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采矿工程采空区巷道掘进支护技术探讨

所属栏目:矿业论文 发布日期:2021-07-09 09:50 热度:

   煤炭是保障国民经济运行的重要资源,采用先进的巷道支护技术可以提高掘进支护的安全性、可靠性,更好地保证作业人员的生命安全。当前,很多煤矿进行了整合重组,需要对矿井巷道进行优化,而矿井复采前已经存在采空区,存在岩体垮塌和覆岩破坏等问题。在巷道掘进施工过程中存在顶板塌陷的风险,需要结合矿井实际情况,确定巷道掘进支护方式,彻底解决采空区围岩巷道可靠性差的问题[1]。A矿井掘进回风巷南段至立井103m区间内存在采空区与空巷,岩体存在垮落和顶板塌陷倾向,顶板上已经生成高冒区,煤层倾斜角度接近水平,顶底板为泥岩,存在裂缝发育,空巷落煤矸高度在3~4m,两帮容易破碎。

采矿工程采空区巷道掘进支护技术探讨

  1注浆加固方案设计

  回风巷上部覆岩为砂质泥岩,通过对冒落带及导水裂缝高度进行计算,确定中硬岩石垮落3~4m,冒落带为13~17m,导水裂缝高度为35~48m。掘进巷道位于冒落区应力减小部位,对破碎围岩进行加固处理则可以提高巷道的稳定性、安全性,而且可以采用注浆加固支护技术。对于高冒区,采空区裂隙多,可以通过注浆方式来提升围岩强度,而泥岩是围岩的主要成分。由于存在很多裂缝,需要采用化学浆液来进行注浆加固[2]。加固支护选用的材料为固瑞特,施工时,将其与漏必堵联合应用,可以减少材料消耗量。以加快施工进度为设计原则,根据煤矿安全生产要求设计注浆加固方案。掘进作业到冒落带区域时,存在冒顶和空顶等问题,容易引发安全事故。鉴于此,先应用漏必堵进行填充后形成人工顶板,进行填充作业前需要在上方设置木板、风筒布等来防止材料漏浆。回风巷中心作为布置钻孔的基准,首排间距为1m,顶板孔深度为5m,倾斜角度为45°。第二排钻孔在首排钻孔下侧0.5m,间距0.5m,孔深5m,倾斜角度10°。巷道顶板注浆加固与化学注浆加固工艺如图1所示。注浆加固可以更好地控制围岩变形和提高围岩密实度,确保巷道的稳定性与安全性[3]。

  2巷道支护方案设计

  结合煤矿围岩强度强化的相关理论,对采空区巷道围岩支护进行设计,将提升围岩强度、承载能力作为主要目标。

  2.1高冒区巷道支护

  a)采用顶板锚网索支护方式确定高强度钢锚杆规格型号,间距设置为1m,两侧间隔为0.9m。设置好金属网后,再利用Φ16mm圆钢制作4.2m长的梯子梁与锚杆连接。顶板煤层厚度小于0.8m时,应用8.3m锚索;顶板煤层厚度超过0.8m时,应用11.3m锚索,每排采用4根锚索[4]。b)对巷道两帮料石墙进行砌筑支护时,应该先确定两帮成形情况,根据中腰线进行砌墙基础施工,深度为0.55m。施工到实底时,先铺设砂浆再砌筑料石,从下而上砌筑到3.6m后进行架棚作业,保证砌墙厚度为0.5m;之后整体开挖,砌墙壁施工中可先砌筑后充填。如果巷道两帮不存在空洞,需要保证基础深度为0.8m,砌墙厚度不小于1.0m,以中腰线为标准挖掘出煤矸,再对基础进行平整处理。采用混凝土对基础进行浇筑,达到足够强度后铺设轨道底梁,再采用砂浆来砌墙,每次砌筑长度不可以超过3m[5]。c)工字钢支护。工字钢梁长4.5m,每排间隔0.8m。

  2.2采空区巷道支护

  如果掘进巷道与采空区域巷道为相同水平,但相交的角度存在差异,巷道暴露长度不等,需要充分考虑采空区巷道相交断面来设计与创建人工巷帮[6]。a)锚网索支护。将锚网索支护设置于巷道贯通区间,帮锚杆采用圆锚杆,排距为1m,利用树脂药卷来加长锚固,锚固长度为1m,将金属网设置在巷道两帮,同排锚杆采用2.6m的钢筋梯子梁连接。b)对空巷侧石墙砌筑进行支护,采用宽0.6m、高3.8m的矩形料石墙来对顶板进行支护,基础应该低于底板0.25m,采用粗料石进行铺设。如果掘进巷在采空区巷道下方,采用锚网索对巷道顶板进行支护,先结合掘进巷顶板岩体实际情况确定顶锚杆规格型号、锚固剂的性能参数,将间距设置为0.9m,锚固长度为1.4m,金属网与锚杆采用42m钢筋梯子梁来连接[7]。对空巷侧石墙进行砌筑,确定好梯形料石墙的砌筑尺寸,保证达到支护顶板的强度和尺寸要求。利用工字钢梁进行支护,如果料石墙高度达到3.2m,需在料石墙上侧设置梁长为4.5m的工字钢梁,排距为0.8m,将金属网置于工字钢梁上侧,利用矸石充填金属网。

  3支护方案可行性分析

  3.1理论验证

  结合煤层水文地质情况,对回采区域覆岩应力和运动演化进行分析。假定煤层倾斜方向与走向都为200m,高度为85m,煤层、顶板和底板岩层质地较为脆弱,按照摩尔-库仑屈服标准对煤层岩体破坏情况进行判断,4个侧面受到水平位移产生的约束力,底面受到竖向位移产生的约束力,顶部是载荷边界,载荷来自于上覆岩层产生的重力。巷道底板掘进开挖后会受到剪切力而被破坏,顶板两侧也会出现剪切破坏现象,这样就会在巷道两帮注浆加固区域形成较大范围的损坏,但不会对巷道的稳定性产生影响,巷道附近的最大变形量为60mm[8]。巷道表面产生的位移量比较大,顶板、底板、两帮产生位移量较小,围岩位移主要集中在巷道表面到内部4m区间内,深度超过5m则不会使围岩移动。这表明,料石墙、顶帮注浆和水泥基础都具有较好的支护加固效果。所以,采用该种支护加固处理技术,不会使巷道产生较大的变形,反而会使围岩应力分布更为合理,有较强的稳定性、安全性。

  3.2矿压监测

  通过矿压监测可以更为准确地检验设计是否合理,通过获取到的围岩变形情况、支护体与围岩的位移和煤层应力等数据信息,就可以判断围岩的稳定性、安全性。对回风巷采空区围岩进行注浆加固,以锚索、料石墙和工字钢为基础进行全面支护加固,通过矿压监测对围岩变形和支护受力情况进行分析与判断。a)表面位移观测。在巷道内设置4个观测点,每个观测点在巷道轴方向上间距10m。以十字布点法来对断面位移量进行监测,在顶板中部垂直方向和两帮水平方向钻孔。b)锚杆、锚索监测。在支护作业过程中,设置好锚索、锚杆液压枕,采集锚索、锚杆受力数据。通过实际观测矿压数据,采用综合支护加固方案后,巷道围岩更趋于稳定,两帮位移量为0.114m,顶板、底板位移量为0.121m,锚杆受力为104kN,锚索受力为149kN。这表明,支护方案可以更好地控制围岩变形。

  4结语

  综上所述,在煤矿采空区巷道掘进过程中,根据覆岩结构和承载强度等设计支护加固方案,可以采用锚杆、锚索网、料石墙和工字钢梁等综合支护技术。料石墙和顶帮注浆加固、水泥基础具有很好的支护效果,巷道围岩也更为稳定,两帮位移量、顶底板位移量较小,可以更好地抑制围岩变形。巷道综合加固支护技术具有很好的适用性,在矿井综合整治方面发挥了重要作用,具有很好的应用前景。

  《采矿工程采空区巷道掘进支护技术探讨》来源:《能源与节能》,作者:邵春瑞

文章标题:采矿工程采空区巷道掘进支护技术探讨

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