井下快速掘进支护分析_张洋.pdf

井下快速掘进支护分析张洋（西山煤电东曲煤矿开拓一队，山西古交030200）摘要：近年来我国煤矿领域发展迅速，这与井下快速掘进技术的广泛应用存在直接关联，但巷道支护技术同时受到的新挑战不应被忽视。为满足井下快速掘进支护需要，近年来相关理论研究和实践探索大量涌现。基于此，以东曲煤矿为研究对象，深入探讨井下快速掘进支护技术的具体应用，供参考。关键词：煤矿回风巷道快速掘进支护中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0290-03引言为满足井下快速掘进支护需要，不仅需要关注快速掘进技术，同时还需要关注巷道围岩基本属性，进而解决传统支护技术存在的不足，更好地实现井下快速掘进支护。为尽可能提升煤矿井下快速掘进支护水平，针对东曲煤矿出现的问题，提出了新型支护方法并进一步展开分析。1东曲煤矿概况以东曲煤矿为例，该煤矿拥有 360 万 t/年的设计生产能力且已经开采较长时间，内部存在大量老窑。由于长期使用的采掘方式较为传统，现阶段无法满足高效率安全生产需要，必须升级开采技术，引入快速掘进技术进行开采。对于巷道支护来说，快速掘进技术会对其造成一定挑战，因此需要升级原有的支护方案，设法实现井下快速掘进支护。该煤矿存在较浅埋藏深度的开采煤层，受持续推进的开采影响，煤层开采深度持续提升，更为复杂的围岩属性同样对支护提出了更高要求。为保证该煤矿真正实现井下快速掘进支护，选择该煤矿的回风巷道作为研究对象，该巷道的煤层平均厚度、平均倾角分别为 13.65 m、9.39，具体厚度、倾角区间分别为 8.5016.25 m、4.3013.30，同时存在矩形的回风巷道，宽度、高度分别为 5.2 m、3.5 m。结合实际地质勘察可以确定，该煤层巷道存在较为复杂的围岩属性，褶曲、断层大量存在，围岩受此影响很容易出现破碎问题，这使得井下快速掘进支护难度进一步提升。2传统支护方法图 1 为案例煤矿采用的传统支护方法，具体为该煤矿长期采用的支护方法，具体选择左旋螺纹钢材料的锚杆用于巷道顶板处，长度、直径分别为 2.4 m、22mm，锚杆的排距和间距分别为 1 m、0.9 m，具体在 W型钢带处布置锚杆，同时使用树脂药卷和高强度托盘，型号分别为 K2335（Z2360）、150 mm150 mm10 mm。顶部设置有 2 m1 m规格的钢筋网，使用的钢筋规格、网孔尺寸分别为 6 mm（直径）、100 mm100 mm。巷道左帮联合支护使用塑料网和玻璃钢锚杆，锚杆的长度、直径分别为 2.2 m、20 mm，排距和间距分别为 1.0 m、1.2 m，同时使用树脂药卷和塑钢托盘。巷道右帮选择左旋无纵筋螺纹钢作为锚杆，长度、直径分别为 2.4 m、22 mm，排距和间距分别为 1.0 m、1.2 m，采用树脂药卷和高强度托盘，规格与顶板相同。该煤矿使用混凝土铺设巷道底板，厚度、规格分别为 20 mm、C251。围绕两帮及顶底板变形量进行分析，同时对锚杆锚固力在不同部位的变化情况进行对比，可以确定上述支护方法能够基本满足案例煤矿安全生产需要，但由于存在偏大的顶板离层量数值，该支护在安全方面存在一定不足，无法满足井下快速掘进支护。3新型支护方法为实现该煤矿的井下快速掘进支护，必须优化支护方法，考虑到煤矿回风巷道存在整体较为破损和松软的围岩，且夹矸层存在于内部，该煤矿引入“护表构件+锚索+锚杆”联合支护方法用于顶板支护，同时使用“护表构件+锚杆”联合支护方法用于两帮部位支护。相较于该煤矿长期使用的支护方法，新型支护方法在应用中的改动减少，只需要优化锚索和锚杆的排列方式及相关参数，具体如下页图 2 所示2。收稿日期：2022-05-30作者简介：张洋（1987），男，河南息县人，本科，毕业于中国矿业大学成教学院采煤专业，采煤助理工程师，研究方向为掘进和开拓。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.118图 1传统支护方法（单位：mm）锚索三二三布置左旋无纵筋锚杆玻璃钢锚杆钢筋网W型钢带尼龙网混凝土5 2001 2001 200800技术应用2023 年第 2 期结合图 2 进行分析可以发现，相较于传统支护方法，新型支护方法的改进主要体现在：第一，使用槽钢对同一排锚杆进行连接，以此得到形成整体的所有锚杆，更稳定支护可由此实现；第二，采用“二二”设计排列顶板锚索，改变传统支护方法采用的“三二三”设计，具体在 2 排锚杆中间设置，按照 2 m 控制锚索间距，同时在钢带两端设置邻排锚索，相较于竖直方向，锚索需要按照 30进行设置；第三，两帮处按照 4 根锚杆/排设置，同时使用与传统支护方法相同规格的锚杆，具体按照 1 m控制排距和间距。4应用效果分析为直观展示新型支护方法的应用效果，本文选择数值模拟方式进行研究，研究需要创建数值模型，为科学模拟围岩出现的变形情况，研究采用有限元软件FLAC3D，具体需要结合巷道围岩实际情况和支护方法，通过软件完成支护方案模型创建，进而通过模拟仿真分析确定锚杆锚索受力变化和巷道围岩变形情况，新型支护方法的应用效果可通过分析确定，图 3为应用软件创建的回风巷道围岩模型。具体采用 50 m45 m6 m 规格建立模型，该有限元模型能够实现对巷道围岩变形的直观反映。模型的网格划分可通过软件自动完成，进而可得到 68 001个单元，以及 75 492 个节点。为保证数值模拟取得准确结果，需要对围岩在模型中的属性进行正确设置，因此需要实验测试围岩物理属性，测试对象包括中细砂岩、中砂岩、煤层、细砂岩、砂质泥岩、覆岩，以此确定密度、黏聚力、抗拉强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角等参数。在模型中带入实验得到的准确参数，即可保证计算结果准确。通过具体模拟可以发现，在水平方向和垂直方向，巷道围岩位移变形得到较好描述，巷道两帮、顶底板之间的具体位移变形程度可由此确定。深入分析可以确定，巷道附近集中存在围岩位移变形，变形量随与巷道的距离变小而增大，具体存在于相同方向，反之则存在越小的变形量。巷道围岩因开挖施工影响出现力学平衡破坏，为实现受力平衡会导致变形出现。虽然较大变形趋势在围岩处出现，但通过新型支护技术，具体变形量控制较为优秀。对于围岩在稳定状态下的位移变形量进行分析可以确定，顶底板方向上围岩存在 45.71 mm的最大位移变形量，主要在顶板部位集中变形，底板部位存在可以忽略的变形量。最大位移变形在两帮方向的具体值为 29.41 mm，具体在右帮处集中，最大变形量处于其中部位置，左帮存在相对较小的变形量，图 4 为锚杆轴向力在案例煤矿巷道支护中的具体分布。结合图 4 进行分析可以确定，轴向拉应力在两帮部位和顶部部位的锚杆处均存在直接体现，具体存在最大 159.1 MPa 的轴向拉应力。分析时间变化下两帮部位和顶部部位锚杆轴向力变化可以发现，所有锚杆在一开始存在快速增加的轴向拉应力，这种情况的出现是由于围岩在初始阶段存在较差的稳定性，显著地形变在该阶段产生，越大变形量对应存在越大锚杆拉应力。受综合作用的巷道支护影响，可得到逐渐下降的围岩变形量，巷道围岩变形最终趋于稳定。在变形稳定的过程中，锚杆对应存在增长速度显著下降的轴向拉应力，其具体数值也会变得较为稳定。基于上述仿真分析可以确定，通过优化改进巷道支护方法，案例煤矿巷道锚杆轴向拉应力及围岩位移变形量均出现显著下降，同时锚杆轴向力存在较大降低幅度，两帮部位围岩也存在相对较大位移变形量降幅，这说明该煤矿采用的新型支护方法存在较高实用性，可满足井下快速掘进支护需要。图 2新型支护方法图 3回风巷道围岩模型图 4锚杆轴向力分别1.0 m0.9 m2.0 m5.2 m锚杆锚索1.0 m1.0 m3.5 m砂质泥岩巷道覆岩中砂岩细砂岩煤层中细砂岩锚杆承受轴向拉应力锚杆承受轴向压应力2-1顶板2-2两帮张洋：井下快速掘进支护分析291机械管理开发第 38 卷参考文献1邓文平.煤矿井下岩溶黄泥带快速掘进技术应用实践J.煤矿现代化，2021，30（6）：26-28；31.2易瑞强.黄陵二号煤矿快速掘进系统的应用J.陕西煤炭，2020，39（5）：120-123.（编辑：王慧芳）Analysis of Rapid Underground Tunnelling SupportZhang Yang（Xishan Coal&Electric Dongqu Coal Mine,Gujiao Shanxi 030200）Abstract:The rapid development of Chinas coal mining sector in recent years is directly related to the widespread use of undergroundrapid excavation technology,but the new challenges to roadway support technology should not be overlooked.In order to meet the needs ofrapid underground excavation support,relevant theoretical research and practical exploration have proliferated in recent years.Based onthis,the Dongqu coal mine is used as a research object to discuss in depth the specific application of underground rapid tunneling supporttechnology for reference.Key words:coal mine;return air tunnel;rapid tunneling supportApplication of Long-Distance Directional Drilling Technology in Coal Mine Exploration andRelease WaterCui Zhen（Shihe Coal Mine,Jinneng Holding Group,Jincheng Shanxi 048205）Abstract:In view of the shortcomings of traditional water exploration and release construction,such as many water exploration holes,largeblindness,long construction period,high labor intensity of workers and low efficiency of water exploration and release,the author took thewater exploration and release project of 9104 transport chute of a mine of Jineng Holding Group as an example,analyzed the traditionalwater exploration and release construction process and problems,proposed the application of directional drilling technology in coal minewater exploration and release,introduced the principle,equipment and construction process of di