马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究_赵杰.pdf

112023 年第 5 期赵 杰等：马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究赵 杰等：马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究赵 杰 崔文瑞 高 帅（内蒙古鄂尔多斯永煤矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017220）摘 要 为解决西部矿区大断面回采巷道围岩控制困难问题，以马泰壕煤矿 3108 工作面胶带顺槽为工程背景，基于现场实测结果分析了该巷道原支护设计存在的问题，在此基础上优化了支护方案，巷道断面收敛减小，保证了巷道围岩的稳定性。关键词 大断面；煤巷；支护中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.004Research on Optimization of Support for Large Cross Section Mining Roadway in Mataihao Coal MineZhao Jie Cui Wenrui Gao Shuai(Inner Mongolia Ordos Yongmei Mining Industry Co.,Ltd.,Inner Mongolia Ordos 017220)Abstract:In order to solve the problem of difficult control of surrounding rock in the large cross section mining roadway in the western mining area,taking the 3108 working face tape groove of Mataihao Coal Mine as the engineering background,the problems in the original support design of the roadway are analyzed based on on-site measurement results.On this basis,the support scheme is optimized,and the convergence of the roadway cross section is reduced,ensuring the stability of the roadway surrounding rock.Key words:large cross section;coal roadway;support收稿日期 2022-10-17作者简介 赵杰（1987），男，河南商丘人，2009 年毕业于中国矿业大学矿山建设工程专业，本科，工程师，现在马泰壕煤矿从事采掘技术管理工作。赵 杰等：马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究赵 杰等：马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究马泰壕煤矿采用大断面回采巷道，3108 工作面胶带顺槽段面积达到 25.2 m2。大断面回采巷道围岩的自由面积大，受力环境差，加之处在较为软弱的煤层之中，巷道围岩变形失稳风险增加。3108 工作面胶带顺槽原支护方案在使用过程中出现了锚杆索受力不均衡、锚索破断多、围岩收敛程度较高等问题，有必要对原有支护方案进行优化。基于3108工作面胶带顺槽原支护方案存在的问题，从提高锚杆杆体强度、优化锚索受力环境、加大预应力等措施进行优化1-5，并进行现场实测，以评价优化后的支护效果。研究成果可为类似地质条件下的支护方案设计和设备选型提供一定的实践经验。1 工程概况3108 工作面回风顺槽位于 3-1 煤层，煤层均厚6.2 m，煤层硬度大，单轴抗压强度在 2030 MPa之间，内部赋存高角度垂直裂隙，在高垂直应力作用下容易发生劈裂。3-1 煤层为近水平煤层（平均倾角 2），埋深 400 m。设计 3108 工作面胶带顺槽为矩形断面，顶煤和底煤分别留设 500 mm 和 1500 mm，巷道宽度6000 mm，高度 4200 mm。由于 3108 工作面属于厚煤层开采，工作面采空区覆岩垮落高度大，支承压力集中程度大大增加，巷道围岩发生失稳破坏的风险显著增大。为保证巷道围岩稳定，在 3110 工作面回风顺槽和 3108 工作面胶带顺槽之间留设 35 m宽的实体煤柱，如图 1。图 1 3110 工作面回风顺槽布置方式示意图（m）122023 年第 5 期2 原支护方案及使用效果2.1 原支护方案顶 板 为 22 mm2200 mm Q335 矿 用 普强 锚 杆，锚 杆 间 排 距 1000 mm1000 mm；煤 柱 帮 采 用 22 mm2200 mmQ335 普 强 锚杆，间 排 距 1100 mm1000 mm，每 根 锚 杆 配MSCK2335+MSCK2335 树脂锚固剂锚固；回采帮采用 22 mm2200 mm 玻璃钢锚杆。顶 板 及 煤 柱 帮 采 用 焊 接 网+150 mm150 mm12 mm 锚杆托盘进行表面支护，回采帮采用170 mm170 mm15.5 mm 玻璃钢托盘+塑编网进行护表。顶板采用 21.6 mm8000 mm 矿用普通锚索，托盘规格 300 mm300 mm16 mm，锚索排距 2000 mm，每排布置 1 根。在实际生产中，3108 工作面胶带顺槽围岩变形量大，给生产安全带来了极大的挑战。通过巷道内的矿压监测，发现顶板锚杆受力偏低，顶板锚索受力偏大，锚杆托盘出现翻盘现象，且无球垫、锚杆安装角度难以控制及锈蚀严重等问题。2.2 优化支护方案基于以上存在的问题，对 3108 工作面胶带顺槽的支护方案进行优化，决定采用高强高预紧力蛇形锚杆和玻璃钢锚杆+顶板锚索的支护体系。顶板和煤柱帮的锚杆选用高强蛇形锚杆，尺寸为 18 mm2200 mm，材料为 Q500 矿用高强螺纹钢；回采帮采用玻璃纤维增强塑料杆体，尺寸与原支护方案相同。考 虑 到 原 支 护 体 系 中 锚 索 受 力 偏 大 的 问题，优化后的锚索采用矿用笼型锚索，尺寸为17.8 mm8000 mm，最大破断力 36 t，托盘300 mm300 mm12 mm 高 强 弧 形 托 盘（材 质Q345B）。对锚杆施加预紧力以实现对围岩的主动支护，提高锚杆预紧力能够改善围岩加固体的力学性能，有益于围岩塑性区的控制。目前，在仅采用锚杆钻机进行锚杆预紧力的施加条件下很难达到设计安装扭矩 220 Nm。因此，要实现 220 Nm 的安装扭矩，需借助锚杆扭矩放大器。优化后的支护断面如图2。图 2 优化后的支护断面（mm）3 优化效果评价3.1 观测点布置在 3108 工作面回采前，试验段巷道共计布置 3组测站：1#测站位于 3108 胶带顺槽距新支护方案起点（1661 m）150 m 处（1#布置时出现安装问题，不作为矿压观测依据），2#、3#测站分别在距新方案起点 250 m 和 350 m 处。回采期间由于受超前支护及设备列车安装等因素影响，原矿压观测设备拆除，回采期间重新布置测点进行回采过程中受力监测。3.2 掘进期间锚杆索受力图 3 是 2#测点监测结果。2019 年 1 月 13 日至23 日，围岩变形与支护系统阻力平衡，锚杆、锚索受力处于缓慢增长状态，该阶段围岩变形与支护系统之间协调平衡。2019 年 1 月 23 日至 2 月 26 日，锚杆、锚索受力急剧增长，这主要由于受春节前后掘进工作面停止掘进与重新开始掘进影响，巷道掘进后其原岩应力状态被打破，围岩在新的应力状态下迅速调整平衡。2019 年 3 月 16 日至 4 月 4 日，顶板锚索受力明显增高，这主要由于锚索预紧力较低，受邻近掘进工作面影响，锚索受力出现剧烈变化段，直至 4 月 4 日锚索受力才趋于稳定。2019 年4 月 4 日至 4 月 22 日，锚杆受力已经稳定，锚索有缓慢增加，但增长率低于前一阶段。顶板锚杆受力最大值为 48 kN（破断屈服的40%），煤柱帮锚杆受力最大值为 70 kN（屈服强度的 57%），均未超出锚杆的屈服强度，掘进期间锚杆受力偏小。锚索受力最大值为 73 kN（锚索破断强度的 20%），锚索受力偏小。132023 年第 5 期赵 杰等：马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究赵 杰等：马泰壕煤矿大断面回采巷道支护优化研究图 3 3108 胶带顺槽 2#测点锚杆（索）受力变化曲线3.3 回采期间锚杆索受力回采期间重新布置测点，布置位置位于巷道1670 m。安装时锚杆安装预紧力为 4 t，锚索预紧力为 17.5 t。距离工作面约 230 m。随着时间的延长以及工作面向前推进，在工作面超前采动应力影响下，锚杆受力呈现上升趋势，尤其是煤柱帮锚杆，在进入距工作面 50 m 范围后，其受力变化明显，如图 4。但在工作面推进过程中，锚索受力基本无明显变化。顶锚杆最大受力为 10 t（锚杆屈服强度的 64%），煤柱帮锚杆最大受力为12.5 t（超出锚杆屈服强度，为破断强度的 78%），锚索最大受力为 18 t（锚索破断强度的 50%）。图 4 回采期间锚杆（索）受力变化曲线通过以上受力分析可以看出，掘进期间锚杆受力普遍偏小，接近其预紧力，回采期间距离工作面迎头 50 m 位置后迅速增长，锚杆受力最大值为破断强度的 78%，锚杆支护效率较高，但未超出破断强度。3.4 优化后围岩变形破坏规律采用十字布点法对优化后的围岩表面收敛进行了观测。在 1#测点观测了煤柱帮、回采帮移近量和顶板下沉量。从图 5 可以看出，顶板最大下沉值为 26 mm，煤柱帮侧移近量为 52 mm，回采帮为 57 mm。巷道整体移近量未超出临界值，移近量相对较小。由于 2#测点两帮测点观测过程中发生破坏，仅进行顶板下沉监测。通过图 6 可以看出，顶板最大下沉值为 46 mm。顶板下沉未超出临界值，移近量相对较小。图 5 3108 胶带顺槽 1#测点表面位移变化曲线图 6 3108 胶带顺槽 2#测点表面位移变化曲线从以上 2 个测点的表面收敛数据可以看出，经过优化后的 3108 工作面胶带顺槽变形量小，巷道维护状况好，能够满足生产需求。4 结语3108 工作面胶带顺槽原支护方案存在顶板锚杆受力偏低，顶板锚索受力偏大，锚杆托盘出现翻盘现象，且无球垫、锚杆安装角度难以控制及锈蚀严重等问题。对 3108 工作面胶带顺槽的支护方案进行了优化，采用高强高预紧力蛇形锚杆和玻璃钢锚杆+顶板锚索的支护体系。现场实测结果表明，优化后的支护方案可有效控制大断面回采巷道围岩稳定。【参考文献】1 巩赟.新元矿大断面回采巷道支护优化实践 J.山东煤炭科技，2022，40（04）：78-80+83.2 马新世.深部大断面煤巷围岩变形特征及控制技术研究 D.太原：太原理工大学，2021.3 何沐.小保当煤矿大断面巷道支护技术研究 J.建井技术，2020，41（05）：46-51.4 潘欣.新元矿松软煤层回采巷道支护方案与应用J.江西煤炭科技，2021（03）：9-12.5 马骁.干河煤矿 2-105 工作面回采巷道围岩支护优化 J.煤炭与化工，2021，44（03）：24-27.