拱形巷道在复合层回采巷道中的应用

2022-11-11

神宁集团梅花井煤矿11采区4-2煤层顶板为复合顶板, 顶板易下沉, 支护困难。114202工作面机巷在掘进初期为异形断面, 沿着4-2顶板掘进, 不破顶作业, 选用锚杆支护, 由于顶板内含弱含水层, 水顺着锚杆眼下流, 泥岩、砂质泥岩遇水膨胀、破碎掉渣甚至脱落, 以至后巷基本全部使用11#工字钢进行架棚, 支护效果差, 掘进速度慢。后采用拱形断面, 充分试用了拱形断面良好的自稳性, 巷道压力明显变小, 后巷基本不需要处理, 巷道掘进速度明显提高。

1 地质情况

梅花井煤矿114202工作面机巷沿4-2煤层采用综掘机掘进, 煤层结构简单, 煤层厚度 (2.10~3.59) m, 平均厚度2.91m, 煤层倾角15°~24°煤层厚度变化小, 属较稳定煤层。

4-2煤顶板以各种粒级的砂岩为主, 伪顶为泥岩;直接顶为粉砂岩, 平均厚度3.19m, 含较多白云母片, 局部夹细砂岩;老顶为中粒砂岩, 平均厚度2.1 1 m, 石英为主, 泥质胶结。顶板内含有弱含水层。4-2煤底板为粉砂岩, 直接底平均厚度4.02m, 夹多层细砂岩, 泥岩;老底平均厚度10.64m, 夹薄层泥岩。

2 巷道原设计

2.1 巷道断面设计

14202工作面机巷巷道沿4-2煤层顶板掘进, 设计掘进宽度4 4 0 0 m m, 掘进中高2950mm, 上帮肩窝施工成圆弧状, 掘进断面积为12.72m2。

如图1:原设计巷道断面。

2.2 永久支护

巷道永久支护设计采用锚、网、索配合钢带联合支护形式。

(1) 巷道顶锚杆布置间、排距为800×800mm, 使用Φ20×2500mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆, 2节Z2370树脂药卷锚固, 采用矩形布置。

(2) 巷道帮锚杆布置间、排距为700×800mm, 使用Φ16×1600mm圆钢锚杆, 端头麻花长度300mm, 1节Z2370树脂药卷锚固, 采用矩形布置。

(3) 巷道锚索采用单点锚索及锚索梁联合布置形式, 单点锚索一套为一排, 排距为3000mm, 400mm长的14#槽钢托梁;锚索梁支护由三套锚索及3.6m长的14#槽钢托梁组合成一排, 排距3.0m。一排两套的单点锚索布设在3.6m长的相邻锚索梁之间 (即单点锚索与锚索梁支护的排距为1.5m) , 锚索均使用Ф17.8×5500mm的钢绞线锚索, 3节Z2370树脂药卷锚固。

(4) 巷道顶部铺设塑钢网和金属网。塑钢网位于金属网之上, 防止顶板破碎, 局部漏顶。

2.3 巷道材料消耗量 (见表1)

2.4 巷道支护状况

巷道施工初期, 巷道破碎形式主要有: (1) 跨落破碎, 淋水较大; (2) 围岩离层, 形成网兜; (3) 顶板下沉严重, 巷道尺寸变化大, 不能满足使用要求。

造成上述现象的原因, 主要由于顶板前期来压大, 异形断面支护效果差, 顶板大部分为破碎结构的松软岩体, 顶板内的弱含水层被破坏, 水顺锚杆、锚索眼流入巷道, 进一步造成了巷道支护的失效。因此, 选择合适的支护方式成为亟侍解决的问题。

3 变更后巷道设计

3.1 巷道断面设计

114202工作面带式输送机巷变更后巷道沿煤层底板掘进, 上帮破低不得超过5 0 0 m m, 设计断面为拱形, 掘进宽度为4 4 0 0 m m, 高度为3 4 0 0 m m, 拱半径为2200mm, 掘进断面积12.88m2。

如图2:变更后巷道断面。

3.2 永久支护

巷道永久支护设计采用锚、网、索、钢带联合支护。

(1) 顶部锚杆布置间、排距为8 0 0×800mm, 使用Φ20×2500mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆, 2节Z2370树脂药卷锚固, 采用矩形布置。

(2) 帮部锚杆布置间、排距为6 0 0×800mm, 使用φ16×1600mm圆钢锚杆, 端头麻花长度300mm, 1节Z2370树脂药卷锚固, 采用矩形布置。

(3) 巷道顶部的锚索桁架采用两套锚索和2200mm长的14#槽钢锚索托梁, 锚索沿巷道方向排距1800mm, 垂直巷道方向间距1200mm (弧长) 三排布置, 锚索桁架外端头距锚索200mm, 锚索使用φ17.8×5500mm的钢绞线, 3节Z2370树脂药卷锚固。

(4) 顶部铺设金属网和塑料网。

3.3 变更后巷道每米材料消耗量 (见表2)

4 理论分析

巷道断面形状的选择, 主要应考虑巷道所处的位置及穿过的围岩性质 (即作用在巷道上地压的大小和方向) 、巷道的用途及其服务年限、选用的支架材料和支护方式、巷道的掘进方法和采用的掘进设备等因素, 而围岩性质无疑是重中之重。

异形断面适应于顶板稳定、有固定悬吊岩层, 无淋水, 顶板压力、两帮侧压均较小的岩层。拱形断面适应于巷道顶板较差、顶板压力较大、两帮侧压较小的岩层, 其能够利用锚杆形成挤压压力拱, 充分发挥巷道围岩的自稳特性, 大大降低巷道顶板来压, 从而具有更高的适应性。

4-2煤层顶板为复合顶板, 含有弱含水层, 顶板无固定稳定的供锚杆悬吊的着力岩层, 异形断面在锚杆破坏巷道围岩的同时, 未能提供良好的锚杆着力点是114202机巷支护质量差的主要原因, 而拱形断面充分利用锚杆及塑钢网把巷道围岩挤压成为一个整体, 其锚杆、锚索的作用不在于悬吊, 而在于形成一个稳定的拱形, 充分利用围岩的自稳特性, 以此来达到良好的支护效果。

5 巷道断面变更前后对比分析

5.1 矿压对比

矿压的大小无疑反映在顶板的下沉量及下沉速度方面, 通过对巷道断面变更前后的顶板离层观测数据, 我们可以明显的看出, 拱形断面的良好的支护效果。

本文通过对巷道变更前后各10个测点20天内的顶板离层深部 (5.5m) 及浅部 (2.5m) 观测数据进行整理发现顶板在14d后基本达到稳定状态, 现对14d内的顶板状态进行分析:

(1) 顶板的下沉量 (见图3) 。

(2) 顶板的下沉速率 (见图4) 。

通过上述观察分析, 可以发现:变更前顶板最大下沉量分是108mm (浅层) 和53mm (深层) , 变更后顶板最大下沉量是29 (浅层) 和15 (深层) ;变更前顶板最大下沉速率是14mm/d (浅层) 和9mm/d (深层) , 变更后顶板最大下沉速率是7mm/d (浅层) 和3mm/d (深层) 。拱形断面巷道与异形断面巷道相比受力状态较好, 顶板下沉量较小, 下沉速率也较慢。

5.2 经济效益对比

根据比较变更前后巷道每米材料消耗量, 我们可以发现变更后巷道的支护成本增加在20%左右, 考虑到梅花井煤矿的及周边各煤矿的架棚支护经验——顶板累计下沉量达到80mm时架棚, 我们发现原设计异形巷道基本上均需要架棚加强支护, 综合起来测算, 变更后的拱形巷道的支护成本较异形巷道断面降低30%左右。

另外, 从掘进速度上比较, 114202工作面机巷断面变更前的月掘进进尺是150m左右, 而在断面变更为拱形后, 月掘进进尺达到290m以上。巷道掘进速度的提高大大降低了巷道的管理成本, 提高了综合效益。

6 结语

梅花井煤矿114202工作面机巷开创性的在回采巷道采用拱形断面, 解决了梅花井煤矿11采区4-2煤层复合顶板支护困难、掘进速度慢等一系列问题, 从根本上改变了巷道围岩的受力状态, 简化了支护工艺, 降低了成本, 保证矿井的安全高效生产, 为以后巷道支护积累了经验。

摘要：神宁集团梅花井煤矿11采区4-2煤层顶板为复合顶板, 受复合顶板压力影响, 巷道变形快, 淋水大, 严重制约了巷道掘进速度。为了提高巷道掘进速度及巷道支护质量, 保证安全生产的需要, 在该矿114202工作面机巷进行巷道断面变更, 采用拱形巷道断面掘进, 在减轻了工人劳动强度、降低成本及保证安全生产的同时提高了掘进速度。

关键词：回采巷道,拱形断面,复合顶板