厚煤层回采巷道支护技术.docx

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厚煤层回采巷道支护技术

厚煤层回采巷道支护技术

摘要：

在我国随着矿井开采机械化水平大幅度提高，产量和井型不断增大回采煤层厚度也速增高，因而使矿压显现更加剧烈，厚煤层回采巷道的支护问题在煤矿生产中越来越突出。

因此必须采用更完善的支护方法，加大支护力度，为矿工创造更为安全的工作环境。

本文主要介绍了厚煤层回采巷道的支护应该选择合理的断面，确定最佳的掘进位置、合理的掘进时间。

在最佳时机选择合适的支护方法进行支护，可以取得较好的支护效果，同时也可以降低维护费用。

关键词：

合理断面；最佳位置；合理时间；合适方法

1巷道断面的最佳设计

巷道是井下生产的动脉。

巷道断面设计的合理与否，对一个企业的经济效益和生产的安全条件有着直接的影响。

因此，合理的选择与设计巷道断面就显得尤其重要。

在煤矿井巷中，回采巷道的长度占矿井巷道总长度的60％以上。

矿井开拓巷道可布置在较稳定的岩层内，而回采巷道要受到因煤层开采形成的应力集中的影响，因而回采巷道支护的选择和维护就相当困难。

在我国随着矿井开采深度的增加，工作面回采机械化程度提高，要求回采巷道断面积加大，因而使矿压显现更加剧烈，回采巷道的支护问题在煤矿生产中越来越突出。

在很多矿井中，由于巷道断面缩小，严重影响工作面运输、通风，常常形成“爬行巷道”，从而威胁井下的安全生产，使得工作面机械生产能力不能充分发挥。

而且回采巷道的多次返修还是造成煤炭企业亏损、采掘接替紧张的主要原因之一。

通常，我们选择巷道断面时，基本上是以下列几个因素为主要依据综合考虑：

（1）巷道中的人行要求；

（2）巷道中运输设备的类型及数量；

（3）支护方式；

（4）通过巷道的风量；

（5）巷道服务期间的费用。

1.1巷道的断面形状

从受力角度考虑，当顶压较大时拱形断面优于梯形断面和矩形断面。

但对于回采巷道，如果采用拱形断面，很多情况下需要破顶，增加掘进工程量和运矸量。

更主要的是拱形断面不利于回采工作面端头支护，阻碍工作面的快速推进。

因此回采巷道一般设计为矩形或梯形断面。

而服务年限长的准备巷道和开拓巷道一般设计为拱形断面。

1.2巷道的断面尺寸

确定断面尺寸的基本原则是：

根据《煤矿安全规程》的规定，在确保巷道中设备布置、辅助运输及行人所必需的安全间隙的前提下，考虑工作面风量、相应风速、巷道变形预留量等因素以及巷道在服务期间的各种费用。

一般情况下确保巷道净断面积不小于12m2。

2巷道的最佳掘进时间

在上区段工作面推进过程中，顶板运动的发展过程分两个阶段，显著运动阶段和相对稳定阶段。

在显著运动阶段，上覆岩层支承力不断发展变化，造成采空区侧煤体支承压力的变化，煤体发生较大变形。

如果在显著运动阶段掘进巷道，则巷道容易产生变形破坏，不利于巷道维护。

当上区段采场老顶触矸后，顶板运动处于相对稳定阶段，支承压力已经重新分布（图1），煤体变形基本稳定。

此时掘进巷道，则巷道不易变形破坏，易于维护。

因此，上区段采场老顶触矸后顶板运动的相对稳定阶段为沿空掘巷的最佳时间[1]。

图1相对稳定阶段采场周边支承压力分布图

3巷道的最佳掘进位置

根据采场周边支承应力分布图（图1），可能的巷道掘进位置有四种：

在应力降低区中的沿空掘巷（位置1、2）。

在应力升高区中的煤柱护巷（位置3），在原岩应力区的大煤柱护巷（位置4）。

由煤体上方支承压力分布规律可以看出，在位置3掘进巷道后，巷道围岩由三向受压状态变成单向受压状态，由于正处在应力升高区，巷道围岩必然要发生塑性破坏，产生较大变形。

当受本工作面采动影响时，由于应力叠加，巷道难以维护。

在位置4掘进巷道，虽然巷道比较容易维护，但煤柱损失比较大，不符合充分利用和节约煤炭资源的原则，故这两种原则都不可取。

由于应力降低区的煤体已发生塑性变形，处于卸压状态，因此在应力降低区中掘巷不会引起支承压力分布和煤体力学状态的明显变化，易于维护。

在应力降低区中沿空掘巷分为完全沿空掘巷和小煤柱护巷两种。

完全沿空掘巷虽然能充分开采煤炭资源，但存在巷道通风、上区段采场采空区残煤自燃，采空区积水等不利因素。

因此沿空掘巷的最佳位置为有小煤柱护巷的位置2，最佳煤柱尺寸应是煤柱不发生贯通裂隙向采空区漏风，诱发自燃的情况下，最小的煤柱尺寸[2]。

4巷道的最佳支护时间

巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在洞壁处达到极限。

这种变化促使围岩向巷道变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质随之不断恶化。

在围岩应力条件下，切向应力在洞壁附近发生高度集中，致使这一区域岩层进入塑性工作状态。

此围岩形成塑性区。

并使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，又将出现新的塑性区，如此逐层推进，使塑性区不断向纵深发展。

假如不采取适当支护措施，边缘塑性区将随变形加大而出现松动破坏。

在巷道两帮发生应力集中时，两帮处于单轴受力状态，极易产生片帮破坏现象[3]。

巷道维护最佳时机是地压呈现剧烈影响期或采动影响压力峰值通过后，立即对巷道进行补强和扩修，这样既能防止支护体再次遭到破坏，又能最大限度地控制巷道围岩变形。

深部地压作用破坏时，其最佳时机按巷道矿压观测资料确定，通过对巷道围岩表面位移观测，绘制出巷道变形曲线。

其变形速度达到最大值时，表明巷道围岩受力最大，此后压力减小（但变形不停止）。

此时，如巷道支护强度能抵抗破坏外力，则巷道不破坏；如巷道支护强度相对较弱，则巷道出现变形、喷体出现片状或鳞状剥落，此时便是最佳支护时机的临界点，可进行巷道修复工作[4]。

5巷道支护参数的选择

支护是巷道施工的一个重要环节，正确而又及时的支护，巷道掘进工作才能正常的进行。

支护的工作量一般占巷道总成本的1/3～1/2，劳动强度大。

因此选择合理的支护型式有着重要的意义。

巷道支护参数的合理选择直接影响到巷道支护的经济效益并与巷道支护效果和安全生产有关。

在巷道支护方案设计和井下巷道施工中，一方面要求巷道支护参数的物理意义必须明确，能够直接指导支架的设计和巷道的施工。

另一方面要求支护参数在设计和施工时，易于被现场广大工程技术人员掌握使用。

与巷道支护方案设计和施工最为密切相关的有如下参数：

（1）巷道支架钢材的型号。

巷道支架钢材型号的选择，不仅涉及到支架的加工制造和经济效果，还决定着支架的支撑能力。

支架设计时一般采用每米型钢的质量获钢材的代号（如11号工字钢）。

（2）巷道断面积。

巷道的断面积是巷道支护设计的基本参数，主要取决于通风、运输的要求和巷道围岩移近率。

（3）巷道支架的间距。

（4）锚杆的长度、密度和锚固力。

（5）巷道围岩的移近率[5]。

巷道围岩的移近率是反映巷道稳定性的综合指标。

巷道围岩移近率的大小，不仅决定着巷道在整个服务期间内维护的难易程度，而且涉及巷道支护形式的选择，初始断面的确定和其他参数的选择。

在巷道支护设计时，根据待设计巷道的具体地质条件和生产条件，求出巷道围岩移近率的预计值，有着十分重要的实际意义。

巷道围岩的移近率为顶底板岩层相对以尽量与巷道初始高度和两帮相对移近量与巷道初始宽度的比值。

采用顶板强度（σ顶）、煤层强度（σ煤）、底板强度（σ底）、埋深（H）、直接顶初次垮落步距（L）、直接顶厚度与采高的比值（N）及护巷煤柱宽度（x）七个因素，用模糊数学的方法把回采巷道围岩稳定性分为稳定（Ⅰ）、较稳定（Ⅱ）、中等稳定（Ⅲ）、稳定性较差（Ⅳ）及不稳定（Ⅴ）五类，并依次选用简易支护、锚扦、锚网支护、梯形刚性支架支护、梯形可缩支架及拱形可缩支架支护、锚网棚联合支护等形式。

见表1。

在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术经济优越性。

主要表现在：

锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体；一般的棚式支护属于“被动”支护，其基本不具有初阻力，只是在围岩变形后，随着围岩变形的增加，支架支护阻力随之增加，而通常使用的锚杆支护属于“主动”支护，在锚杆安装以后，锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力，并且随围岩变形支护阻力不断增加；与棚式支护相比，锚杆支护更有利于改善巷道的围护状况，保持巷道围岩的长期稳定，在相同的生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上；锚杆支护还可以节省大量的钢材，减少支护材料的运输和装卸支架的工作量，减轻工人的劳动强度和改善工作环境；由于锚杆支护巷道围岩的稳定性好，巷道在服务期间基本不需要维修，因而能够保持顺槽及开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造条件；锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度减低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。

表1围岩稳定与支护方式选择

围岩分类

岩层描述

稳定性

支护方式

Ⅰ

稳定

1．完整坚硬，不易风化；

2．层状岩层，层间粘结较好，无弱层

长期不支护无碎块掉落

喷射混凝土或不支护

Ⅱ

较稳定

1．完整、比较坚硬，

Rc=40MPa~60MPa；

2．层状岩层，粘结较好；

3．坚硬块状，裂隙面闭合，无泥质充填物，Rc>60MPa

围岩基本稳定，长期不支护会出现小块冒落

锚杆支护或锚喷支护

Ⅲ

中等稳定

1．完整，中硬，Rc=20MPa；

2．中硬，层状岩层；

3．Rc=20MPa~40MPa

维护一个月稳定，局部块状掉落

锚、网或锚、喷、网支护

Ⅳ

稳定性较差

1．较软，完整，Rc<20MPa；

2．中硬，层状岩层；

3．Rc=20MPa~40MPa

稳定数日

锚、网、喷支护

Ⅴ

不稳定

1．易风化剥落潮解，软岩；

2．各类破碎岩层

易片帮、冒顶

尽可能不开挖或复合支护，壁后注浆

锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护工程的质量优劣，是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题。

现有的设计总体上可分为经验法（观察结果和已有实例的分析）和试探法。

锚杆支护对象的变形破坏特征非常复杂，这取决于煤体的力学特性和巷道周围的地应场。

在此情况下经验法的设计也都以“试探法”为基础。

可靠的设计能以对每一点的煤层变形进行详尽测量并掌握其变形破坏基础。

因为现场实测可使我们增加对巷道变形的了解，这也是任何一种可靠设计基础。

对锚杆支护效果进行详细的现场实测可以了解整个支护系统工作情况如何，从而对其施工质量及有效性做到心中有数。

在此基础上目前的巷道锚杆支护设计方法具体可归纳为三大类：

工程类比法、理论计算法和以计算机数值模拟为基础的设计方法。

下面各自进行详细介绍。

1.工程类比法

工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在围岩条件、施工条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。

这种方法不是简单照搬，而是首先搞清楚待建巷道的地质条件与围岩物理力学参数，科学的进行围岩分类的情况下，然后在针对不同的围岩类别，根据巷道生产地质条件确定锚杆支护参数。

这是一种是实用的方法，在我国煤矿锚杆支护设计中占有主导地位。

我国煤炭系统的工作人员根据经验在采准巷道围岩稳定性分类的基础上，制定了煤巷锚杆支护技术规范，主要要点如下：

顶板必须采用金属杆体锚杆。

全长锚固或加长锚固锚杆应选用螺纹钢杆体。

采用端部锚固锚杆时，设计锚固力不应低于64KN；采用全长锚固锚杆时，杆体破断力不应低于130KN。

一般情况下，巷帮应支护。

巷帮锚杆的设计锚固力以不低于40KN为好

锚杆孔径与锚杆杆体锚固段直径之差，适宜保持在6～10mm范围内。

顶板靠巷道两帮的锚杆，一般应向巷帮倾斜15º～30º（与铅垂线夹角）。

金属杆体锚杆支护参数系列见表2所示：

表2金属杆体锚杆支护参数

项目

系列

锚杆长度/m

1.41.61.82.02.22.42.6

锚杆杆体直径/mm

1618202224

锚杆孔径/mm

26283133

锚杆排距/m

0.60.70.80.91.01.11.21.4

锚杆间距/m

0.60.70.80.91.0