深部区域掘进巷道围岩变形特征分析及支护技术研究_栗斌.pdf

深部区域掘进巷道围岩变形特征分析及支护技术研究栗斌（汾西矿业宜兴煤业，山西孝义032300）摘要：深部区域开采时受原支护参数不合理、地应力高等因素影响，围岩变形量较大。基于此，以 21503 运输巷为研究对象，结合现场地质条件并参考工程类比法，对巷道支护方案进行设计并进行工程应用。应用表明，巷道顶板、底板及两帮变形量分别控制在 40 mm、220 mm、262 mm 以内，取得较好围岩控制效果。关键词：深部开采地应力围岩变形巷道支护中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0262-02引言随采深增加，巷道掘进受地应力、地质构造、水以及瓦斯等因素制约更为突出1-3。高地应力是深部区域巷道围岩控制面临的主要难题之一，在高地应力作用下围岩控制难度增大，如何有效控制高地应力影响区巷道围岩变形是深部区域巷道掘进期间需要重点解决的问题4-5。众多研究学者及工程技术人员对深部区域巷道围岩变形特征及围岩支护技术展开研究，其中张振全以 1662（1）运输巷掘进为例，认为深部区域开采时首先应采用锚网索联合支护方式控制围岩变形，后通过锚注技术提高围岩稳定性及承载能力，解决巷道围岩变形量大、控制困难等问题；任修乾等对深度高应力影响巷道围岩变形及控制技术进行分析，提出综合使用锚注、高预应力锚杆等方式对围岩进行耦合支护，实现围岩变形有效控制；彭青阳提出用高预应力锚网喷技术对高地应力影响区巷道表层位移进行控制，并通过 U 型钢强化围岩支护强度，现场取得较好围岩控制效果。众多研究成果认为锚网索支护是实现围岩变形控制的主要技术手段，注浆、U 型钢及钢梁等是实现围岩变形控制的辅助技术措施6-7。本文就以山西某矿 21503 运输巷围岩控制为背景，分析巷道围岩变形特征并提出围岩支护技术。121503 综采工作面概况21503 综采工作面开采 15 号煤层，煤层埋深均值 680 m，采面北部为已回采完毕的 21501 采空区，南侧及东侧均为实体煤，西侧为采区集中巷道。21503综采工作面开采范围内 15 号煤层厚度均值 4.95 m，煤层倾角 1218，煤层硬度 0.71.5，裂隙较为发育。15 号煤层上覆有厚度平均 0.57 m伪顶（岩性以及粉砂岩、煤线互层），直接顶为厚度 5.47 m 的泥质胶结粉砂岩（波状层理，泥岩及粉砂岩互层），基本顶为厚度 9.78 m 的粗灰岩（巨厚层、灰白色、较为坚硬），伪底为 0.67 m 泥岩(深灰色、半坚硬），直接底为9.77 m的粗砂岩（中厚层状、灰白色）。21503 运输巷沿着煤层底板掘进，巷道为异形断面，巷道净面积为 13.9 m2，其中净宽为 3 800 mm、中高为 3 623 mm。巷道围岩采用锚网索喷支护方式，其中采用的锚索规格为 21.8 mm6 300 mm 钢绞线，布置间排距 1 800 mm、2 000 mm，施加 150 kN 预紧力；锚杆规格为 20 mm2 400 mm 螺纹钢，间排距 900 mm、900 mm，施加预紧力扭矩 200 N m 以上；支护采用镀锌铁丝编制的金属网护表。支护断面如图 1 所示。2围岩变形特征分析21503 运输巷掘进及支护完成后，围岩受到支护参数不合理以及高地应力等因素影响，出现变形量大问题。在巷道支护断面距离掘进迎头 50 m时，巷道底板及巷帮最大变形量分别可达到 600 mm、750 mm，虽然后续采用补强支护措施，但是围岩变形仍较大。具体现场巷道变形情况如下页图 2 所示。现场调查发现，巷道围岩变形具有下述特征：1）巷道顶板变形破坏严重。受高地应力、部分区域岩体强度低等因素影响，巷道顶板下沉量整体较大，在高地应力及大变形等因素影响下，巷道原有支护体系部分出现失效，巷帮帮肩位置出现明显的变形破坏。2）巷帮出现明显开裂、挤压严重。巷帮出现较大变形破坏的主要原因是巷道围岩承受较大的水平应收稿日期：2022-03-21作者简介：栗斌（1990），男，山西长治人，毕业于太原理工大学采矿工程专业，本科，现为助理工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.105图 1巷道原支护断面（单位：mm）锚索螺纹钢锚杆4 000900750850技术应用2023 年第 2 期力作用。现场实践表明，当巷帮在挤压作用力下变形量超过 50 mm 时，巷帮会出现开裂破坏，并伴随有纵向裂纹；随着纵向裂纹不断扩展，围岩与喷浆层间孔洞增加，锚杆托盘与围岩间失去接触，降低围岩支护效果并进一步增加巷帮变形量；巷帮变形会进一步增加顶板、底板变形。3）底鼓严重。由于 21503 运输巷底板为承载能力较差的泥岩，在某些位置巷道底鼓严重，甚至某些区段底鼓量超过 800 mm，底鼓严重段巷道底板泥岩开裂明显，同时底鼓量呈不断增加趋势。3围岩支护技术通过综合分析认为，导致 21503 运输巷出现较大变形的主要原因是巷道围岩受到较大地应力作用，原有的巷道围岩支护强度较低以及围岩本身承载能力偏低等。提高巷道围岩支护强度，可在一定程度上降低围岩变形量。为此，文中提出通过高强支护方案控制巷道围岩变形，即通过增加锚杆（索）锚固刚度便于支护体系获得更大的拉拔力，施加较大的预紧力提高围岩自身承载能力，在变形严重段适当进行补强支护，从而实现 21503 运输巷围岩变形控制。具体现场围岩支护设计如图 3 所示。21503 运输巷设计掘进宽度、高度分别为 4 400mm、3 623 mm，巷道沿着 15 号煤层顶板掘进。在顶板上采用 2 根锚索、5 根锚杆，巷道上帮、下帮锚杆数均为 4 根，锚索数分别为 3 根、2 根。支护采用 22mm2 500 mm螺纹钢锚杆，最大屈服强度在 400 MPa以上，顶板及巷帮锚杆间排距分别为 900 mm、1 000mm，900 mm、800 mm；支护时配套用拱高 34 mm 托盘（规格 150 mm150 mm10 mm）。顶板支护时配合使用 W 钢带（长 4 380 mm、厚 4 mm、宽 280 mm），每根锚杆配合 2 支锚固剂（型号 MSZ2370、MSK2350），采用扭矩倍增器拧紧螺母，确保可提供 400 N m以上的预紧扭矩。锚索为 21.98 mm6 300 mm钢绞线，顶板及巷帮间排距分别为 1 800 mm、2 000 mm，1 800 mm、1 600 mm，配套用高度 60 mm 托盘（规格 300 mm300 mm16 mm），施加预紧力超过 200 kN。护表采用钢筋网（6.5 mm钢筋编制）。3围岩支护效果分析采用新支护方案支护完成后，布置测点对 21503运输巷围岩变形进行为期 60 d 监测，具体获取到顶底板及巷帮位移量监测曲线如图 4 所示。监测期间获取到巷道顶板、底板、巷帮变形量分别为 40 mm、220mm、262 mm，围岩变形控制效果显著。4结语21503 运输巷在高地应力作用下围岩出现较大变形，文中依据现场情况对巷道围岩变形特征进行分析，发现巷道变形以顶板下沉、底鼓为主，并伴随有巷帮收敛，围岩变形量整体较大，给巷道后续使用带来较大威胁。地应力大及围岩原有支护参数不合理是导致巷道变形量较大的主要原因。提出以强化围岩支护强度及刚度为核心的围岩支护技术对 21503 运输巷围岩变形进行控制，并通过工程类比法确定围岩支护参数。现场应用后，巷道围岩变形量较大问题得以有效解决，为 21503 运输巷后续使用创造了良好条件。参考文献1梁日军.深部开采软岩巷道过断层围岩控制技术研究J.山东煤炭科技，2022，40（2）：16-18.2王贤来，崔继强，张鹏强，等.深部动载荷作用下释能支护数值分析J.有色矿冶，2022，38（1）：15-19.3谭香，伍伟敏，卢耀晖.深部高应力巷道卸压控制及支护技术研究J.矿业研究与开发，2022，42（1）：106-112.4史新帅.基于多源信息的深部掘进煤巷冲击冒顶机理试验研究D.徐州：中国矿业大学，2021.5周谢康.星村煤矿深井巷道支护失效机理及加固技术研究D.徐州：中国矿业大学，2020.6李博.深部煤层掘进巷道冲击地压孕育机制与防治研究D.徐州：山东科技大学，2019.2-1底板2-2巷帮图 2现场巷道变形情况图 3围岩新支护断面（单位：mm）锚索螺纹钢锚杆4 4001 0003 623图 4围岩变形监测曲线2502001501005010203040506070监测时间/d位移量/mm顶板底板左帮右帮0（下转第 268 页）栗斌：深部区域掘进巷道围岩变形特征分析及支护技术研究263机械管理开发第 38 卷道顶板下沉速度较大，而在 2160 d 内，巷道顶板下沉曲线增大趋势减缓，而监测时间超过 60 d 时，此时的巷道顶板下沉量得到稳定。观察巷道两帮移近量曲线可以看出，断面 1 和断面 2 最大的两帮移近量分别为 50 mm 和 85 mm，较原支护最大移近量 90 mm 也有了一定的下降，所以经过对顶板支护的优化不仅可以改变顶板的受力情况，也可以降低两帮移近量。4结论1）对无支护条件下巷道围岩应力位移情况进行分析，发现在无支护情况下巷道顶板及两帮变形较大。2）根据地质情况给出三种支护方案，通过对三种支护方案进行对比分析，发现方案二下巷道顶板下沉量最小。3）对方案二进行应用分析，发现经过对顶板支护的优化，不仅可以改变顶板的受力情况，还可以降低两帮移近量。参考文献1闫大利.煤矿掘进巷道顶板事故预防及断面优化研究J.矿业装备，2022（2）：56-57.2卓军，范凯，刘少伟，等.弱黏结复合顶板巷道快速掘进支护关键技术与装备J.煤炭技术，2022，41（3）：80-82.3房博.浅谈煤矿掘进巷道的顶板支护技术 J.中国设备工程，2022（3）：218-219.4任德勇.矿山工程矿井下巷道掘进顶板支护技术质量研究J.中国石油和化工标准与质量，2021，41（20）：184-185.（编辑：王慧芳）Study on Roof Support of Mine Heading FaceZuo Zeyun（Jinneng Holding Coal Group Hongtai Mining Engineering Construction Datong Co.,Ltd.,Datong Shanxi037000）Abstract:In order to solve the problem of large roof subsidence during tunneling,this paper takes madoitou coal mine as the researchbackground to study the roof support,analyzes the stress and displacement of roadway surrounding rock under the condition of no supportby using the numerical simulation software,gives three support schemes according to the simulation results,compares the three supportschemes,and finds that the roof subsidence of roadway under scheme two is the smallest,so the application analysis of scheme two iscarried out.It is found that the optimization of roof support can not only change the stress of roof,but also reduce the displacem