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煤矿深部开采巷道支护设计研究

来源:用户上传      作者: 武少国

  摘 要:煤矿深部开采面临高地压和强烈的开采扰动影响。深部矿井重力引起的垂直应力明显增大,构造应力场复杂,地应力高。在高应力作用下,开采扰动影响强烈,围岩破坏严重。对巷道支护而言,巷道压力大,围岩变形显著、破坏严重。现对葫芦素矿2-1煤东翼辅助运输大巷进行支护初始设计。2-1煤东翼辅助运输大巷支护设计内容包括地质力学测试与评估,支护形式和参数设计,支护材料选择等内容。
  关键词:地质力学测试与评估;支护形式和参数设计;支护材料
  1 概述
  葫芦素矿煤层埋藏深度较深,矿井一盘区2-1煤层底板标高在662.9~692.9m之间,埋深在630~660m左右。深部开采面临高地压和强烈的开采扰动影响。深部矿井重力引起的垂直应力明显增大,构造应力场复杂,地应力高。在高应力作用下,开采扰动影响强烈,围岩破坏严重。对巷道支护而言,巷道压力大,围岩变形显著、破坏严重。
  现对葫芦素矿2-1煤东翼辅助运输大巷进行支护初始设计。2-1煤东翼辅助运输大巷支护设计内容包括地质力学测试与评估,支护形式和参数设计,支护材料选择,井下施工工艺和安全措施,矿压监测设计等内容。该支护方案实施于井下后,应对巷道进行矿压监测,以验证或修改初始支护设计,确保巷道安全。
  2 巷道地质条件
  2.1 巷道概况
  2-1煤东翼辅助运输大巷位于2-1煤东翼辅助运输斜巷结束处,以90°方位角向东布置。2-1煤东翼辅助运输大巷为半圆拱形直墙巷道,巷道硬化铺底厚度为250mm。
  2.2 煤层及顶底板情况
  根据2-1煤东翼回风大巷实际揭露情况,2-1煤东翼辅助运输大巷为半煤岩巷,煤层平均厚度为3.0m,该煤层结构简单,黑色,条带状结构,以暗煤为主,含丝炭,参差状断口,暗淡型;煤层顶板以砂质泥岩为主,深灰色,平行层理,平坦状断口,含丰富植物化石,半坚硬;底板为中粒砂岩,岩性为灰白色,以石英为主,长石次之,泥质胶结。
  2.3 岩层物理力学参数
  葫芦素井田主要可采煤层的顶底板岩石主要为砂质泥岩、粉砂岩,次为中细粒砂岩。根据本次勘探施工的H11、H13、H28、H29、HK22、HK46号钻孔岩石物理、力学性试验成果:岩石吸水状态下抗压强度5.6~49.1MPa,平均25.0MPa;自然状态13.8~72.3MPa,平均42.6MPa;普氏系数1.40~7.37,平均4.35;抗拉强度0.26~3.69MPa;软化系数0.17~0.96。内摩擦角17°40′~38°40′;凝聚力4.3~20.0MPa。岩石的抗剪强度2.70~41.86MPa。
  试验结果显示,岩石的抗压强度不高,多在40~80MPa之间,抗剪与抗拉强度则更低,砂质泥岩类吸水状态抗压强度明显降低,多数岩石遇水后软化变形,个别砂质泥岩遇水崩解破坏,岩石的软化系数多数小于0.75,多数为软化岩石。个别钙质填隙的砂岩抗压强度稍高些。因此,井田内煤层顶底板岩石以软弱~半坚硬岩石为主。
  2.4 地质构造状况
  根据2-1煤东翼回风大巷实际揭露情况,及相关地质探测报告显示,2-1煤无较大起伏。通过区内施工和周边施工的110个钻孔揭露资料,本区构造形态为一向西北倾斜的单斜构造,地层倾角小于2°。区内断层不发育,亦无岩浆岩倾入,井田地质构造简单。
  3 2-1煤东翼辅助运输大巷支护参数及形式
  3.1 设计原则
  (1)支护设计确保支护安全,避免巷道服务期间进行大面积维修。(2)支护参数和支护材料规格具有较好的适应性和施工可行性,由于井下巷道围岩条件变化很大,从支护合理性考虑,可能出现多种支护参数和支护材料规格,但这将不利于巷道施工和管理。因此,尽可能采用统一的支护参数和材料规格。(3)支护设计要在保证支护质量的同时,有利于提高巷道掘进速度。(4)在满足前三项原则的前提下,做到经济合理。
  3.2 支护参数及形式
  葫芦素矿2-1煤层顶板分别为厚度6.67米的粉砂岩,厚度4.16米的砂质泥岩和厚度13.35米的粉砂岩,岩层致密,完整性好取芯率均在94%左右。因此,建议2-1东翼辅助运输大巷正常段采用矩形巷道。按照设计单位提供的断面,巷道掘进断面宽度5.8米,高度4.25米,采用“锚网喷”联合支护。
  本支护设计针对2-1煤东翼辅助运输大巷正常地质条件下的支护设计。对于掘进过程中遇到的特殊巷道段需根据现场条件,对巷道断面形状和支护参数进行调整。
  初步确定葫芦素矿2-1煤东翼辅助运输大巷初始设计参数如下:
  考虑到此大巷服务年限比较长,以及对整个矿井生产系统的重要性,要求大巷在采用“锚网喷”初始支护后,对巷道表面进行喷射混凝土。巷道表面进行喷射混凝土一方面队巷道围岩表面起到了一定辅助支护作用,另一方面保证巷道在使用过程中避免外界环境的侵扰,防止巷道围岩风化,保证巷道使用过程中的安全。混凝土喷层的强度、厚度以及施工工艺参照相关的行业标准和技术规范。
  3.3 支护材料
  葫芦素矿2-1煤东翼辅助运输大巷初始支护设计,所需支护材料如表所示。
  表 葫芦素矿2-1煤东翼辅助运输大巷锚杆支护材料清单(排距1.0m)
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