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探讨赵庄煤矿大断面软弱顶板煤巷支护方案的优化

2020-09-16 228 上传者：管理员

摘要：赵庄煤矿3319工作面回风巷为大断面巷道,由于支护设计不合理,该巷在掘进过程中出现了一定程度的破坏,严重影响矿井的正常安全生产。通过原位取芯、实验室力学实验、锚杆(索)原位拉拔测试等方法对巷道破坏原因进行了分析,并对原支护方案进行了相应优化,工程监测结果表明该优化方案对巷道围岩控制效果较好。

关键词：
原位取芯
大断面巷道
实验室力学实验
巷道围岩
矿业工程
锚杆(索)原位拉拔测试
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随着我国煤矿开采技术的不断发展,对煤炭的开采强度在不断增加[1,2],为满足矿井通风、运料、行人以及安装大型设备等要求,掘进巷道的断面也在不断扩大[3]。而我国近些年来的开采深度逐渐加深,开采环境也在日益恶化,这就对大断面巷道的支护提出了更高要求。

赵庄煤矿3319工作面回风巷布置于煤层之中,断面积达到了24.75m2,属于大断面巷道,掘进过程中由于支护设计不合理,出现了严重的变形破坏,给工作人员的人身安全带来了严重威胁,因此探明巷道的破坏原因并对原支护方案进行相应优化成为迫切需要解决的问题。

1、工程概况

赵庄煤矿3319工作面开采3号煤层,工作面埋深达500m,沿走向布置,倾向推进,采用综合机械化放顶煤采煤法。33192回风巷设计长度为886.054m,开口位置位于3103盘区辅运巷1600.0m处西帮,掘进方位角为270°29′12″,由东向西掘进施工。33192回风巷布置于3号煤层中,沿煤层顶板掘进,为矩形断面,其中掘进宽度为5500mm,高度为4500mm,掘进断面积24.75m2,属于大断面巷道。该巷采用锚网梁索联合支护方式,其中顶板每排布置5根D18mm×L2000mm左旋螺纹钢锚杆,间排距为1200mm×1000mm,施加预紧力为50kN;锚索采用1×19股高强度低松弛预应力钢绞线,直径17.8mm、长度6300mm,布置于两排锚杆之间,在巷中布置一根,在距巷中心左右两侧1400mm处分别各布置一根,排距为1000mm,施加预紧力为140kN。巷帮每排布置4根锚杆,间排距为1200mm×1000mm,锚杆型号以及所施加的预紧力与顶板一致。断面支护如图1所示。

图133192巷道断面支护布置示意

3192回风巷掘进后出现了严重的变形破坏,其中顶板下沉尤为明显,多根钢带发生弯曲变形,大量锚杆锚索被拉断且出现了多处兜网现象,两帮同样存在着不同程度的片帮,巷道破坏特征如图2所示。

图2顶板下沉

2、现场实测

2.1巷道顶底板围岩力学参数测试

由于33192回风巷跨度较大,该巷顶板岩层赋存状况以及物理力学属性对于巷道围岩稳定性具有重要影响,为了探究巷道的破坏原因并对原支护方案进行优化,在33192回风巷选取合适的位置布置取芯钻孔,将所取岩芯带回实验室并通过岩石力学试验机对其物理力学参数进行测试,测试结果见表1。

表1巷道顶板各岩层物理力学参数测试结果

由表1可知,巷道的直接顶为粉砂岩和砂质泥岩,厚度分别为4.12m和3.6m,抗压强度均偏低,分别为13.4MPa和18.9MPa,砂质泥岩的强度略高于粉砂岩。其中砂质泥岩和粉砂岩中均含植物化石,裂隙较为发育。老顶为6.74m厚的细粒砂岩和12.5m厚的中粒砂岩,这两层岩层强度偏高,围岩完整性较好。巷道的直接底为3.56m的砂质泥岩,老底则为4.47m的粉砂岩。由于巷道跨度较大,距巷道顶板表面7.7m深处范围内的岩层强度偏低,这为巷道的支护带来了巨大挑战。

2.2帮部锚杆原位拉拔测试

由于在生产实际中巷道帮部发生了一定程度的片帮,而帮部为煤体,强度偏低,对帮部围岩进行强有力的支护对于巷道顶板的整体稳定具有重要意义。在对巷道进行加强支护前必须掌握帮部煤体的可锚性,故对帮部锚杆的锚固力进行了原位拉拔测试,测试结果见表2。

表2巷道帮部锚杆可锚性测试结果

由表2可知,6根锚杆的平均锚固力为82.5kN,巷帮煤体具有较高的可锚性。而33192回风巷跨度较大,巷帮承受着上覆岩层较高的重力,原支护方案中锚杆所施加的预紧力仅为50kN,对帮部煤体的支护效果较差,因此为保证帮部煤体的稳定性,加强巷帮对顶板的支撑能力,可将锚杆的预紧力适当提高。

2.3地应力测试

33192回风巷埋深达到了500m且巷道跨度较大,顶板受力较为复杂。而在生产实际中顶板多根锚杆、锚索出现了剪断拉断的现象,故探明巷道顶板原岩应力的分布情况对于支护方案的优化具有重要意义。在该巷中选取合适的位置布置地应力测站,采用水压致裂法对顶板围岩的应力分布状况进行了测试,测试结果见表3。

表3地应力测试结果

由表3可知,1号测点、2号测点和3号测点的侧压系数分别达到了1.50、1.43和1.40,3个测点的平均侧压系数仍达到了1.44,该巷道顶板受水平应力影响较大。而巷道顶板7.7m深处范围内围岩强度偏低,在高水平应力的影响下各岩层间易发生水平错动,这对锚杆、锚索的支护极为不利,锚杆(索)须具有足够的强度。

3、巷道破坏原因分析

综合上述测试结果,可将33192回风巷的破坏原因归结为如下几点:

1)33192回风巷跨度较大,属于大断面巷道,同时顶板深处7.7m范围内的围岩含有大量植物化石,强度较低,整体受水平应力较为明显,而锚杆锚索的强度偏低,不能对顶板岩层进行有效的支护。

2)巷道埋深为500m且巷帮高度达到了4.5m,受上覆岩层重力影响较大。且帮部为煤体,强度较低,但仍具有一定的可锚性。而原支护方案中帮部锚杆的间排距较大,所施加的预紧力较低,不能对帮部围岩稳定性进行有效控制。

3)所使用的锚索长度较短,锚固段没有锚固在顶板7.7m深处以上具有较高强度的岩层之中。

4)不远处为3318工作面,该工作面正处于回采当中,33192回风巷不可避免地会受到工作面的采动影响。

4、支护方案优化

针对巷道破坏原因,对原支护方案进行如下优化:

1)顶板采用D22mm×L2400mm的左旋螺纹钢高强锚杆,每排布置6根,间排距缩减为1000mm×900mm,帮部每排布置5根同型号锚杆,间排距同样调整为1000mm×900mm,依据锚固力测试结果施加的预紧力统一提高至80kN。

2)将锚索更换为直径22.6mm、长度8000mm的1×19股高强度低松弛预应力钢绞线,预紧力提高至178kN,排距缩减至900mm。

优化后的巷道断面支护如图3所示。

图3优化后巷道断面支护示意