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小回沟矿2204工作面运输巷变形特征与优化支护技术分析

2024-06-12 60 上传者：管理员

摘要：2204工作面运输巷变形严重，通过现场观测、巷道变形监测以及支护原理分析，最终认为2号煤层及其顶底板裂隙发育，巷道支护范围较小，底角未进行支护以及巷道支护方式与围岩变形特征匹配性不好是2204工作面运输巷变形的主要原因，最终通过改变顶板锚杆与锚索的规格，增加补强锚索等方式使巷道变形得到了明显的控制，为后续巷道施工指明了方向。

关键词：
围岩
小回沟矿
支护方式
裂隙发育
运输巷变形
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巷道围岩条件不同、支护设计不合理是造成巷道变形严重的主要原因之一[1,2,3,4,5,6],小回沟煤矿2204工作面运输巷在掘进过程中针对巷道变形严重这个问题，从现场观测、巷道变形监测数据分析以及支护原理分析等方面入手，最终认为2号煤层及其顶底板裂隙发育，巷道支护范围较小，底角未进行支护以及巷道支护方式与围岩变形特征匹配性差是2204工作面运输巷变形的主要原因，最终通过改变顶板锚杆与锚索的规格，增加补强锚索等方式使巷道变形得到了明显的控制，为后续巷道施工指明了方向。

1、工作面概况

小回沟矿2204工作面位于二采区北翼中部，西侧为已经开采结束的2301工作面，平行相距135 m, 东侧为2201工作面，平行相距40 m, 南侧为采区4条大巷保护煤柱，北侧为G339国道保护煤柱，对应的地面位置为典型的黄土高原地貌，山峦叠嶂，沟谷纵横，无村庄分布，第四系地层全区覆盖，地表发育有3条冲沟，分别为在峁沟、大厘站沟、水沟，旱季干枯无水，雨季形成河流。2204工作面走向设计长度为1 222 m, 倾向设计宽度为175 m, 主要开采2号煤层，2号煤层厚度为2.4～3.2 m, 倾角为1°～8°,煤层结构简单，无夹矸，自燃倾向性等级为Ⅲ类，煤层顶底板岩性如图1所示。2204工作面范围内2号煤层顶板标高为+902.5～+915.7 m, 工作面对应地面标高为+1 288.1～+1 392.3 m.

图1 2204工作面2号煤层顶底板岩层综合柱状示意

2204工作面运输巷位于工业广场西北侧1 295 m, 开口位置距副斜井井口距离为1 335 m, 巷道宽度为4.5 m, 高度为3.5 m, 巷道具体支护情况如下：巷道顶板采用锚杆加短锚索支护，每排5根，按照间排距为2 000 mm×1 000 mm布置，其中两肩窝为螺纹钢锚杆，规格为Φ20.0 mm×2 400 mm, 预紧扭矩不小于300 N·m, 托盘采用280 mm×450 mm×5 mm的W钢护板配合150 mm×150 mm×10 mm拱形托盘，锚杆按照倾角为+75°打设，短锚索采用Φ21.6 mm×6 300 mm, 预紧力不低于200 kN,托盘采用200 mm×200 mm×16 mm钢垫板，锚索按照垂直向上的方式打设，预紧后外露150～250 mm, 同时配合使用W钢带进行支护，金属网选用10号矿用金属菱形网；巷道两帮采用螺纹钢锚杆支护，锚杆规格为Φ20.0 mm×1 800 mm, 预紧扭矩不小于300 N·m, 托盘采用280 mm×450 mm×5 mm的W钢护板配合150 mm×150 mm×10 mm拱形托盘，支护设计如图2所示，然而在掘进过程中，巷道受矿山压力的影响，已经掘进完成的100 m巷道，不足两个月的时间内顶底板和两帮不断变形，具体如下：巷道顶板在掘进完成后的45 d内累计下沉量达到了209 mm, 底板累计鼓起量达到了136 mm, 两帮累计移近量达到了178 mm, 巷道变形情况如图3所示，从图中可以看出，顶板下沉速度在巷道刚施工完成时，每天下沉50 mm; 到施工完成45 d后减小为每天下沉4 mm; 底板鼓起速度在巷道刚施工完成，每天鼓起35 mm; 到施工完成45 d后减小为2.5 mm, 巷道的两帮移近量在巷道刚施工完成时每天移近36 mm, 到施工完成45 d后每天移近4 mm, 2204工作面运输巷按照此种变形速度发展下去，将影响其正常使用，因此需要研究巷道的变形破坏机理，采取措施对未掘进段的巷道变形量进行控制。

图2 2204工作面运输巷初始支护设计图(单位：mm)

图3 2204工作面运输巷变形曲线图

2、巷道变形原因分析与加固设计

2.1 巷道变形原因分析

通过对2204工作面运输巷新揭露的煤层及其顶底板岩层发育特点进行观察后发现，造成2204工作面运输巷变形破坏的原因主要表现为5个方面，具体如下：

1) 2204工作面煤层垂向裂隙发育，且大多与2204工作面运输巷揭露的煤壁呈小角度相交，主要呈条形分布，这是造成巷道两帮变形的主要原因。

2) 2204工作面所开采的2号煤层顶底板岩层和煤层一样，裂隙发育，而支护的深度不够是造成巷道顶板下沉和底板鼓起的直接原因。

3) 当2204工作面运输巷揭露煤层顶底板岩层形成新鲜面之后，由于煤层顶底板的泥岩强度较低，容易发生快速风化，当顶底板岩层暴露一段时间之后，岩石强度进一步降低，是造成巷道顶板持续下沉和底板持续鼓起的主要原因。

4) 通常情况下，巷道底角是受力集中区域之一，而初始支护设计中未考虑矿压作用的情况下，巷道底角有可能发生变形的特点，因而未对巷道底角采区加固措施，是造成巷道底板和底角变形的主要原因之一。

5) 2204工作面运输巷支护方式与巷道稳定性特征匹配不好，巷道两帮采用锚杆支护，锚杆选用Φ20.0 mm×1 800 mm, 为端头锚固型，就维护巷道稳定性机理而言，由于巷道所在的2号煤层及其顶底板岩层较为破碎，而端头支护型锚杆由于锚固深度较浅，锚固力有限，巷道容易产生变形，特别是当围岩变形量较大时，锚杆就会因端头位置位移较大而失去锚固力，当局部范围内个别锚杆因端头位移过大失去锚固力时，就会引起支护跨度增大，进而导致变形区域周边锚杆受力增加而产生破坏，进一步导致该区域围岩变形加剧，造成巷道支护系统破坏。

2.2 巷道优化支护设计

基于对2204工作面运输巷变形原因分析可知，为了维护巷道稳定，减小巷道变形，应该从加大巷道支护范围，改变巷道支护方式，加强对巷道底角控制方面入手，对2204工作面运输巷支护设计进行优化，具体优化如下：

顶板采用锚杆加短锚索支护，间排距800 mm×900 mm, 每排6根，其中巷道两肩窝为短锚索，中间采用锚杆和补强锚索联合支护，其中锚杆选用规格为Φ20 mm×2 400 mm, 预紧扭矩不小于300 N·m, 托盘采用280 mm×450 mm×5 mm的W钢护板配合150 mm×150 mm×10 mm拱形托盘；短锚索规格为Φ17.8 mm×4 200 mm, 预紧力不低于200 kN,托盘采用200 mm×200 mm×16 mm钢垫板，锚索预紧后外露150～250 mm; 顶板补强锚索规格：Φ21.6 mm×8 300 mm、Φ21.6 mm×10 300 mm、Φ21.6 mm×12 300 mm, 预紧力不低于300 kN,点锚索托盘为300 mm×300 mm×14 mm高强度拱形托盘并使用配套导向垫圈，同时顶板采用点锚索与槽钢梁锚索补强支护，锚索规格Φ21.6 mm×8 300 mm, 间排距1 600 mm×1 800 mm, 槽钢为14号槽钢，长度4 500 mm、3 800 mm, 托盘为200 mm×100 mm×16 mm钢垫板，槽钢梁与顶板间配合使用200 mm×200 mm×16 mm钢垫板，锚索预紧后外露150～250 mm, 点锚索与槽钢梁锚索交叉布置，点锚索每排2根，槽钢梁锚索每排3根，肩窝补强锚索外扎10°打设，其余均垂直顶板打设，帮部支护采用短锚索配合钢筋梯支护，间、排距900 mm×900 mm, 底角锚索下扎10°打设，顶角锚索上扬10°打设，其余均垂直帮部打设，支护设计如图4所示。

图4 2204工作面运输巷优化支护设计图(单位：mm)

3、优化支护效果分析

2204工作面运输巷里段在优化支护设计之后，掘进完成时，对巷道的变形速率进行了连续监测，按照监测得到的变形数据绘制巷道变形曲线图如图5所示，从图中可以看出，2204工作面运输巷优化支护设计后的变形规律如下：刚施工完成时，顶板下沉速率为8 mm/d, 随着时间的推移，变形速率逐渐减小，到第36天时顶板下沉速率减小为0 mm/d, 在监测的45 d内顶板累计下沉量总计为22 mm; 刚施工完成时，底板鼓起速率为5 mm/d, 随着时间的推移，变形速率逐渐减小，到第33天时底板鼓起速率减小为0 mm/d, 在监测的45 d内底板累计鼓起量总计为21 mm; 刚施工完成时，巷道两帮的移近速率为7.5 mm/d, 随着时间的推移，变形速率逐渐减小，到第8天时巷道两帮移近速率减小为0 mm/d, 在监测的45 d内底板累计鼓起量总计为17 mm, 与未采取优化支护设计前对比可以发现，优化支护设计后的45 d内巷道的顶板下沉量由209 mm减小为22 mm, 减小量为187 mm, 减小率为89.5%;底板鼓起量由136 mm减小为21 mm, 减小量为115 mm, 减小率为84.6%;巷道两帮的移近量由178 mm减小为17 mm, 减小量为161 mm, 减小率为90.5%,可见巷道变形得到了明显的控制。

图5 2204工作面运输巷优化支护设计后巷道变形曲线图

4、结语

通过分析，得出巷道变形的主要原因为2号煤层及其顶底板裂隙发育，巷道支护范围较小，底角未进行支护以及巷道支护方式与围岩变形特征匹配性差是2204工作面运输巷变形的主要原因，最终通过变顶板锚杆与锚索的规格，增加补强锚索等方式使顶板的下沉量由209 mm减小为22 mm, 减小量为187 mm, 减小率为89.5%,通过改变帮部的锚杆支护为锚索支护以及改变其布置等方式使帮部的变形量减小，通过综合优化支护设计，使底板鼓起量减小，证明优化支护设计有效、完美地解决了巷道变形的问题，为后续巷道的掘进施工指明了方向。

参考文献:

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文章来源:王亮.小回沟矿2204工作面运输巷变形特征与优化支护技术分析[J].煤,2024,33(06):95-97.