晋圣上孔煤业半煤岩巷支护方案与应用_段辉.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：晋圣上孔煤业1 9 0 3工作面轨道巷为半煤岩巷，受巷道围岩非均质性影响，原支护方案下巷道变形破坏较严重。为有效控制巷道围岩，分析1 9 0 3工作面轨道巷半煤岩巷支护技术与失效原因，并结合地质条件设计了锚（索）网喷联合支护方案。FLAC3 D模拟和现场应用结果表明，改进后的支护方案使巷道顶底板、两帮移近量分别减少了8.6 9mm、2 7.0 4mm，锚杆（索）受力和围岩变形量均在可控范围内。关键词：半煤岩巷；巷道围岩控制；锚（索）网喷联合支护中图分类号：TD2 6 3.5+7；TD3 5 3文献标识码：B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 7 7-0 3Support Scheme and Application of Semi Coal and Rock Roadway in Jinsheng Shangkong Coal IndustryDuan Hui（Yangcheng Jinsheng Shangkong Coal Industry Co.,Ltd.,Jinneng Holding Coal Industry Group,Jincheng,Shanxi 048100）Abstract:The track roadway of the 1903 working face of Jinsheng Shangkong Coal Industry is a semi-coal rock roadway,whichis affected by the heterogeneity of the surrounding rock of the roadway,and the deformation and failure behavior of the roadwayunder the original support scheme is complex.In order to effectively control the surrounding rock of the roadway,the supporttechnology and failure form of the semi-coal rock roadway are analyzed in the paper,and the combined support scheme of anchor,cable,net and spray is designed according to the geological conditions.FLAC3Dnumerical simulation and field application showthat the improved support scheme can reduce the convergences of the roof and floor of the roadway and the two sides by 8.69 mmand 27.04 mm,respectively,and the force of the bolt and cable and the deformation of the surrounding rock are within thecontrollable range.Key words:semi coal and rock roadways;roadway surrounding rock control;bolt-cable-net-spray combined support晋圣上孔煤业半煤岩巷支护方案与应用段 辉（晋能控股煤业集团阳城晋圣上孔煤业有限公司，山西晋城0 4 8 1 0 0）分析巷道围岩特征并设计经济合理的支护方案是煤矿安全高效开采的重要保障1，与全岩巷道或全煤巷道相比，半煤岩巷由于围岩的非均质性和非对称性显示出更加复杂的巷道变形破坏特征2-4。晋圣上孔煤业1 9 0 3工作面轨道巷为半煤岩巷，根据半煤岩巷围岩支护技术要点并结合矿井地质条件提出锚（索）网喷联合支护方案，并通过F L A C3 D数值模拟和现场应用验证了方案的可行性和有效性5。1地质条件晋圣上孔煤业9#煤层平均厚度0.9 6m，煤层倾角4 左右，呈条带结构，大部分可采。煤层伪顶为黑色炭质泥岩，厚度为0 0.5m，薄层状结构。直接顶为砂质泥岩，2.5 8 2.7 5m厚，深灰色，富含黄铁矿结核，中部夹薄煤层石灰岩及煤线。老顶为细粒砂岩，厚度为1.3 5 1.6 5m，灰白色，岩芯呈短柱状或块状。1 9 0 3工作面轨道巷呈东西走向，为半煤岩巷，沿煤层直接顶掘进。巷道断面形状为矩形，掘进宽度为4.2m，高度为2.6m，断面积为1 0.9 2m2；巷道净宽为4m，净高为2.5m，净断面积为1 0m2。2半煤岩巷围岩支护技术与失效形式半煤岩巷作为一种特殊的巷道形式，是指巷道断面中煤体部分面积占巷道总面积比例为2 0%8 0%的一类巷道。针对该类巷道围岩控制技术难题开展相关研究，分析锚杆支护技术要点和失效形式，厘清不同围岩特征参数下支护设计准则，对提高半煤岩巷围岩稳定性、保证矿井安全生产具有重要意义6。2.1半煤岩巷围岩控制技术由于半煤岩巷的非均质性和非对称性，巷道围岩破坏行为复杂多变。为有效控制围岩变形，减7 7江西煤炭科技2023年第1期少巷道两帮和顶底板变形量，可采用锚（索）网联合支护技术改善巷道围岩的承载能力，增强煤岩体的整体性，提高半煤岩巷围岩稳定性，支护原理如图1所示。（1）良好的支护方案应遵守“强力控顶、帮部抗剪”原则。在半煤岩巷围岩控制中，不仅要关注顶板的稳定性，避免由于上覆岩层离层过多引起的帮部应力集中，还要消除煤岩交界面出现的剪切滑动。前者会引起巷帮严重变形，进而为顶板下沉破坏创造空间，后者会造成巷道围岩的局部大变形或不均匀破坏，导致巷道失稳。可通过在巷道顶板布置高强穿层锚索，将煤层顶板岩层悬挂到深部坚硬岩层上，抑制岩层间的滑移，保障巷道围岩结构的稳定性。（2）通过锚索牵拉作用，利用深部稳定岩层的承载能力，提高支护强度。在进行巷道支护设计时，要充分利用巷道顶板深处具备承载能力的稳定岩体，同时重点考虑巷道肩窝应力集中区影响，通过锚固作用避免巷道周围浅部围岩松软破碎而引起的巷道变形。（3）加大托盘尺寸规格，增大围岩护表面积，提高帮部侧向支护阻力。通过增大托盘尺寸，配合W型钢带或架棚支护，充分发挥支护构件对巷道围岩的接触支撑作用，提升预紧支护效果。（4）增强托盘构件材料刚度，采用高预紧力技术，提高巷道围岩护表强度。通过选用优质高强度材料制成的锚杆（索）托盘，使锚杆（索）在煤岩交界面有较高的穿层锚固力，从而有效减少煤岩层间的剪切移动。图1半煤岩巷围岩控制原理2.2锚网索支护失效形式分析根据理论分析和现场调研，锚网索支护失效的主要表现形式为锚杆（索）锚空或黏结失效。锚杆（索）锚空或黏结效果不佳，会造成巷道周围浅部的松软破碎围岩无法与托盘形成有效预紧作用，导致锚固失效。当支护失效后，顶板受碎胀压力影响呈“网兜”状破坏下沉撕裂金属网，锚杆或锚索随围岩同步变形，严重时可能导致巷道冒顶事故，引发更大范围的围岩破坏，如图2所示。图2锚杆锚空失效3巷道支护设计方案及应用效果3.1巷道支护设计方案根据前述分析，结合1 9 0 3工作面轨道巷围岩特征，考虑半煤岩巷的特殊性、不均质性和不对称性，设计锚（索）网喷联合支护方案。锚杆采用2 0mm20 0 0mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为9 0 0mm8 0 0mm，呈矩形布置。靠近帮部的两根锚杆安设角度与铅垂方向成1 5 夹角，其余均与顶部垂直，选用1 5 0mm1 5 0mm1 0mm的高强度钢托盘。锚索选用直径2 2mm，长度63 0 0mm规格的钢绞线，垂直于顶板打注，居中布置，排距为24 0 0mm，选用3 0 0mm3 0 0mm1 6mm高强度钢托盘。支护设计断面如图3所示。图3巷道支护设计断面3.2数值模拟分析借助F L A C3 D数值模拟手段对锚（索）网喷联合支护方案与普通锚杆支护方案的支护效果进行对比、评估7，验证锚（索）网喷联合支护方案的可行性和有效性。根据1 9 0 3工作面轨道巷围岩地质条件，基于矿井地层分布情况及各岩层物理力学参数，建立数值计算模型，并沿巷道走向方向布置监测点，记录两种支护方案下巷道两帮变形量和顶底板位移量，如表1所示。7 8江西煤炭科技2023年第1期表1不同支护方案巷道围岩变形量支护方案左帮变形量/mm右帮变形量/mm顶板位移量/mm底板位移量/mm普通锚杆支护1 3.7 41 4.2 15 2.6 72 7.9 4锚（索）网喷联合支护9.2 69.9 73 7.2 21 6.3 5由数值模拟结果可知，锚（索）网喷联合支护较普通锚杆支护方案两帮变形量减少了8.6 9mm，顶底板位移量分别减少了1 5.4 5mm和1 1.5 9mm，半煤岩巷围岩得到了较好控制。锚（索）网喷联合支护体锚杆、索受力如图4所示，锚杆（索）最大轴向载荷为1 2 4k N，锚固体受力均在合理范围内，不会出现破断失效现象。图4锚杆（索）受力云图3.3现场应用效果为检验半煤岩巷锚（索）网喷联合支护的实际应用效果，在1 9 0 3工作面轨道巷掘进工作面设置4个监测站，观测巷道顶底板及两帮移进量随掘进距离的变化关系，如图5所示。图5巷道变形量随掘进距离变化关系由图5可知，在距离掘进工作面0 5 0m范围内，巷道两帮移进量、顶板下沉量和底鼓量以较快速率增加，当距离掘进工作面达到8 0m以后，围岩变形量趋于稳定。最终，巷道两帮移进量为5 0mm，顶板下沉量为4 0mm，底板底鼓量为9mm，表明在1 9 0 3工作面轨道巷应用锚（索）网喷联合支护技术可取得较好支护效果。4结论1）半煤岩巷围岩的不均质性和不对称性是导致巷道变形破坏复杂的主要原因，该条件下锚固支护失效形式通常表现为锚杆（索）锚空或黏结失效。通过强力控顶、帮部抗剪、增加锚固构件的尺寸规格和材料刚度等手段，可在一定程度上改善煤岩体的承载能力，提高巷道稳定性；2）针对1 9 0 3工作面轨道巷围岩控制难题，提出锚（索）网喷联合支护方案。经F L A C3 D数值模拟分析可知，应用改进的半煤岩巷支护方案后，巷道顶底板和两帮移近量分别减少了3 1%和3 4%，锚杆（索）最大轴向载荷为1 2 4k N。现场应用表明，锚（索）网喷联合支护方案能够有效控制巷道围岩变形，保障了巷道在服务年限内的正常使用。参考文献：1 谢林君.煤辅运大巷半煤岩巷支护参数设计研究J.内蒙古煤炭经济，2 0 1 9（2 4）：1 3-1 4.2 王向宏，姜涛，崔云德，等.王庄煤矿薄煤层半煤岩巷锚杆支护设计J.江西煤炭科技，2 0 2 0（1）：7 4-7 7.3 王向宏，姜涛，崔云德，等.王庄煤矿薄煤层半煤岩巷锚杆支护设计J.江西煤炭科技，2 0 2 0（1）：7 4-7 7.4 白建亮.赵家沟矿2号煤层三采区半煤岩巷支护优化技术研究D.江苏：中国矿业大学，2 0 1 9.5 张满华，张正新.深部高应力半煤岩巷失稳机理及支护技术J.抚顺：煤矿安全，2 0 1 8，4 9（2）：2 0 6-2 1 0.6 燕杰星，智强.复杂地质条件下煤矿掘进支护技术实践分析J.内蒙古煤炭经济，2 0 2 1（1）：2 0 1-2 0 2.7 雷卫锋.基于FLAC3 D的破碎围岩巷道支护效果分析J.江西煤炭科技，2 0 2 2（1）：8-1 0.作者简介：段 辉（1 9 8 8），男，山西阳城人，2 0 1 4年毕业于大同大学采矿工程专业，助理工程师，现从事采掘衔接、矿压管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 7编辑：廖文德7 9