大断面巷道破碎顶板支护优化_李志东.pdf

2023年第7期西部探矿工程*收稿日期：2022-03-14作者简介：李志东（1978-），男（汉族），山西左云人，工程师，现从事煤矿安全生产管理工作。大断面巷道破碎顶板支护优化李志东*（山西煤炭进出口集团左云长春兴煤业有限公司，山西 大同 037100）摘要：基于长春兴煤矿601运输顺槽在掘进期间受地质构造影响，巷道顶板原锚杆（索）支护出现严重失效现象，导致巷道顶板破碎严重，分析了顶板支护失效机理，并根据掘进现状对巷道顶板支护进行合理优化，降低原同一排单锚杆支护优化改进为锚杆、锚索交替布置，通过实际应用效果来看，取得了显著支护效果。关键词：大断面巷道；破碎顶板；支护优化；应用分析中图分类号：P61 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)07-0117-03煤矿巷道支护技术是煤矿开采中的关键技术，保持围岩稳定，控制巷道变形和破坏是实现矿山安全、高效生产的必要条件1-4，随着矿井向深度和广度发展，巷道支护问题表现得越来越突出。目前对于工作面巷道的顶板支护主要采用全 锚杆支护，存在的缺陷是锚杆锚固长度较小，杆体破断力较小，抗冲击性能差5-7，支护不佳，另外，所使用的钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉断，护顶效果差；而对于巷道的两帮支护，也采用全锚杆支护，且缺乏金属网和钢带，很容易造成两帮位移8，导致顶板支护失效或减弱。以长春兴煤矿601运输顺槽为研究对象，对巷道掘进期间支护失效机理进行合理分析，并对其进行优化改进。1巷道简介山西煤炭进出口集团左云长春兴煤业有限公司601运输顺槽位于井田南盘区，巷道东西走向布置，巷道东部为南盘区大巷，北部为601工作面，南部为井田边界，西部为矿井西部矿界及山煤集团韩家洼煤矿。601运输顺槽掘进长度为1700m，巷道设计为矩形断面，巷道掘进宽度为5.4m，高度为3.5m，巷道沿22#煤层底板进行掘进，煤层平均厚度为9.5m，平均倾角为2，煤层结构情况如下：平均煤层厚度：9.5m；煤层结构：含夹矸34层；煤层倾角：2；开采煤层：22#；煤种：气煤：稳定程度；较稳定；煤的容重：1.4t/m3；煤层硬度：23；可采指数：1；变异系数：11.57%。煤层情况描述：工作面布置于石炭系太原组中下部22#煤层中，22#煤层结构复杂，厚度较稳定，根据工作面钻孔Z906得知，22#层上距最近16-2#煤层约99.15m，下距最近25-1#煤层约12.7m，工作面煤层总厚12.47m，储量计算厚度9.5m，含34层夹矸。煤层大致走向东西，倾向北。倾角较小，平均-2。呈一单斜构造。601运输顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进至870m处，巷道掘进至855m处揭露一条逆断层，断层落差为2.4m，倾角为42，受断层影响巷道掘进至855m处围岩出现严重破碎现象，巷道顶板支护失效率高。2巷道原支护技术及支护失效机理2.1巷道原支护设计601运输顺槽顶板初步采用锚杆、锚索、金属网、W型钢带进行联合支护，具体支护方案如下：（1）锚杆支护：601运输顺槽顶板采用螺纹钢锚杆，锚杆杆体总长度为2.5m，杆体直径为22mm，锚杆两侧为无纵筋结构，端头为螺纹结构，螺纹长度为100mm，锚杆采用加长锚固方式9，每根锚杆采用两支锚固剂进行锚固，锚杆锚固长度为0.95m；顶板每排布置6根锚杆，锚杆布置间距为1.0m，布置排距为1.0m。（2）锚索支护：顶板锚索采用长度为6.5m，直径为17.8mm钢绞线，锚索采用端头锚固方式，每根锚索采用3支锚固剂进行锚固，锚固长度为1.55m，每排布置3根锚索，锚索间距排距=2.0m3.0m。（3）W型钢带支护：顶板采用的W型钢带长度为5.2m，钢带宽度为0.25m，钢带与顶板锚杆配合支护，1172023年第7期西部探矿工程钢带布置时与巷道两帮垂直。（4）金属网支护：钢带、锚杆支护前在顶板铺设一层金属网，金属网采用棱形网格且采用8#铅丝编制的，金属网长度为7.0m，宽度为2.0m，金属网铺设时网延伸至两帮长度不得低于0.5m，相邻两卷网采用叠加布置，叠加宽度为0.2m。2.2支护失效机理根据现场观察发现，巷道在揭露断层时顶板破碎现象，顶板锚杆锚固效果差，锚杆失效率达13%，综合分析顶板支护失效机理主要表现在以下几方面：巷道在揭露断层时，由于受构造应力影响，巷道顶板围岩稳定性差，特别是601运输顺槽煤厚9.5m，巷道预留顶煤厚度为6.0m，断层侵入煤层后破坏了顶煤稳定性，顶煤在断层作用下出现裂隙带10，导致顶煤出现松动圈，而锚杆支护时利用锚固剂进行锚固，然后施加预应力传递至稳定岩体内，但是当围岩破碎后锚杆锚固质量差，造成锚杆出现失效现象。3巷道顶板支护优化3.1支护优化设计顶板支护优化巷道顶板布置钢筋网、顶钢带以及每根钢带上间隔布置的顶锚杆，和在巷道两侧的帮锚杆，每根顶钢带上增设顶锚索，顶锚杆位于顶钢带的最中间两排，相邻顶钢带上的顶锚杆呈交错排列，总体上呈“Z”字形排列。为了进一步加强巷道两帮的支护，防止两帮位移导致顶板支护失效，本实用新型还包含增设在巷道工作面两侧的钢筋网及帮钢带，相距一定距离的帮钢带上增设至少一个帮锚索。铺设在巷道顶板上的钢筋网、顶钢带以及每根钢带上间隔布置的顶锚杆，间排距为900mm900mm，顶锚杆规格为20mm2400mm螺纹钢树脂锚杆，还包含设置在巷道两侧的帮锚杆，间排距为 900mm900mm，板规格为18mm2000mm螺纹钢树脂锚杆，每根顶钢带上增设顶锚索，顶锚索规格为17.8mm5200mm钢绞线，顶锚杆位于顶钢带的最中间两排，相邻顶钢带上的顶锚杆呈交错排列，总体上呈“Z”字形排列，顶钢带为12#槽钢。如图1所示，同时还包含增设在巷道工作面两侧的钢筋网及帮钢带，相距一定距离的帮钢带上增设一个帮锚索，帮锚索规格为17.8mm 3500mm钢绞线。3.2支护优化后（1）601运输顺槽断层区顶板支护优化后，减少同一排锚杆数量，增加锚索数量，将原来的单锚索更换为锚杆、锚索联合同排支护，从而实现了锚杆（索）组合梁（拱）支护和悬吊支护同步施工，通过锚索将锚杆支护区域岩体进行悬吊，控制锚杆支护区域岩体下沉量，从而提高锚杆支护质量。（2）通过对两帮增加钢筋网、锚索构件，控制断层区巷帮煤体出现破碎现象，提高两帮岩体稳定性，采用巷道顶板和两帮同时加固的原则，加强两帮支护，大大增强支护效果，避免了因两帮失稳导致巷道顶板稳定性下降、顶板断裂破碎现象。（3）由于原顶板采用的W型钢带厚度小且支护强度低，在应力区支护时钢带极易出现变形现象，不利于工作面后期回采时回收，而顶板支护优化后顶板W型钢带更换为槽钢，不仅可回收重复利用，而且改变了原有钢带强度不足的现状。3.3实际应用效果分析2021年8月17日早班对601运输顺槽顶板支护进行优化，截止8月25日巷道已掘进至925m，巷道已过断层应力区，通过对断层区每隔20m 安装一台YH-300型顶板离层仪，共计安装两台，通过10d现场观察发现，支护优化后，应力区顶板下沉、破碎现象明显降低，在05d范围内围岩出现塑性变形，顶板支护未起到有效的耦合支护作用，顶板出现小量下沉现象，随着支护作用体现，顶板下沉量逐渐减小，在第8d顶板停止下沉，顶板总下沉量为0.14m。4结束语巷道掘进期间围岩控制是重要一项环节，通过对围岩采取合理有效的支护技术，从而降低围岩变形、破碎现象，防止顶板事故，保证巷道安全掘进，但是在实际巷道掘进过程中，由于受地质构造、煤岩层结构以及图1601运输顺槽支护优化后平面示意图1182023年第7期西部探矿工程支护技术等影响，采用传统的单锚杆（索）支护时，支护单一、支护效果差，达不到预期支护效果；长春兴煤矿601运输掘进过程中针对锚杆支护失效机理，对原支护进行优化改进后，在不增加支护成本费用得同时，大大提高了支护质量，简化了支护工序，满足大断面巷道破碎围岩支护作用，具有一定的推广意义。参考文献：1要华伟.西曲矿12312工作面回采巷道围岩支护优化研究J.煤矿现代化，2022（2）：18-20.2张小宇.球形托盘在巷道支护中的优化应用研究J.山东煤炭科技，2022（2）：83-85.3张立杰.回坡底煤矿回采巷道支护优化选择J.江西煤炭科技，2012（1）：22-23.4王博.厚软煤层巷道支护优化研究J.煤，2022（1）：86-88.5张敏.掘进巷道顶板支护的优化及应用J.山西冶金，2021（6）：302-303.6李乾.快速掘进条件下回采巷道支护优化研究J.矿业装备，2021（6）：10-11.7黄华.沙坪煤矿1815回撤巷道支护优化设计与应用J.能源与环保，2021（10）：202-205.8杨玉龙.基于预应力场分布的回采巷道支护参数优化研究J.山西煤炭，2021（3）：90-96.9贾雅雅.掘进巷道过应力区支护优化设计J.机械管理开发,2020（5）：164-165.10赵伟.过断层巷道围岩破坏机制及支护优化J.矿业研究与开发，2021（7）：129-134.63m 的膨润土浆表观粘度最高；在 30、40、50、60、70和80条件下，粒径为106m的膨润土浆表观粘度均最高；在各阶段温度条件下，粒径为75m的膨润土浆的表观粘度均最低。3结论及建议（1）钻井液中固相颗粒的尺寸应该控制在一个合理范围内，尺寸适中的颗粒可以进入地层孔隙帮助形成滤饼从而阻止其他钻井液组份（如聚合物）等进入地层，在降低滤失量避免钻井液损失的同时有助于稳定地层。（2）在相同的膨润土浓度下，粒径为38m和63m的膨润土细颗粒比较粗粒度（75m和106m）表现出更高的表观粘度、塑性粘度和动切力。（3）但在相同膨润土浓度下，粒径为38m的膨润土浆的滤失量最低，说明粒径小有助于膨润土在水中的水化分散，有助于降低滤失量。（4）在所实验的浓度范围内，膨润土浆的表观粘度均随着浓度的增加而相对增加；在所实验的浓度范围内，膨润土浆的塑性粘度均随着浓度增加而相对增加；在所实验的粒径范围内，膨润土浆的滤失量均随着浓度的增加而相对减少；在所实验的粒径范围内，所有粒径膨润土的表观粘度都随着温度的升高而略有增加。（5）推荐使用粒度为38m和63m的膨润土进行配浆，在 5.0%膨润土浓度下可以满足 API 和 OCMA(1975)中对性能的要求。参考文献：1高磊.耐温耐盐降滤失剂的合成及与蒙脱土的相互作用研究D.山东大学，2010.2王平全，周世良.钻井液处理剂及其作用原理M.北京：石油工业出版社，2003：180-197.3王中华.钻井液化学品设计与新产品开发M.西安：西北大学出版社，2006：86-153.表35%膨润土浆在不同温度下的表观粘度变化温度（）2030405060708038m17.520.521.021.522.023.523.563m192121.522.523.023.523.075m15.517.519.020.521.022.523.0106m18.521.522.523.524.525.527.5（上接第112页）119