厚煤层跨采上位巷道围岩加固效果分析

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  [摘要]采用理论分析、数值模拟、相似材料模拟等综合分析技术,系统研究了覆岩活动规律及上位巷道的下沉变形规律,综合确定了下伏厚煤层开采方法、回风上山围岩加固范围、加固方案、超前加固距离等关键技术,为高效安全开采提供了技术保障。
  [关键词]厚煤层;跨采;回风上山;围岩加固
  1、概况
  显德汪矿一采区轨道上山回风道是矿井的总回风通道,与下部9煤层间距为90m,保证其正常使用对整个矿井通风至关重要。9煤层厚度4.55m,1193、1195、1197工作面采用综采放顶煤技术开采,采用ZF2800-15/24型掩护式综放支架,MXG-150/350D采煤机,前后运输机为SGZ630/264型运输机。工作面采用走向长壁采煤法,综采放顶煤一次采全高,采煤机沿9#煤层底板割煤2.0m,放煤2.5m,采放比为1:1.25。按照煤矿传统的方法,下伏煤层开采跨采上部巷道时通常会采取留设一定宽度煤柱的方法,对保护上部巷道效果较好,但是,浪费资源严重,同时,工作面开采到一侧停采线后,需要停止回采,重开切眼,支架搬家倒面,不能实现工作面的高效开采。因此,如何在保证轨道上山回风道正常安全通风的条件下,实现9煤层的高效开采是矿井生产中面临的紧迫问题。
  2、综放开采上位巷道围岩加固技术
  2.1 9煤层跨采回风上山开采方案
  根据理论分析、数值模拟、相似材料模拟结果,得出了以下重要结论:回风上山处于冒裂带之上,弯曲下沉带内;弯曲带顶板岩层发生周期性断裂的断裂,弯曲下沉带内的巷道变形和破坏严重;无论采取那种方案,煤层跨采时回风上山的位移变化和破坏都将较大,考虑到一次放顶煤时上山的倾斜下沉倾角最大为-2.03~3.94°,没有造成倾斜的急剧变化。根据以上结论,综合经济效益考虑,确定采用一次采全高放顶煤的方法开采。
  2.2 确定回风上山加固方案
  a加固范围
  根据上山巷道下沉变化的概率积分法预计结果,1193工作面开采时,巷道的影响加固范围为240m,为消除预计误差造成的影响,两侧各加20m加强支护,确定累计加固范围为278m。
  b加固方案
  根据现场测定,上山巷道松动圈范围为1.8~2.2m。
  确定回风上山的加固方案为:矩形断面,上顶4根锚杆,中间两根长2.4m,两端角锚杆长2.6m,间排距为0.8×1.0m;帮锚杆长度为2.6~3.0m,间排距为1.0×1.0m。上顶和两邦加金属网和钢筋梯。拱形断面,锚杆长度为2.6m,间排距为0.95×1.0m。
  锚杆采用Φ20mm的左旋螺纹钢高强锚杆,采用K2360和Z2360型规格的锚固剂各一卷。钢筋梯子梁采用Ф14mm圆钢制成,金属网采用菱形网,顶网长度为3200mm,帮网长度为2200mm,宽度为1200mm,网格为50mm×50mm。
  c提前加固的距离
  根据FLAC数值模拟结果,下方9煤层开采对回风上山的超前影响距离为15-25m。
  根据相似材料模拟实验,上山巷道的超前影响距离为42m,需要在应力影响变化前做好加固工作。
  3、实施效果
  为了能更好地掌握在1193工作面开采过程中回风上山的下沉规律,测定下部煤层开采对上山巷道的影响,研究产生不同下沉量时巷道的破坏状况,在上山巷道内设置巷道下沉观测站,在回风上山内设立8个巷道变形观测站,观测顶板下沉和水平位移变化。
  ①上山巷道顶板下沉变化规律
  ⑴随着工作面推进和推过上山位置,顶板下沉不断增大,到顶板稳定时,累计下沉量为2717mm,现场实际探测,开采煤层厚度为4.5m,顶板下沉系数为0.6 。
  ⑵随着开采距离的推进、推过上山位置的变化,上山倾斜变化逐渐增加。在工作面中部12测点以上,最大倾斜变化为83.3mm/m,下沉最大角度为4.76°;在12测点以下,最大倾斜变化为-125.4mm/m,下沉最大角度-7.14°,比理论预计的结果大,但也能保持巷道的正常通风。
  ⑶在上山位置下侧,工作面机头对应15#测点以下40m位置,顶板下沉为122mm,在50m位置,顶板下沉为39mm,因此,在上山下侧40m范围内需要加固。
  ⑷在工作面推进至上山位置60-80m时,顶板开始下沉,在工作面推进上山10-60m,顶板下沉剧烈,下沉速率大。
  ②1193开采上山巷道变形规律
  跨采上山过程中,巷道顶板变形为111-516mm,平均为354.4mm,从距上山前方21-60m(平均39.7m)到跨采后31-60m(平均56m)顶板变形变化剧烈。
  ③1195开采上山巷道变形规律
  ⑴3号测站顶底板移近量为261mm,5号测站顶底板移近量为798mm,3号测站顶底板移近量为469mm,3号测站顶底板移近量为433mm,平均为490.2mm。
  ⑵3号测站两帮移近量为445mm,5号测站两帮移近量为442mm,3号测站两帮移近量为821mm,3号测站两帮移近量为292mm,平均为500mm。
  ⑶上山巷道在跨采前的高度为2307-2550mm,平均为2422.8mm,宽度为2405-2790mm,平均为2572.5mm;在跨采后的高度为1510-2091mm,平均为1932mm,宽度为1698-2498mm,平均为2066mm。巷道高度收缩率为20.3%,宽度收缩率为19.7%,收缩率大,但能保持正常安全通风。
  结束语
  在下伏4.55m厚煤层一次放顶煤开采条件下,弯曲带顶板岩层发生周期性断裂,布置在该范围内的巷道表现为整体下沉,其变形和破坏可能很严重,采用相应的围岩加固技术后回风上山倾斜变化在4.76-7.14°,巷道也能保持正常通风;仅1193、1195两个工作面多回收资源33.7万吨,创收1.16亿元,实现了工作面的高效开采,具有重要的实践意义。
  参考文献
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  作者简介
  左雁群,男,1979出生,河北沙河人,现有职称:工程师,现为冀中能源股份有限公司显德汪矿技术规划科科长,主要从事煤矿技术监督管理和指导工作,主要研究方向煤矿技术。
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