B070108 综采放顶煤上行开采巷道支护及其稳定性分析.doc

综采放顶煤上行开采巷道支护及其稳定性分析郑有雷 郭念波【兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁，272169】摘 要 介绍济宁三号煤矿上行开采巷道锚网支护方式。通过对下层煤停采线附近上覆岩层的倾角变化的观测，判定了锚网支护是切实可行的；通过矿压观测分析了综采放顶煤条件下上行开采巷道采用锚网支护稳定性能够满足回采使用要求；裂隙观测统计证明了下层煤开采顶板周期性断裂与上行开采巷道顶板破碎区的一一对应；通过上行开采巷道底板至下部采空区的钻孔施工记录和钻孔录像技术了解下层煤裂隙带发育高度，为成功实现综采放顶煤条件下上行开采巷道安全掘进提供了科学依据。关键词 上行开采 锚网支护 稳定性分析 裂隙观测 钻孔录像43上03工作面是济宁三号煤矿第一个上行开采工作面。该工作面位于43下03工作面采空区上部偏东南。43下03工作面自2001年7月1日开始回采，2002年5月6日结束。43上03工作面两顺槽设计均采用锚网支护。为考察综采放顶煤上行开采巷道支护后的稳定性、掌握巷道掘进期间矿压显现规律及巷道空间位置变化与巷道稳定性的关系等，我们对43上03工作面辅助运输顺槽、胶带运输顺槽和探煤巷进行了矿压观测和分析。1 43上03工作面概况43上03工作面位于43下03工作面采空区上方的东南部，3上煤层厚度为02.07m，平均1.23m，北部因冲刷变薄直至缺失。煤层直接顶为厚0.168.20m的深灰色泥岩，局部发育粉砂岩，坚固性系数f值为46；老顶为厚6.011.3m的深灰色粉细砂岩互层，局部为灰白色细砂岩夹粉砂岩条带，坚固性系数f值为68。43上03工作面倾斜长69.55m，走向长约775.16m。43上03工作面辅助运输顺槽在43下03工作面辅助运输顺槽上方，东距该顺槽巷道中心线2.5m，方向与该顺槽一致，43上03胶带运输顺槽东距该顺槽（中对中）73.55m。2 施工情况根据国内外对上行开采的研究结果，工作面回采完毕后，“两带”高度对于软弱岩层约为采高的912倍、对于中硬岩层为采高的1218倍，对于坚硬岩层为采高的1828倍。43下03工作面顶板为软至中硬岩层，故其两带高度取采高的6.3m12倍，即75.6m。冒落带高度约为采高的35倍，取4倍，即25.2m。地质勘探钻孔表明，济三矿四采区3下煤层和3上煤层的间距约为32.3341.79m，平均36.03m，3上煤层处于下部3下煤层回采后的裂隙带中。因此掘进巷道顶板及两帮围岩的次生裂隙发育，以与巷道垂直的横断裂隙为主。同时3上煤层受下部煤层采出的影响，从3下煤层停采线到采空区段为下沉区域，受拉伸的影响，停采线附近的3上煤层受到的破坏程度最大。43上03工作面辅助运输顺槽于2005年8月份开始施工，胶带运输顺槽于9月份也正式掘进。到2006年2月胶带运输顺槽与切眼贯通后，包括辅助运输顺槽、胶带运输顺槽、切眼及工作面内探煤巷等在内共1880m巷道全部完成施工，月进尺最高526m，平均308m。2.1 巷道参数与施工方法43上03工作面所有回采巷道均采用矩形断面。辅助运输顺槽净宽4000mm、净高2600mm，净断面积10.4m2；胶带运输顺槽净宽4000mm、净高2400mm，净断面积9.6m2。切眼正常段净宽6800mm，机窝段最大净宽8000mm，净高2600mm。巷道采用综合机械化掘进。综掘机为低矮型半煤岩掘进机，配合SSJD-800型胶带运输机形成煤流运输系统。巷道均沿3上煤层顶板施工，“三八制”作业，掘锚顺序施工。正常条件下每次截割两排进行锚网支护一次，循环进尺1.6m。2.2 永久支护参数与工艺采用锚网支护作为永久支护形式，顶板条件较差处增加锚索加强支护。锚杆采用左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆。顶板锚杆直径22mm、长2200mm，帮部锚杆直径20mm、长1800mm。树脂锚固剂卷为CK2340型和K2340型两种，均为全长锚固。顶板锚杆设计锚固力不低于150kN，帮部锚杆设计锚固力不低于100kN。网为10#铁丝编织的菱形金属网，网格5050（mm），再配合用10mm圆钢加工的70mm宽钢筋梯。锚索直径18mm、长6200mm，设计锚固力不低于180kN，预紧力80kN。锚杆施工采用一次完成的快速安装工艺。顶板锚杆安设使用MQT-120型大扭矩低矮型风动锚杆钻机；顶板锚杆安装扭矩为120Nm；帮部锚杆安设使用MQB-45J型气腿式风动帮锚杆钻机，安装扭矩为60Nm。2.3 巷道施工实际揭露情况43上03工作面在3下煤动压影响区域内共施工回采巷道1880m。由实际揭露情况看，未出现预计中的顶板破碎严重、压力显现明显、支护体系失稳和巷道成形困难等情况，而是巷道顶、帮完整稳定、裂隙不明显、没有压力显现。锚网支护体系也非常稳定，从未出现片帮、冒顶、底臌严重等巷道失稳现象。从开始掘进到2006年4月30日工作面回采期间，巷道一直处于这种完整稳定状态。在上行开采条件下，巷道在掘进期间围岩的完整性和变形量极小，甚至优于济三煤矿正常开采程序下的任何一条回采巷道。巷道掘进期间下层煤的动压影响在上层煤巷道中也是有一定的表现，主要在两个方面：其一是两条顺槽掘至下层煤停采线位置后，煤层有明显的下倾现象；其二是巷道每掘进2030m长度会出现一次顶板完整性变差的现象，这与下层煤回采期间周期来压步距相吻合。巷道掘进中未出现裂隙水渗入现象。巷道内瓦斯含量正常，巷道水文地质情况简单易控。3 43下03工作面上覆岩层移动情况3.1 停采线附近43下03工作面停采线附近的上覆岩层移动情况如图1所示。在43上03辅助运输顺槽掘进期间，对3上煤层与其底板分界线的坡度变化（斜率mm/m）进行了测量和统计。统计结果见图2。从统计情况看，在距停采线南2413m段，岩层呈缓慢上升趋势；在距停采线南13m左右，煤层倾角变得相对不稳定；在距停采线南8.4m处煤层坡度达到9，在距停采线南6.3m处则维持在8.74，在距停采线南3.4m时又突变为-15.4，继而下降至-3.24，然后变平缓。经分析认为，由于3下煤层的开采，在停采线附近顶板断裂牵引造成3上煤层及其围岩坡度发生剧烈变化。现场看在距3下煤层停采线南13m左右顶板见断裂面，断裂面与巷道走向垂直，倾角约70。图1 3下煤层停采线附近上覆岩层移动示意图图2 煤层坡度变化3.2 探巷揭露情况43上03工作面探巷开口于43上03工作面辅助运输顺槽550m处并与其垂直相交，主要用于探明工作面内断层情况。探巷掘进至120m见一条6m落差的断层后停止掘进并封闭。从43上03探巷实测剖面来看，探巷开口向里9m段的3上煤层坡度平缓（西倾约2），呈自然倾角；向里920m煤层开始产生弯曲，煤层西倾4；向里2028m煤层坡度急剧变化，西倾11；向里2832m煤层坡度开始变缓，西倾约7.4；向里32m以西段煤层坡度变化趋于稳定，约24。图3 43上03探巷实测剖面图43上03工作面切眼位于探巷北360m。从切眼实测剖面来看，与探巷岩层移动情况比较类似，均呈平缓急倾平缓的明显变化趋势，也符合移动盆地特征。4 上行开采巷道支护后稳定性分析从辅助运输顺槽和胶带运输顺槽的掘进情况来看，前者从导线点N43上12南20m至N43上14北10m段受断层HF7(落差1.2m)和HF8（落差0.8m）的影响，帮部锚杆受力较大，锚杆托盘变形、压裂的较多，两帮移近量较大，集中表现在帮部肩窝和帮部第二根锚杆上；后者从导线点N43上16南32m至N43上16北38m段为一幅度4m的背斜构造，受其影响两帮锚杆受力较大，两帮移近量较大。胶带运输顺槽受八里铺东断层（落差4550m）及其次生断层SF23(落差2.5m)和SF24（落差6m）的影响，顶部锚杆受力较大，托盘变形的较多。4.1巷道顶板离层情况统计及分析43下03工作面辅助运输顺槽距43下03工作面停采线不同距离处的顶板离层情况见图46，胶带运输顺槽顶板离层情况见图7。图4 距停采线南1.5m处顶板离层情况图5 距停采线北36.6m处顶板离层情况图6离层量最大的18离层仪测得情况图7 离层量最大的10离层仪测得情况43上03工作面辅助运输顺槽顶板最大离层量48mm，平均22.1mm，其中浅部离层量平均13.6mm，占总离层量的61.5，以浅部离层为主；胶带运输顺槽顶板最大离层量44mm，平均21.5mm，其中浅部离层量平均9.8mm，占总离层量的45.6，以深部离层为主。相邻的四采区3上胶带运输顺槽（未受采动影响）最大离层量15mm，平均9.2mm，其中浅部离层量平均2.6mm，占总离层量的28.3，以深部离层为主。4.2 巷道围岩表面变形情况43上03工作面胶带运输顺槽围岩表面位移情况见图810，辅助运输顺槽围岩表面位移情况见图11。图8 17测点表面位移图9 18测点表面位移图10 11测点表面位移图11 14测点表面位移43上03工作面辅助运输顺槽顶底板移近量最大70mm，平均20.3mm，最大移近速度6mm/d；两帮移近量最大52mm，平均15.9mm，最大移近速度2mm/d。辅助运输顺槽围岩表面位移明显段距离迎头060m范围。胶带运输顺槽的顶底板移近量最大176mm，平均27.6mm，最大移近速度36mm/d；两帮移近量最大72mm，平均17.7mm，最大移近速度27mm/d。胶带运输顺槽围岩表面位移明显段距离迎头050m范围。4.3 锚杆、锚索承载工况及分析43上03工作面辅助运输顺槽锚杆、锚索承载工况见图12、13，胶带运输顺槽锚杆、锚索承载工况见图14。图12 距停采线外27.5m处图13 距停采线外2m处图14 胶带运输顺槽锚杆、锚索承载工况从图1214可以看出，除辅助运输顺槽锚索压力升高值达6 MPa外，其余平均1.4MPa，胶带运输顺槽锚索压力升高值平均2.4MPa；辅助运输顺槽顶部锚杆压力升高值平均1.75MPa，胶带运输顺槽顶部锚杆压力升高值平均2.15MPa；其余均在4 MPa以内。辅助运输顺槽、胶带运输顺槽由于处于HF8断层和SF24断层处，受断层构造应力的影响，辅助运输顺槽左帮锚杆压力升高值为17 MPa，胶带运输顺槽右帮锚杆压力升高值为10 MPa，其余均在28MPa之间。锚杆、锚索压力变化较小。锚索、锚杆平均压力升高值 （单位：MPa）地点锚索顶部锚杆左帮锚杆右帮锚杆辅助运输顺槽1.401.754.503.00胶带运输顺槽2.402.152.754.274.4 下层煤开采周期性断裂及其对巷道稳定性影响掘进期间，两条顺槽每掘进2030m顶板就出现一次破碎，有较为明显的周期性。顶板冒落高度约0.30.6m，长度约0.52m。冒落后形成楔形裂隙，断裂面较光滑，但43上煤03煤层的煤体、顶板及底板岩层未见有明显错动。断裂面处由于冒落造成个别顶部锚杆托盘不能密贴岩面，两排锚杆间易形成网兜，但锚网支护后至回采期间未出现冒顶现象。 巷道掘进完成后，辅助运输顺槽共有明显裂隙31处，胶带运输顺槽共有明显裂隙34处。胶带运输顺槽由于处于43下03工作面采空区中部，顶板周期性断裂显现比辅助运输顺槽明显。综上所述，43上03工作面两条顺槽的顶板离层量、巷道围岩表面位移量均较小，自掘进到回采之前这期间，巷道内（包括顶板断裂地点附近）未发生冒顶，锚网支护效果总体较好。5 钻孔观测43上03工作面辅助运输顺槽完成掘进后，在该顺槽与切眼交岔点处及切眼内距离该顺槽45m处向下（43下03采空区）各钻了一个孔，利用钻孔窥视仪对钻孔进行了录像观测。其中，顺槽内钻孔为垂直向下，切眼内钻孔与底板成55夹角。在切眼处3上煤层与3下煤层距为32m。顺槽内钻孔钻进至8m时，钻孔内反水减少；钻进至12m时钻孔不反水。切眼内钻孔钻进至5m时反水减少，钻进至10m时钻孔不反水。6 结 论通过采空区钻孔施工和录像记录，确定了下层煤开采形成的裂隙带发育高度的低限，在裂隙带低限以上掘进巷道是安全可行的。处于采空区中部上方的巷道与处于采空区边缘上方巷道顶板离层相