沿空掘巷技术在永红煤矿的应用实践_常海军.pdf

322023 年第 2 期收稿日期 2022-07-16作者简介 常海军（1972），男，山西晋城人，2015 年毕业于重庆大学采矿工程专业，本科，工程师，现从事煤矿安全管理工作，研究方向：煤矿生产技术和安全管理。沿空掘巷技术在永红煤矿的应用实践常海军（沁和能源集团有限公司永红煤矿，山西 晋城 048000）摘 要 以永红煤矿 3306 运输顺槽为对象进行沿空掘巷技术研究，通过煤柱优化、合理支护及岩石力学数值模拟等方法确定了 3306 运输顺槽煤柱尺寸及支护设计方案。应用效果表明：巷道断面及支护强度满足回采要求，单进水平提高近 30%，有效降低作业人员劳动强度。关键词 运输顺槽；沿空掘巷；煤柱宽度；支护中图分类号 TD822+.3；TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.012Application and Practice of Gob-side Entry Driving Technology in Yonghong Coal MineChang Haijun(Qinhe Energy Group Co.,Ltd.,Yonghong Coal Mine,Shanxi Jincheng 048000)Abstract:Taking the 3306 transport chute of Yonghong Coal Mine as the object,the technology of gob-side entry driving is studied.The coal pillar size and support design scheme of the 3306 transportation channel are determined by means of coal pillar optimization,reasonable support and numerical simulation of rock mechanics.The application results show that the roadway section and support strength meet the mining requirements,the single entry level is increased by nearly 30%,and the labor intensity of operators is effectively reduced.Key words:transport chute;gob-side entry driving;coal pillar width;support常海军：沿空掘巷技术在永红煤矿的应用实践常海军：沿空掘巷技术在永红煤矿的应用实践1 工程概况沁和能源集团永红煤矿 3306 运输顺槽设计沿3#煤层底板掘进，煤层平均厚度 4.93 m，夹矸 13层，平均倾角 7。3306 运输顺槽设计在 3308 工作面运输顺槽侧，当前 3308 工作面正在回采。根据 3306 运输顺槽相邻 3308 综采工作面回采进度与位置，3306 运输顺槽掘进时将遇到三种情况：相遇之前为小煤柱护巷区，相遇段有一定范围双向动压区，掘进超过相遇段后沿空掘巷区。通过煤柱优化、合理支护及岩石力学数值模拟等方法1-3来确定煤柱尺寸及支护设计方案。2 沿空掘巷区段煤柱尺寸分析当前沿空掘巷工程分不留煤柱和留设少量区段煤柱两类。3306 工作面煤层瓦斯含量高，易自燃，不宜采用不留煤柱方案。2.1 巷道侧煤柱边缘塑性区计算莫尔-库仑屈服原理和 A.H.戴尔逊简化荷载计算公式无法研究主动应力作用，采用平面应变状态下 SMP 破坏标准，建立空间滑动面，研究 3 个主应力破坏标准。采用 SMP 标准下煤柱体极限强度计算公式计算可得巷道侧煤柱边缘塑性区宽度xp=2.61 m。2.2 采空区侧煤柱边缘塑性区计算邻近工作面回采后塌落煤体和岩块将采空区充填，碎胀煤岩块与未放煤层段是相互联系的，顶板垮落煤岩块对煤柱有侧向压力，在多种参数耦合作用下，可采用 J.杰基提出的经验公式计算采空区侧煤柱体边缘塑性区宽度 xs=2.58 m。2.3 双侧塑性因素煤柱宽度计算区段煤柱完整性受塑性区宽度影响较大，塑性区宽度越大，煤柱体越易破坏，采用判定煤柱体合理范围宽度 E 计算公式可计算得区段煤柱合理宽度E 为 4.768.58 m。2.4 破碎体临界宽度几何解法顶板有效支护情况下破坏范围确定：根据自稳隐形拱理论，顶板有效支护情况下，计算得煤柱最332023 年第 2 期常海军：沿空掘巷技术在永红煤矿的应用实践常海军：沿空掘巷技术在永红煤矿的应用实践小尺寸为 4.05.4 m。采空侧顶板完全垮落情况下破坏范围确定：采空侧完全垮落时，计算得煤柱宽度为 9.1 m。根据极限破裂理论分析计算得出煤柱净宽度为4.09.1 m。2.5 煤柱宽度确定（1）力学上最佳煤柱宽度为 4.768.58 m；（2）煤柱体破裂区不沟通最小距离为 4.09.1 m；（3）模拟显示煤柱宽 6.610 m 时，煤柱体不存在高应力集中区，巷道顶板受力最小；（4）煤柱宽度为1025 m 时，巷道表面围岩变形破坏增大。结合上述分析，并参考类似煤矿实践和永红煤矿瓦斯地质情况，确定煤柱宽度为 9.0 m。3 支护设计方案3.1 自稳隐形拱参数3306 运输顺槽围岩参数计算见表 1。表 1 自稳隐形拱围岩参数表 mmHT-ZW17.1.1自稳隐形拱参数计算3306 运输顺槽煤帮岩顶顶板高度巷道宽度墙高拱高总高度矩形48004800360003600自稳隐形拱参数拱脚宽x=0 趋近 0动压14.1自稳隐形拱4800380741573970/极限自稳隐形拱7346402654755148/二次隐形拱4200333136373474300角锚杆垂进 5002100/2 342.94三次隐形拱40883321/减跨隐形拱3673291331813038/3.2 锚杆、锚索长度根据自稳隐形拱理论，锚杆长度应该伸入自稳隐形拱一个锚固长度，锚索应该伸入极限自稳隐形拱最大高度之内一个锚固段。（1）锚索长度计算公式为：lms=l1+l2m+l3，l2m=hlid （1）式中：lms为锚索长度，mm；l1为锚索外露长度，取 300 mm；l2m为锚索自由段长度，mm；l3为锚索锚入岩层深度，取 1760 mm；hlid为极限自稳隐形拱高度最大值，mm。（2）帮部锚杆长度计算根据自稳隐形拱理论可知，帮部锚杆自由段长度应等于等效高度的一半，其自由段长度按下式计算：l2=（h+R/2）/2 （2）式中：h 为巷道直墙段高度，mm；R 为拱形巷道宽度，mm。锚杆外露段 l1=100 mm；锚固段 l3=500 mm。（3）顶锚杆长度计算顶板锚杆加固范围按照自稳隐形拱最大高度计算，同时考虑顶锚杆对自稳隐形拱高度的缩小作用。采用锚索支护巷道按减跨计算。顶板锚固深度最小要超过自稳隐形拱高度，当锚杆长度不能超过自稳隐形拱最大高度时，需要考虑二次自稳隐形拱和减跨后的自稳隐形拱。据此每排设置 2 根以上锚索，顶锚杆长度可按照减跨和二次自稳隐形拱选取，同时考虑现场情况来设计锚索长度，以适应不同的情况。3.3 锚杆、锚索强度的确定采用 HT-OH17 软件对 3306 运输顺槽锚杆、锚索强度进行初步设计。锚 杆 力 学 计 算：锚 杆 间 排 距 840 mm800 mm，自 稳 拱 高 4157 mm 时，采 用 HRB335、HRB400、HRB500、HRB600、MSGLE670 钢 质 强度进行计算，确定顶板选用 HRB500 型锚杆，锚杆22 mm，锚杆屈服 650 MPa，安全系数 1.2；确定帮部选用 HRB500 型锚杆，锚杆 20 mm，锚杆屈服 640 MPa，安全系数 1.43。锚索力学计算：锚索间排距 1120 mm800 mm，极限拱高 5475 mm 时，经计算采用普通（17钢绞线）21.6 mm，初锚力预紧力大于 100 kN。3.4 支护施工参数3306 运输顺槽为矩形断面，巷道宽度 4800 mm，巷道高度 3600 mm。根据上述计算结果，优选锚网支护参数如下：顶板锚杆为左旋无纵肋 HRB500，规格为左旋22 mm-L2600 mm，顶主托盘为蝶形 D150150-8型，副 托 盘 为 W300-280 型，间 排 距 为 840 mm800 mm，锚 固 剂 为 MSZ2360-3 节/孔。顶板锚索采用 21.6 mm-L8400 mm，锚索托梁为HT140-L3700/4，布置方案 4-3-4，铹索间排距 1120 mm800 mm，锚固剂为 MSZ2360-3 节/孔。顶网采用菱形 8#铁丝，宽度 900 mm，长度 5000 mm。帮部锚杆支护采用 HRB600 型，规格为右旋（下转第 36 页）362023 年第 2 期20 mm-L2500 mm，主托盘为蝶形D150150-8型，副托盘为 W300-280 型，间排距为 770 mm800 mm，距 离 顶 帮 交 接 间 距 250 mm，锚 固 剂 为MSZ2360-3 节/孔。采用 22 mm-L4300 mm 注浆锚索进行加固，间排距 770 mm800 mm，距底板506 mm。帮网采用菱形 8#铁丝，宽度 900 mm，长度 3800 mm。4 结论（1）巷道收敛分析。3306 运输顺槽小煤柱沿空掘巷试验段施工，每 10 m 设置十字布控点一组，定期对巷道收敛进行分析总结。通过现场数据收集及分析，顶板下沉量平均为 80 mm，最大为 130 mm，巷道左右两帮收敛量平均为 180 mm，最大为240 mm。通过与以往支护形式（锚网+U 型棚双重支护）对比，巷道变形量有所减少，能够保证巷道（上接第 33 页）工业性试验，布设监测站对顶底移近量及两帮位移量进行监测。对 2022 年 1 月3 月的监测数据分析可知，N1305 沿空留巷顺槽 14001480 m 段巷道支护前期巷道围岩变形相对较快，30 d 后巷道围岩变形表现为较慢趋势，巷道围岩逐渐趋于稳定状态。N1305沿空留巷顺槽顶、底板最大移近量为 59.7 mm，两帮最大位移量79.6 mm，巷道围岩整体变形量较小，修复后的支护方案可有效保障巷道围岩的稳定性。图 2 N1305 沿空留巷顺槽成像结果示意图（m）5 结语 采用 ZKXG30 型钻孔成像仪对 N1305 沿空留巷顺槽进行松动圈测定，提出了“锚网索+帮部注浆锚索+注浆加固”的巷道优化修复支护方案。工业性试验表明优化修复支护方案可有效保障巷道围岩的稳定性。【参考文献】1 李晓飞，宋卫东，修国林，等.支护区冒顶巷道控顶修复技术研究与应用 J.矿业研究与开发，2021，41（11）：107-111.2 李金龙，刘畅.深井软岩巷道支护结构失效及围岩修复技术研究与应用 J.内蒙古煤炭经济，2020（23）：59-60.3 韩老虎，崔玉攀，徐耀，等.大松动圈软岩巷道修复复合支护技术研究与实践 J.煤炭技术，2020，39（04）：85-87.4 秦利斌，杨景华.锚注网喷支护技术在胶带硐室修复中的应用 J.现代矿业，2019，35（08）：230-231+234.5 魏晏军.软岩巷道修复支护技术研究与应用 J.江西煤炭科技，2016（04）：69-71.6 徐耀，郭昌贵，金志远.糯东煤矿副平硐严重变形区围岩钻孔窥视分析 J.中国煤炭工业，2020（08）：60-61.断面及支护强度满足回采要求。（2）单进水平分析。3306 运输顺槽采用新型锚网支护方式后，有效减少作业工序及材料准备时间，有效减少工人作业强度，单进水平能够保持在 160 m/月，较以往锚网+U 型棚双重支护提高近30%。（3）经济效益分析。通过留设 9.0 m 小煤柱沿空掘巷技术，使得 3306 工作面长度增加 21 m，在保证回采安全前提下，工作面可采煤量增加近 20万 t。