开拓煤矿大倾角“三软”煤层巷道支护

2022-09-11

引言

很多煤层处于深山内部的“三软”煤层,不仅埋深非常大,而且顶板和底板都非常容易变碎。许多工作面因此存在着回采巷道围岩变形范围大,且支护效果较差的现象。而且随着开采巷道深度的不断加大,矿井生产安全状况将变得不容乐观。本文结合实际的案例,具体分析回采巷道围岩变形的机理,并全面分析支护参数的优化设计情况,通过不断地分析和对比,从而得出更为合理的支护形式和支护参数,以便更好地保证大倾角三软煤层的安全开采顺利进行。

1.“三软”煤层的含义

“三软”煤层指的是在煤层开采所遇到的特殊煤层。煤层的顶板、主煤层和底板岩层都始终处于较软的状况。一般情况下,很多煤层都具有这三大主要特征。这主要是由于煤层间隙发育的时间比较长,且构造非常复杂。

2.“三软”煤层巷道支护的背景

随着我国煤层地层的不断发展,具有软岩的矿井已经遍布我国各个主要的产煤省区,确实有很多煤矿存在着不同类型的软岩矿井。几乎所有的软岩巷道不仅强度较低,而且遇到水非常容易发生膨胀的现象,加之软岩的围岩应力也较高,所以选择的范围相对较小[1]。发展到现在,软岩的支护问题仍然存在着支护成本较高、维护量较大和维护费用较大的现象,所以基本上难以达到预期的支护效果。又因为支护的理论和方法不够完善,所以软岩巷道支护的问题一直都困扰着广大煤矿工作者,并严重制约着煤矿的安全生产和建设。

3.某煤矿实际概况和检测方法

(1)煤矿实际概况

某煤矿的东翼已经将250号回风巷道内部先存在了16-17的煤层,煤层内部的平均厚度介于5.0-7.6m,平均厚度为6.16m,整体煤层的厚度较为稳定。整体倾斜角度将被控制在45度-70度之间,平均的倾斜角为55度。其中,顶板内部主要存在深灰色的砂质泥岩,有时候又会变成细砂岩和粉砂岩,内部更会存在诸多的钙质的胶体。发展的过程中,其底板则会存在诸多黑色的砂质泥岩。如果稍微不注意,就会马上转化为粉砂岩。

(2)煤矿检测方法

可以利用专业的松动测试仪来测试整个东翼内部专业的回风巷道,并全面地测试内部的松动范围。注意在测试的过程中通过设置2个测试站来全面分析所测得的数据。并将左帮煤层的松动范围控制在1.5-1.8m之间,右帮岩石的松动范围则被控制在1.0-1.5m之内。

4.数据模拟计算和分析

根据试验过程中所取得的与物理力学性质相关的数据进行全面的分析,之后再利用有限的元数值模拟软件来全面计算掘进过程中存在的数据,并全面地分析数据的内容。在实际模拟的过程中,专业人员需要全面分析在有无锚固两种主要情况下的底板注浆内容,并全面分析专业的应力位移、锚杆分布情况和锚杆受力情况[2]。也只有全面地分析两种主要情况下的支护效果,才能够得到准确的支护参数。

图1主要显示了在巷道沿煤层底板掘进过程中支护前后支护后的两种主要特征。从图中可以清晰地看到如下的状况:在未支护的情况下,底板中部最大位移的量一度达到了119.24mm,顶部围岩周围偏右的位置最大的位移量为100mm。从实际执行的过程可以看出,两帮位移的量一直都较小,最大值只在80mm左右。但是在支护之后,底板中部位移的量将超过100mm,顶板偏右最大的位移的量则为82mm。

当实际沿着煤层的底板进行掘进的过程中,图2显示的是在支护和未支护两种条件下围岩应力分布对应的特征。从图中可以分析得出,在巷道未支护的情况下,巷道顶板和底板将会存在实际的应力降低区,其应力会降低到5.0MPa。底板内部的应力更会在更短的时间内直接变为零。如果将巷道顶板周围存在岩应力降低区域内部的水平距离距离将被设定在3.06m左右,并将其垂直的距离设定在2.7-3.0m之间。

巷道左边底脚会直接出现在高应力区域内部,其应力值一度可以达到50MPa。在实际发展的过程中,整个巷道顶板围岩应力会出现大幅度缩小的现象。其水平的距离将会被控制在2.93m左右,垂直的距离将会被控制在2.3-2.7m左右。从上述的数据可以看出,底板内部的应力和没有采用支护手段时相比,基本没有发生任何变化。

5.支护参数优化设计

从有关研究的内容可以看出,如果直接结合现场的断面积来进行设计,可以将上部的圆形半径设定为R=2000mm。整个下部也呈现梯形,整体尺寸如下:上底=4000mm,下底= 4200mm,高=1600mm。专业人员可以将锚杆之间的距离控制为600mm,并注意在每个断面的内部植入13根锚杆,注意将锚索的排距控制在1400mm,间距被控制在2000mm,注意让每个断面的内部配置2根锚索。整个锚杆支护的参数如图3所示:

如果巷道两帮周围出现了应力升高区,其应力值一度被控制在16-18MPa之间。此外,正是因为脚部和上部范围内部的应力。

6.工业性试验情况

(1)试验的概况

在煤矿东翼-250的专门回风巷内部选取100来全面进行工业性试验,之后再按照表面位移、顶板分离和锚杆锚索受力的顺序进行全面观测,并定期抽检锚杆锚固力和预紧力。现在2008年的2月份安装第1个测试站,之后再在8月粉安装第2个测试站,其测试站和测试点的布置情况如图4所示:

(2)围岩深部的位移

从试验的结果来看,巷道顶板内部2-2.5m之间存在较大的变形,但是在5-7m之间甚至没有出现变形的情况。所以需要加大锚索的预紧力来克服支护过程中存在的障碍。如果锚杆锚固段的外部出现离层的现象,则相关人员应该对整个过程严密地进行监视,这样才能够防止出现事故[3]。也应该根据实际情况来加强,防止发生较大的变形情况。以上的数据在整个巷道内部,其上帮的受力情况要比下帮小。因此,专业人员可以有效地控制存在的变形情况。

(3)锚杆和锚索受力的情况

锚杆最初存在的锚索力为50kN,锚杆和锚索内部的压力都在6-8d之后基本达到稳定的情况,上部顶板的锚杆受力情况一般较大,最大时可以达到85kN,下帮锚杆的受力情况最小,只有65kN,锚索的受力在10-12d之后才达到稳定的状态。因此锚杆和锚索受力增长缓慢,甚至不会产生强烈的地压,所以围岩支护的效果相对较好。