晋北煤业大采高工作面回采巷道支护技术研究_武杰.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：针对晋北煤业5#煤层厚度大，工作面采高大的问题，采用理论分析、工程类比及数值模拟的方法，设计巷道支护方案为：顶板锚杆选用2 2mm21 0 0mm的螺纹钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm，顶板锚索规格为1 7.8mm65 0 0mm，间排距为25 0 0mm30 0 0mm。巷道回采帮选用2 0mm15 0 0mm的玻璃钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm。煤柱侧巷帮选用1 6mm15 0 0mm的圆钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm。通过5-4 0 9工作面现场试验，结果表明，巷道围岩变形量不大，顶板无明显离层，锚杆工作状态良好。关键词：大断面；巷道支护；数值模拟；围岩变形中图分类号：TD353+.6文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 8 3-0 3Study on Support Technology of Mining Roadway in Fully Mechanized Face with Large Mining Heightin Jinbei Coal IndustryWu Jie(Huozhou Coal Power Group,Huozhou,Shanxi 031400)Abstract:In view of the large thickness of the No.5 coal seam in Jinbei Coal Industry and the high mining height of the workingface,using the methods of theoretical analysis,engineering analogy and numerical simulation,the roadway support scheme isdesigned as follows:The roof bolts are 22 mm2 100 mm of threaded steel bolts,the row spacing is 1 000 mm1 000 mm,theroof anchor cable specifications are 17.8 mm6 500 mm,and the row spacing is 2 500 mm3 000 mm.The mining side ofroadway selects FRP anchor rods of 20 mm1 500 mm,and the row spacing is 1 000 mm1 000 mm.The coal pillar side ofroadway selects round steel anchor rods with 16 mm1 500 mm,and the row spacing is 1 000 mm1 000 mm.The field test of5-409 working face shows that the deformation of roadway surrounding rock is not large,there is no obvious separation of roof,and the working state of bolt is good.Key words:large section;roadway support;numerical simulation;surrounding rock deformation晋北煤业大采高工作面回采巷道支护技术研究武 杰（霍州煤电集团，山西霍州0 3 1 4 0 0）1工程概况晋北煤业位于山西省忻州市静乐县鹅城镇，目前主采的5#煤层，厚度较大，平均厚度4.8m，煤层结构简单，赋存相对稳定，区域内断裂构造不发育，煤层倾角为1 8。如表1所示，5#煤层直接顶为1.0 3.0m的灰岩，基本顶为5.0 9.0m的砂质泥岩，直接底为2.5 1 3.2m的砂纸泥岩。表1顶底板岩性顶底板名称岩石名称厚度/m基本顶粉砂岩8.3 1 2.2直接顶砂质泥岩2.0 6.0直接底砂质泥岩2.5 1 3.2晋北煤业5#煤层采用走向长壁一次性采全高的采煤方法，根据5#煤层厚度，工作面采高设定为4.8m。大采高一次采全高的采煤方法具有煤炭资源回收率高、生产效率高、通风断面大等优点。但是由于采高大，工作面回采过程中，矿压显现更为剧烈，对于回采巷道支护的难度也更大1-5。2大采高工作面回采巷道支护设计2.1回采巷道支护方案晋北煤业5#煤层已采工作面回采巷道采用锚杆索联合支护，支护方案如下：顶板锚杆选用2 2mm20 0 0mm的螺纹钢锚杆，间排距为12 0 0mm12 0 0mm，在巷道顶板中间位置布置一根1 7.8mm60 0 0mm的锚索；巷帮选用1 6mm15 0 0mm的玻璃钢锚杆，间排距为12 0 0mm12 0 0mm。根据现场监测结果，巷道围岩变形量大，存在较大的安全隐患，因此考虑增加5#煤层未采工作面回采巷道支护强度。以新贯通的5-4 0 9工作面的回采巷道为背景进行试验。5-4 0 9工作面回采巷为矩形断面，尺寸为宽高=60 0 0mm47 0 0mm，设计支护方案如图1所示。巷道顶板锚杆选用8 3江西煤炭科技2023年第1期2 2mm21 0 0mm的螺纹钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm；顶板锚索规格为1 7.8mm65 0 0mm，间排距为25 0 0mm30 0 0mm。巷道回采帮选用2 0mm15 0 0mm的玻璃钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm。煤柱侧巷帮选用1 6mm15 0 0mm的圆钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm。为保证锚杆（索）的整体支护效果，铺设8#铁丝网，其中为降低对采煤机割煤的影响，采帮侧铺设塑料网。图1回采巷道支护方案2.2建立模型借助F L A C3 D数值模拟软件，以晋北煤业5#煤层为工程背景，建立数值模型，分析工作面回采过程中，顶板岩层破断规律及应力分布特征。晋北煤业5#煤层顶底板岩层物理力学参数如表2所示。表25#煤层及顶底板岩层物理力学参数岩性密 度/(kg/m3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/黏聚力/MPa抗拉强度/MPa砂质泥岩27 2 51.41.33 03.2 61.9 3粉砂岩26 8 21.51.4 63 51 8.3 89.0 7煤14 0 01.3 31.0 43 51.5 61.3 4中粒砂岩27 0 91.71.23 04.6 24.0 8根据晋北煤业5-4 0 9工作面回采巷道地质条件，建立数值模型如图2所示，模型尺寸为长宽高=3 8 0m1 0 0m1 0 0m，对模型左右前后及底面均施加约束，顶面施加5M P a竖直向下的荷载，用于模拟上覆岩层对采场的影响。图2构建模型2.3支护效果分析当工作面回采后，回采巷道位移、应力分布及塑性区范围如图3所示。（a）巷道围岩竖向位移（b）巷道围岩水平位移（c）巷道围岩竖向应力（d）巷道围岩水平应力（e）巷道围岩塑性区范围图3支护模拟效果如图3所示，巷道顶板下沉量最大值为1 7 4mm，底鼓量最大值为1 1 8mm，巷道采帮侧最大水平位移量为1 2 7mm，煤柱侧最大水平位移量为1 1 6mm；竖向应力在距离巷道3m左右位置形成应力集中区域，竖向应力最大值为3.8 2M P a；水平应力在巷道底板约1m位置形成应力集中区域，水平应力最大值为3.5 5M P a；巷道围岩顶底板塑性区范围约1.5m，巷帮塑性区范围为0.9m。总体来看巷道围岩变形量不大，应力集中程度也较小，距离巷道较远，且巷道围岩塑性区域范围也较小，巷道围岩没有失稳的风险，表明支护方案有效。3现场试验为验证前述支护方案是否合理，在晋北煤业8 4江西煤炭科技2023年第1期5-4 0 9工作面回采巷道进行现场矿压和围岩变形监测。考虑到5-4 0 9回风巷设备较少，便于安装现场监测设备并收集监测数据，因此选择在5-4 0 9回风巷布置现场监测站，对巷道两帮移近量、顶板离层量和锚杆受力进行现场监测，现场监测曲线如图4所示。（a）巷道围岩变形量（b）2#测站围岩变形量（c）锚杆受力图4现场监测曲线如图4（a）所示，在工作面距离监测站超过7 5m范围时，巷道两帮移近量、顶板下沉量均无明显变化，此时由于距离工作面较远，巷道围岩受到的扰动较小，围岩基本处于稳定状态。随着工作面继续推进，巷道围岩变形量开始逐渐增大，在距离工作面2 0m范围以内时，巷道围岩变形量明显增大，最终巷道顶板下沉量最大值为1 8 2mm，两帮移近量最大值为1 4 6mm。如图4（b）所示，深基点在距离工作面3 0m以内时，开始发生变化，浅基点在距离工作面2 0m以内时，开始发生变化，最终深基点监测值为1 3mm，浅基点监测值为6mm，最终顶板离层量为7mm，与顶板下沉量相比，几乎可以忽略不计，表明巷道顶板支护效果良好，没有离层失稳的风险。如图4（c）所示，随着工作面不断推进，锚杆受力呈现先增大后逐渐趋于稳定的变化趋势，最终顶锚杆受力稳定在5 3k N，采帮侧锚杆受力稳定在2 7k N，煤柱侧锚杆受力稳定在2 4k N。整体来看，巷道围岩变形量不大，顶板岩层也并无离层失稳的风险，锚杆工作状态良好，无失效隐患，表明支护方案合理有效，可以满足矿方的安全生产要求。4结语晋北煤业5#煤层平均煤厚为4.8m，属大采高综采工作面。为防止工作面回采过程中，巷道围岩失稳破坏，采用理论分析、工程类比及数值模拟的方法，对巷道支护方案进行了设计，支护参数具体为：顶板锚杆选用2 2mm21 0 0mm的螺纹钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm，顶板锚索 规 格 为1 7.8 mm 6 5 0 0 mm，间 排 距 为25 0 0mm30 0 0mm。巷道回采帮选用2 0mm15 0 0mm的玻璃钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm。煤柱侧巷帮选用1 6mm15 0 0mm的圆钢锚杆，间排距为10 0 0mm10 0 0mm。该设计方案在晋北煤业5-4 0 9工作面回风巷进行现场试验。试验现场对回风巷顶板下沉量、两帮移近量、顶板离层量及锚杆受力进行现场监测；监测数据显示：顶板下沉量最大值为1 8 2mm，两帮移近量最大值为1 4 6mm，离层量为7mm，顶锚杆最终受力为5 3k N，采帮侧锚杆最终受力为2 7k N，煤柱侧锚杆最终受力为2 4k N。试验监测结果表明，巷道围岩变形量不大，顶板无明显离层，锚杆工作状态良好。整体来看，支护方案合理，可以满足现场安全生产的要求。参考文献：1 王志强.大采高采场覆岩结构建模与支护设计的适用性分析及应用J.山西冶金，2 0 2 1，4 4（4）：1 5 8-1 6 0.2 封文茂.大采高综采面小煤柱留设及巷道支护设计方案研究J.太原：能源与节能，2 0 2 1（3）：5 9-6 0，1 1 7.3 朱利军.大采高工作面煤壁片帮控制技术研究J.长治：煤，2 0 2 2，3 1（2）：1-3，9.4 袁肖.厚煤层大采高工作面巷道支护设计研究J.山东煤炭科技，2 0 2 1，3 9（2）：2 9-3 1.5 侯大海.大采高工作面小煤柱留设及巷道支护技术研究J.长沙：采矿技术，2 0 2 1，2 1（1）：4 8-5 1.作者简介：武 杰（1 9 8 9），男，山西霍州人，2 0 1 3年毕业于安徽理工大学地质工程专业，工程师，研究方向：采矿工程。收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 9编辑：岑代全、吴银富8 5