐漸增大,最大值稍大于原巖應力。

(3)兩幫中點拉應力最大,隨兩幫高度增大而增大,集中系數較高。但隨巷道高寬比接近巷道側應力系數,兩幫中點不出現拉應力,只有壓應力,而且集中程度較小。

(4)兩幫與頂板夾角處切應力最大,越往下越小,到底板夾角處接近于零,如圖1所示。

圖1 矩形煤巷周邊應力分布示意圖

原巷道斷面為矩形,由于巷道所處圍巖的特點及圍巖受集中應力的作用,經過一段時間后,巷道形狀如圖2所示。

圖2 矩形巷道煤壁片幫后的斷面形狀

研究表明:巷道側壓系數沿巷幫并不是均勻分布的,而是從上向下由大到小近似呈斜直線分布,倒梯形巷道腰線寬與高的比最接近于側壓系數,因而巷道周邊的應力集中系數最低,最有利于巷幫穩定;同時巷道周邊應力集中程度小,也說明巷道兩側的支撐壓力向煤體深部轉移,再加上倒梯形巷道本身就使兩幫支撐壓力向煤體深部轉移,使松軟底板受巷道兩側支撐壓力擠壓減小,從而避免了底鼓對安全生產造成的不利影響。為此,我們選擇倒梯形巷道,嚴格控制腰線寬與巷高的比值,并嚴格執行施工措施,保證巷道成形好、及時支護。矩形巷道頂板中點和兩幫應力集中系數隨巷道斷面巷高與腰線寬比和側應力系數s(巷道斷面上所受水平應力和鉛直應力之比)關系的變化見表1。從表1中數據可以看出巷道的巷高與腰線寬的比越接近巷道側壓系數s,巷幫和頂板中點的應力集中系數越低,越有利于巷幫穩定。

表1 巷道頂板中點和兩幫中點應力集中系數隨巷道斷面巷高與腰線寬比和側應力系數s關系的變化

3 存在的問題及對策

(1)巷道兩幫應力影響區隨巷幫高度增大而增大,相應應力集中系數較高,如果應力很高,巷道周邊附近應力就會超過煤體承載能力而產生破裂片幫。

(2)大斷面煤巷巷幫與頂板轉角處受最大切應力影響,巷幫中點容易受最大拉應力影響,轉角處和巷幫中點往往來不及支護就松動脫落,給施工安全和巷道控幫造成很大影響。

(3)由于一次成巷斷面大,支護不及時容易造成煤幫松動,尚未開始支護就片幫。

(4)矩形大斷面巷道底鼓比較嚴重,底鼓占頂底板移近量的89%。

針對上述問題,應采取以下對策。

(1)改變大斷面煤巷巷道斷面形狀,使巷道形狀由矩形改為倒梯形,不僅可以減小切應力對巷幫與頂板轉角處的影響,有利于巷幫支撐壓力均衡,而且可使巷道兩幫支撐壓力向煤體深部轉移,底板受擠壓減少。

(2)調整巷道的高寬比,使其接近巷道的側壓系數,使巷幫中點不出現拉應力,壓應力集中系數較低。

(3)改變巷道施工程序,大斷面煤巷斷面成形分上下兩段施工,先沿巷道頂板掘進約1.7 m高的上半斷面,刷掉余留,掛網打錨桿固定煤幫,然后挖掉下半段煤,煤層薄處破底,達到設計規格,并繼續加固煤幫。此種施工方式,解決了一次成巷造成支護不及時的問題,盡最大可能保持了巷幫的自承能力。由于采用臺階式掘進和錨桿掛網及時加固煤幫,在巷道水平應力逐漸增大的過程中,水平應力和鉛直應力趨于均化,煤幫的自承能力提高,從而對保持巷道的穩定性起到重要作用。

4 巷道斷面形狀及支護參數的確定

煤巷斷面形狀確定為倒梯形,采用錨桿掛網支護形式。

(1)錨桿用左旋全螺紋鋼配托盤和螺帽,錨桿規格為?16 mm×1800 mm。

(2)錨桿間、排距分別為800 mm和800 mm,允許正負誤差為50 mm。

(3)錨桿角度與煤幫垂直,其支護斷面如圖3所示。

圖3 倒梯形巷道斷面

5 礦壓觀測

5.1 觀測站布置

圖4 采區下山觀測站布置示意圖

在5#煤層采區軌道下山設置巷道變形觀測站,對巷幫和頂底板移近量進行觀測。從水平大巷與采區軌道下山交叉點沿軌道下山向下300 m范圍內,無掘進動壓影響區每隔40 m設置1個圍巖變形觀測站,進行圍巖變形觀測,安裝1套頂板離層儀,對煤幫進行觀測;300～350 m范圍內,受掘進動壓影響區每隔15 m設置1個圍巖變形觀測站,安裝1套頂板離層儀,如圖4所示。圖中數字1、2、3等表示觀測站。

5.2 觀測結果

無掘進動壓影響區內,巷道變形小,煤壁穩定,無松動脫層。觀測站頂底板平均移近量為410 mm,最大頂底板移近量為430 mm,底鼓占頂底板移近量的70%,最大占78%。測站兩幫平均移近量為153 mm,最大移近量為165 mm,兩幫總體移近量均衡。說明煤巷巷幫變形較小,承載能力較好。受掘進動壓影響區,觀測站頂底板平均移近量為435 mm,最大頂底板移近量為450 mm,底鼓占頂底板移近量的60%;兩幫平均移近量為180 mm,最大移近量為190 mm,煤幫稍有松動,但總體變形均勻,承載能力較好。

6 結論

(1)煤層頂板穩定、底板松軟時,大斷面煤巷可采用倒梯形巷道,使圍巖受力均勻,應力集中程度小,煤幫整體承載能力較好,不易片幫,底鼓量小,巷道變形量小。

(2)掘進對煤巷巷幫的影響較大,采用臺階式掘進減少掘進支護的滯后時間,達到及時支護的目的,能取得較好的效果。

(3)頂底板、兩幫相對移近速度變化隨時間呈遞減狀態,兩幫移近量與掘進支護時間成反比。

實踐證明在相同的支護強度下,采用倒梯形巷道斷面與原來矩形斷面相比:巷道變形量小,易維護,煤幫穩定,巷道底鼓量小;巷道受掘進動壓影響變化不大;避免了煤幫松脫空頂、底鼓等不利影響,支護成本低,而且節約了維修費,安全和經濟效益相當明顯。

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