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霍尔辛赫松软厚煤层留顶煤掘进支护技术研究
2019-09-18
为解决霍尔辛赫煤业顶煤松软,支护困难的问题,拟采用高预应力支护方法解决。首 先进行了围岩测试,获取基本地质力学参数,随后基于高预应力支护理论进行了支护设计,最后进 行了井下试验及监测。结果表明,巷道沿底板掘进支护后,支护体及围岩均保持稳定,顶板总离层 为5 mm,两帮移近量不超过60 mm,效果良好,有效解决了松软厚煤层巷道沿底板掘进的难题。
Serial No. 604 August. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 604期 2019 年 8 月第 8 期 霍尔辛赫松软厚煤层留顶煤掘进支护技术研究 申忠生 山西霍尔辛赫煤业有限责任公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为解决霍尔辛赫煤业顶煤松软,支护困难的问题,拟采用高预应力支护方法解决。 首 先进行了围岩测试,获取基本地质力学参数,随后基于高预应力支护理论进行了支护设计,最后进 行了井下试验及监测。 结果表明,巷道沿底板掘进支护后,支护体及围岩均保持稳定,顶板总离层 为 5 mm,两帮移近量不超过 60 mm,效果良好,有效解决了松软厚煤层巷道沿底板掘进的难题。 关键词ꢀ 松软厚煤层ꢀ 留设顶煤ꢀ 高预应力支护ꢀ 围岩控制 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 08. 030 ꢀ ꢀ 霍尔辛赫井田位于山西省长子县东部,属长子 题,开展了相关研究和试验。 县丹朱镇、宋村乡、南漳镇、大堡头镇管辖。 井田属 于太行山中段西侧长治盆地的西侧,地势西高东低, 海拔高度在 912. 3 ~ 949. 8 m。 井田内地层总体走 向为近南北向—北北东向,倾向西,倾角 1° ~ 12°。 叠加有轴向为南北向、北北东向 2 组宽缓褶皱。 井 1ꢀ 巷道概况及围岩地质力学特性 1. 1ꢀ 巷道概况 # 八盘区主运巷为正对东辅运大巷 16 联络巷, # 布置在 3 煤层中,掘进为单一煤层,从东回风大巷 # 与 16 联络巷开口向正东方向掘进,方位角 90°。 八 # 田内共含有可采煤层 3 层,其中 3 煤层为主要开采 盘区位于六盘区的北部;五盘区以东;以高家洼断层 分界线;东至井田边界保护煤柱。 # 煤层。 3 煤层位于山西组下部,煤层厚度 4. 49 ~ 7 . 17 m,平均 5. 65 m。 煤层结构简单。 八盘区主运巷用于八盘区的出煤。 南侧为八盘 区辅运巷和 3607 工作面,北侧东部为八盘区 3 个工 作面,北侧西部为不可采区。 地表标高约为 +938 m,巷道煤层底板标高约为 385 ~ +460 m,埋深约 矿井建设前期尝试采用留设顶煤沿煤层底板的 方式掘进巷道,由于煤层相对松软,加上支护方法不 合理,一直没有成功。 近年来,随着煤矿巷道支护技 [ 1-3] # 术的进步,可以解决松软煤层支护的难题 ,为此, 478 ~ 553 m,沿 3 煤层底板掘进。 霍尔辛赫煤业重新开始考虑巷道沿底板掘进的问 巷道平面布置如图 1 所示。 图 1ꢀ 八盘区主运巷平面布置 1 . 2ꢀ 围岩地质力学特性 1 . 2. 1ꢀ 地应力大小及方向 ꢀ ꢀ 申忠生(1973—),男,工程师,047100 山西省长治市。 采用小孔径水压致裂法进行地应力测试,结果 9 0 ꢀ ꢀ 申忠生:霍尔辛赫松软厚煤层留顶煤掘进支护技术研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 8 月第 8 期 见表 1。 表 1ꢀ 地应力测量结果 垂直 主应力 最大水平 最小水平 最大水平 埋深 测站位置 主应力 主应力 主应力 方向 / m / MPa / MPa / MPa 3 3 303 辅助 回风巷 4 78 35 11. 56 12. 95 14. 49 10. 64 7. 93 6. 05 N21. 0°E N47. 7°E 607 进风 顺槽 5 图 3ꢀ 第二测点右帮煤体强度测试结果 ꢀ ꢀ 从数值上看,第一测点最大水平主应力均大于 岩层呈灰黑色,泥质胶结,该段岩层有少量裂隙存 在。 2. 3 ~ 7. 3 m 为砂质泥岩,呈灰黑色,泥质胶结, 该段岩层无明显裂隙,完整性较好。 7. 3 ~ 15. 2 m 为细砂岩,岩层呈灰白色,钙质胶结,其中 7. 7 ~ 8. 4 m 处为裂隙发育,8. 5 ~ 11. 4 m 岩层完整,11. 7 m 岩 层明显破碎,12. 9 ~ 15. 2 m 段岩层比较完整。 垂直应力,最小水平主应力为最小主应力,所测区域 应力场类型为 σH >σV >σh 型应力场;第二测点最大 水平主应力小于垂直主应力,由于该处掘进时出现 过冒顶,测试时多处测试段压裂后,继续加压出现顶 孔 2 m 范围内周边锚杆锚索出水,可以预测顶板岩 层中裂隙比较发育,导致该测点应力释放,最大水平 主应力小于垂直应力,以垂直应力为主(结合最近 几年霍尔辛赫矿测试的情况看,排除掉局部因素影 响,矿区应力场仍以水平应力为主)。 从量值上看, 霍尔辛赫属于中等应力场。 距离八盘区主运巷较近 的测点为第二测点,最大水平应力 σH = 10. 64 MPa, 方向为北偏西 47. 7(N47. 7°W);最小水平主应力 σh =6. 05 MPa;垂直主应力 σV =12. 95 MPa。 2ꢀ 巷道支护方案 2. 1ꢀ 巷道方法及原则 煤科总院康红普院士提出高预应力支护方法、 [ 4-5] 设计原则及成套技术并迅速发展 ,在全国不同区 域多个矿区得到成功应用,效果明显。 通过理论分 析及数值模拟,并参考已掘巷道的工程实践,初步确 定霍尔辛赫八盘区主运巷采用强力锚杆锚索组合支 护方案。 考虑到煤体的松软特性,拟采用 W 钢护板 作为主要护表构件,其优点一是可以提供较大的护 表面积,二是在煤体松软的条件下可以实现预应力 1 . 2. 2ꢀ 围岩强度 第二测点顶板以上 0 ~ 2. 3 m 为泥岩,岩层呈灰 [ 6-7] 黑色,泥质胶结,岩层强度平均值为 26. 77 MPa。 . 3 ~ 7. 3 m 为砂质泥岩,呈灰黑色,泥质胶结,岩层 的施加及扩散 . 2ꢀ 支护方案 巷道断面呈矩形,掘进宽 5. 6 m,高 3. 5 m,掘进 。 2 2 强度平均值为 77. 24 MPa。 7. 3 ~ 10. 0 m 为细砂岩, 岩层呈灰白色,钙质胶结,岩层强度平均值为 93. 63 MPa。 2 # 断面积为 19. 6 m ,巷道沿 3 煤层底板掘进。 ( 1)顶板支护。 锚杆参数:采用直径 22 mm,长 # 如图 2、图 3,第二测点左帮煤体强度平均值为 度 2. 4 m,屈服强度为 500 MPa 的 500 左旋无纵肋 螺纹钢锚杆。 锚杆排距 900 mm,间距 1 000 mm。 2 支锚固剂树脂加长锚固, 设计锚固力不低于 190 kN,设计预紧力矩 400 N·m。 构件为 W 钢护板和 钢筋托梁组合:W 钢护板厚度不小于 5 mm,宽 280 mm,长度 450 mm;钢筋托梁采用 14 mm 的 Q235 圆 钢单筋焊接而成,宽度 270 mm,长度 5 550 mm。 采 1 3 5. 75 MPa,右帮的煤体强度平均值为 15. 73 MPa。 # 煤体强度平均值为 15. 74 MPa,煤体中硬。 # 用由 10 铅丝加工的 50 mm×50 mm 网孔的金属网 护顶。 锚索参数:采用长度 7 300 mm 的 22 mm、119 股钢绞线锚索,3 支树脂锚固剂加长锚固。 每 2 排 3 根“三花”布置,间距为 2 000 mm,排距 900 mm。 张 拉力要达到 300 kN。 图 2ꢀ 第二测点左帮煤体强度测试曲线 . 2. 3ꢀ 围岩结构 1 通过第二测点的钻孔观测结果,结合相关地质 资料综合分析可以得到,顶板以上 0 ~ 2. 3 m为泥岩, (2)两帮支护。 锚杆支护参数:与顶板锚杆的 9 1 总第 604 期 现代矿业 2019 年 8 月第 8 期 材料、锚固方式及施工要求相同,排距 900 mm,间距 50 mm,每排 4 根锚杆。 帮锚杆组合构件为 W 钢护 变形及破坏区逐渐发展后,锚索受力有一个小幅的 9 板,厚度不小于 5 mm,宽 280 mm,长度 450 mm。 同 样采用金属网护帮。 两帮不打设锚索。 支护布置如 图 4 所示。 图 4ꢀ 巷道支护(单位:mm) 3 ꢀ 现场试验及监测分析 巷道沿底板掘进支护施工正常后,进行了矿压 综合测站的安装及监测,结果及分析如下。 # # # # ( 1)锚杆受力(图 5),1 ~ 3 为帮锚杆,4 ~ 5 为顶锚杆。 可以看出,沿底板掘进后,顶板锚杆与帮 锚杆的受力变化趋势基本相同,但帮锚杆的平均受 力 要 大 于 顶 板 锚 杆。 顶 板 锚 杆 受 力 最 大 不 到 110 kN,能满足支护的要求。 锚杆最大受力约 为 190 kN,接近锚杆的理论屈服载荷,但已保持稳 定。 ( 2)锚索受力(图 6)。 可以看出,打设前期,锚 索受力变化不大,浅部煤层的变形主要由锚杆控制, 9 2
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