煤礦堅(jiān)硬頂板回采巷道底鼓控制技術(shù)研究

李 忠

(大同煤礦集團(tuán) 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

·試驗(yàn)研究·

煤礦堅(jiān)硬頂板回采巷道底鼓控制技術(shù)研究

李 忠

(大同煤礦集團(tuán) 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

針對(duì)國(guó)投塔山煤礦10209回采巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件，分析了回采巷道在采動(dòng)影響下巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)。通過分析，回采巷道底鼓主要影響因素為采動(dòng)過程中的超前支承壓力，建立底板巖層滑動(dòng)力學(xué)模型，提出加強(qiáng)兩幫支護(hù)強(qiáng)度及安裝底角錨桿對(duì)底板巖層進(jìn)行控制的思路。以國(guó)投塔山煤礦10217回采巷道為背景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，表明底鼓控制方案安全可靠，為堅(jiān)硬頂板軟巖底板回采巷道底鼓控制提供依據(jù)。

巷道底鼓；支承壓力；底角錨桿

巷道是礦井的咽喉，為保證安全高效生產(chǎn)，礦井巷道要盡量保證其設(shè)計(jì)斷面尺寸。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭需求量的不斷增加，礦山開采技術(shù)的迅速提高，開采設(shè)備趨向大型化、工作面單產(chǎn)的提高需要更大斷面的巷道以保證通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)囊?。在所有煤礦巷道中，回采巷道的圍巖條件、應(yīng)力狀況最為復(fù)雜，底板巖層一般較為軟弱，在超前支承壓力的影響下，底鼓現(xiàn)象十分普遍。巷道底鼓發(fā)生后，巷道斷面縮小，阻礙運(yùn)輸、通風(fēng)和人員行走，因底鼓而造成巷道報(bào)廢的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和威脅安全[1-3].

1 礦井概況及回采巷道底鼓情況

1.1 礦井概況

國(guó)投大同能源有限公司塔山煤礦擴(kuò)建項(xiàng)目屬大同市“6656”重點(diǎn)工程項(xiàng)目，并被列入山西省煤炭工業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃。國(guó)投塔山煤礦主要開采2#煤層，傾角在3°左右，在10209工作面回采過程中，10209回風(fēng)平巷出現(xiàn)了嚴(yán)重的底鼓問題，底鼓量最大可達(dá)600 mm，嚴(yán)重影響了通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)刃枨螅⑶矣绊懥顺爸Ъ艿那耙?，制約了礦井的正常回采。

國(guó)投塔山煤礦煤巖體主要巖石力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 煤巖石主要力學(xué)參數(shù)表

經(jīng)煤巖力學(xué)測(cè)試，國(guó)投塔山10209工作面中砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到89.0 MPa，粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到62.76 MPa，國(guó)投塔山煤礦2#煤的頂板強(qiáng)度較大，為堅(jiān)硬頂板；2#煤的單軸抗壓強(qiáng)度為9.49 MPa，屬于軟煤；底板炭質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度為19.51 MPa，屬于軟巖。

1.2 巷道原支護(hù)情況

10209回風(fēng)平巷為矩形斷面，巷道斷面尺寸為：寬5 000 mm×高3 300 mm，10209回風(fēng)平巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂錨桿均為d22 mm×2 400 mm左旋無縱筋高強(qiáng)度錨桿，150 mm×150 mm×10 mm鋼托盤，每根錨桿用Z2360樹脂藥卷2支；回風(fēng)平巷兩幫采用d18 mm×1 800 mm普通螺紋鋼錨桿，150 mm×150 mm×10 mm鋼托盤，每根錨桿用Z2360樹脂藥卷1支。頂部掛網(wǎng)孔均為100 mm×100 mm冷拔絲網(wǎng)，兩幫自頂以下2.4 m，煤柱幫掛網(wǎng)采用8#菱形鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔為100 mm×100 mm，頂錨桿間排距均為900 mm×1 000 mm，幫錨桿間排距均為1 000 mm×1 000 mm.

所有錨索均為d15.24 mm×5 100 mm鋼絞線，每根用Z2360樹脂藥卷3支，300 mm×300 mm×10 mm鋼板。錨索沿巷道中心線布置，排距為2 000 mm，每排1根，錨索必須緊跟迎頭。

1.3 原支護(hù)下巷道變形及應(yīng)力分布情況

采用十字測(cè)量法對(duì)10209回風(fēng)平巷表面位移進(jìn)行觀測(cè)，通過對(duì)巷道表面位移的觀測(cè)，分析巷道圍巖變形規(guī)律。

在采動(dòng)影響下，該測(cè)站的巷道表面變形量及變形速度見圖1，2.

圖1 巷道頂?shù)装逡平壳€圖

圖2 巷道頂?shù)装逡平俣惹€圖

由圖1，2可得，在整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi)，巷道頂板累計(jì)下沉量為91 mm，巷道累計(jì)底鼓量為591 mm，頂板下沉速度最大為20 mm/d，底鼓速度最大為131 mm/d，均發(fā)生在距離工作面16 m處，此后，頂板下沉速度及底鼓速度均急劇下降,由此可以推斷在距離工作面16 m的時(shí)候，工作面超前支承壓力達(dá)到峰值。

2 國(guó)投塔山煤礦回采巷道底鼓機(jī)理研究

回采巷道產(chǎn)生底鼓最主要的原因是工作面超前支承壓力的影響，超前支承壓力由頂板通過兩幫傳遞給底板，其大小與分布狀況決定回采巷道底鼓的強(qiáng)烈程度。

支承壓力影響下，煤柱與底板的力學(xué)關(guān)系類似于建筑物的基礎(chǔ)與地基的關(guān)系[4，5]. 支承壓力通過兩幫傳遞到底板，力學(xué)模型見圖3. Ⅰ區(qū)處于主動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)，底板沿bc產(chǎn)生滑移，應(yīng)力通過Ⅱ區(qū)過度到被動(dòng)應(yīng)力區(qū)Ⅲ區(qū)，使巷道底板向上隆起，擠入巷道，造成底鼓顯現(xiàn)。圖中L表示支承壓力有效影響范圍，D表示破壞深度。

圖3 支承壓力作用下底板巖層滑動(dòng)力學(xué)模型圖

D=rcosθ=r0eα·tanφcosθ

(1)

(2)

(3)

由式(3)知，支承壓力的分布情況影響底板的破壞深度，支承壓力峰值距離巷幫越遠(yuǎn)，底板破壞深度越深，即底板零位移點(diǎn)越深，將導(dǎo)致Ⅲ區(qū)巖體向上位移增加，巷道底鼓現(xiàn)象加劇。

運(yùn)用巖體極限平衡理論，支承壓力峰值距離巷幫L為：

(4)

基于普朗特爾理論基礎(chǔ)[4，5]，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)為K時(shí)，被動(dòng)應(yīng)力區(qū)承受應(yīng)力q為：

(5)

式中：

C2—底板巖層內(nèi)聚力；

γ2—底板巖層容重；

NC、Nq、Nr—承載力系數(shù)，與底板內(nèi)摩擦角相關(guān)。

將式(5)帶入式(4)得

(6)

由式(6)可知，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的降低，煤體及底板巖層內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的增大，底鼓量會(huì)相應(yīng)減小。

以10209工作面為背景，式(6)相關(guān)計(jì)算參數(shù)為：煤體內(nèi)聚力C1取1.73 MPa，底板巖層內(nèi)聚力C2取2.03 MPa，礦井巖層平均容重γ1取25 kN/m3，底板巖層容重γ2取25 kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)為k取2.7，煤體內(nèi)摩擦角φ取19.75°,巷道高度m取3.3 m，三軸應(yīng)力系數(shù)ξ取2.021，煤層與頂?shù)装褰佑|面摩擦因數(shù)f取0.359，錨桿支護(hù)強(qiáng)度取0.1 MPa，煤層埋深H取450 m，NC、Nq、Nr[6]依據(jù)底板內(nèi)摩擦角21.4°分別取14.83、5.39、6.40，帶入式(6)得q=0.034 MPa.

3 回采巷道底鼓控制思路

由10209工作面回風(fēng)平巷底鼓產(chǎn)生機(jī)理可知，較大的支承壓力及兩幫的下沉、內(nèi)移產(chǎn)生的采動(dòng)水平應(yīng)力是導(dǎo)致底鼓的主要原因。由于巷道所受支承壓力不易改變，故采用加強(qiáng)支護(hù)的方法對(duì)巷道底板及兩幫進(jìn)行控制。

1) 對(duì)巷道底板進(jìn)行有效支護(hù)。

安裝巷道底角錨桿對(duì)巷道底板進(jìn)行有效支護(hù)。由于底板在支承壓力作用下主動(dòng)應(yīng)力區(qū)沿bc面滑移，因此，沿ac方向布置底角錨桿，錨桿阻力可制約主動(dòng)應(yīng)力區(qū)巖體的滑移，進(jìn)而控制被動(dòng)應(yīng)力區(qū)的向上位移，減小巷道底鼓量。

2) 加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)。

加強(qiáng)兩幫錨桿支護(hù)密度。兩幫的有效支護(hù)可減小兩幫下沉及巷內(nèi)移近，進(jìn)而減小采動(dòng)水平應(yīng)力引起的壓曲及瞬時(shí)擴(kuò)容量，減小底鼓量。

被動(dòng)應(yīng)力區(qū)承受應(yīng)力為0.034 MPa，底角錨桿按原支護(hù)排距計(jì)算，考慮現(xiàn)場(chǎng)底角錨桿安裝位置距煤幫200 mm，d22 mm BHR335螺紋鋼錨桿支護(hù)強(qiáng)度為0.041 MPa，滿足應(yīng)力條件。

綜上所述，底鼓控制方案可定為頂板與原支護(hù)參數(shù)相同，兩幫錨桿選用BHR335左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距改為900 mm，幫底角錨桿傾角為20°；底板底角錨桿選用BHR335左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，由于ac與水平面夾角β<58.2°，長(zhǎng)度為2～2.6 m，與垂直面角度為20°～60°，綜合考慮控制效果及經(jīng)濟(jì)性，底角錨桿長(zhǎng)度可選為2.4 m，安裝角度可選為30°.

4 工業(yè)性試驗(yàn)

基于上述控制思路，于2015年3月在10217工作面回風(fēng)平巷進(jìn)行工程實(shí)踐。10217回風(fēng)平巷支護(hù)方案頂板參數(shù)與10209回風(fēng)平巷相同，在兩幫靠近底板300 mm處安裝幫角錨桿，安裝角度為20°，錨桿采用d22 mm×2 400 mm BHR335高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

在巷道底板安裝底角錨桿，錨桿采用BHR335高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其規(guī)格為d22 mm×2 400 mm. 錨固為樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，每根錨桿用Z2360樹脂藥卷2卷。兩底角錨桿分別距頂巷道兩幫200 mm，布置角度均為30°. 錨桿的排距為1 000 mm，與頂幫錨桿排距保持一致。

在10217回風(fēng)平巷布置礦壓監(jiān)測(cè)站。測(cè)站距工作面150 m，測(cè)站布置2個(gè)測(cè)面，測(cè)面間距1.0 m. 監(jiān)測(cè)內(nèi)容為巷道表面位移。

在采動(dòng)影響下，測(cè)站的巷道表面變形量及變形速度見圖4.

圖4 巷道頂?shù)装遄冃吻€圖

在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，巷道頂板累計(jì)下沉量為72 mm，底鼓量為258 mm，兩幫累計(jì)移近量為388 mm. 與10209回風(fēng)平巷底鼓量591 mm相比，底鼓量減小56.35%，底板巖層得到有效控制。工業(yè)性試驗(yàn)取得成功。

5 結(jié) 論

1) 回采巷道產(chǎn)生底鼓主要的原因是工作面超前支承壓力的影響，超前支承壓力由頂板通過兩幫傳遞給底板。巷道底板向上隆起，造成底鼓顯現(xiàn)。

2) 采用加強(qiáng)兩幫支護(hù)、安裝底角錨桿控制底鼓的方式經(jīng)濟(jì)有效，為堅(jiān)硬頂板條件下的軟巖底板回采巷道提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 鄭西貴，劉 娜，張 農(nóng)，等.深井巷道撓曲褶皺性底臌機(jī)理與控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):417-423.

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Floor Heave Control of Gateroad in Hard Roof Coalmine

LI Zhong

Based on geological conditions in No.10209 gateroad in Tashan coalmine, the paper makes a deep research on the floor heave mechanism and control method under the influence of mining. By deliberate analysis, the main factors of the floor heave are the abutment pressure formed in mining, building slide mechanical model of floor strata, putting forward control ideas of strengthening the support intensity of two coal side and installing base corner bolts. Industrial experiment shows that the floor heave control method in Tashan coalmine behaved safe and reliable, it provides reference for the floor heave control in hard roof and soft floor gateroad.

Floor heave; Abutment pressure; Base corner bolt

2016-12-12

李 忠(1989—)，男，山西右玉人，2013年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師,主要從事煤礦開采技術(shù)研究

(E-mail)Lz023@163.com

TD353

B

1672-0652(2017)01-0034-04