巷道围岩控制技术研究_韩海威.pdf

巷道围岩控制技术研究韩海威（晋能控股煤业集团宏泰矿山工程建设大同有限公司，山西大同037000）摘要：为了解决巷道围岩变形严重的问题，利用数值模拟软件对不同锚杆密度下巷道应力分布进行研究，发现随着锚杆距离的减小，锚杆间的应力场逐步连接，形成整体支护结构。同时随着锚杆长度的增大，锚杆支护应力场分布的高度增加，根据数值模拟结果给出了锚杆锚索的支护参数，为巷道的稳定性作出贡献。关键词：数值模拟锚杆长度锚杆间距中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0273-02引言我国煤矿资源储量丰富，随着多年的开采，覆存较为简单的煤层已经逐步得到开采，煤矿的开采目标逐步向着深部转移，在开采过程中，由于煤层埋深较深，巷道变形严重的问题凸显了出来，为了保障巷道安全开采，高效的巷道支护技术是重要的条件。所以，在进行巷道支护设计时应当满足安全生产、提高经济效益、提高产量等要求。随着科技的发展，综合机械化程度的不断成熟，综掘技术滞后严重的问题暴露了出来，使得采掘接替的工作压力增大，所以提高巷道成巷率，降低采掘接替压力成为了目前矿井支护设计的重要目的1-2。此前李宏彬为解决巷道断面变形大的问题，利用理论研究结合数值模拟的研究方法分析了失稳的原因，提出了采用主动、被动组合的支护方案进行支护，有效地提升了巷道的稳定性。赵飞为解决工作面进风顺槽变形大的问题，提出“让压锚杆+让压锚索+金属网”的支护技术，经过验证发现顶板的下沉量明显降低。本文利用理论计算，给出相应的支护参数，并通过现场实践，验证了支护方案的可行性，为矿井安全开采提供了一定的借鉴。1数值模拟研究工作面煤层总厚度为 23m，平均厚度为 2.78m，煤层赋存稳定，工作面煤层总体呈走向东北至西南，倾向东南的单斜构造，地层倾角变化不大，为110，平均倾角 6。工作面煤层内有 02 层夹矸，黑色，裂隙较发育，条带状结构层理不发育，节理和裂隙比较发育；该煤层呈黑色，强玻璃光泽，断口具阶梯状，容重 1.40t/m3，硬度为 2.0 左右。工作面煤层的柱状图如图 1 所示。910 号煤层位于太原组下段的顶部，上距 7 下号煤层 21.2052.90 m，平均为 37.90 m，煤层厚度1.153.90 m，平均 2.67 m，属中厚煤层。煤层结构简单，含 02 层夹矸。井田南部煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩，井田北部煤层直接顶为灰岩，老顶为 K2石灰岩，底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，局部为细粒砂岩，偶见炭质泥岩，属全区稳定可采煤层。为了对巷道支护方案设计，首先对不同支护参数下的支护效果进行分析，给出最佳的支护的方案，锚杆长度是锚杆支护系统的决定性参数，对不同锚杆密度下支护效果进行分析，确定最佳的锚杆布置密度。从下页图 2 中可以看出，随着锚杆间距的不断减小，锚杆间的应力场衔接逐步平缓，当锚杆为单根锚杆时，此时的压应力大致呈现出椭锥形，在锚杆的尾部出现应力的最大值，在锚杆锚固位置的应力集中次之，而在锚杆的自由端位置，应力分布较小。当锚杆的间距（锚杆的密度）增大后，锚杆间形成的压应力区域呈现单独分布的情况，无法有效地结合在一起，此时的支护整体应力结构效果较差。随着锚杆间距的减小，此时单根锚杆应力场出现一定的靠近、叠加，形成一整块应力场，但当锚杆的间距进一步减小时，此时单根锚杆的应力场出现大面积的叠加，此时的无效应力叠加区域增大，使得材料消耗增大，所以一味地减小锚杆间距不能持续改善支护应力场。当锚杆的预紧力加大时，此时的应力场分布增大，所以保持锚杆间距不变时，增大锚杆预紧力同样可以达到应力叠加的收稿日期：2022-05-25作者简介：韩海威（1991），男，山西大同人，本科，毕业于河南理工大学采矿专业，助理工程师，研究方向为矿山掘进。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.110图 1工作面煤层的柱状图岩性描述石灰岩，深灰色，坚硬，含有丰富的蜓及腕足类化石，裂隙发育含生物碎屑泥岩，灰色，含有丰富的蜓及腕足类化石石灰岩，深灰色，坚硬，含有丰富的蜓及腕足类化石，裂障发育煤，黑色为半亮型煤，夹石为泥岩泥岩，深灰色，含植物碎片化石，夹砂质泥岩条带煤，黑色砂质泥岩，深灰色，含植物碎片化石，下部夹细砂岩条带煤，黑色累计深度/m340.97343.00345.75348.42351.72353.27355.22356.47厚度/m8.402.032.702.93.301.551.95l.35编号K29+10 号10下号11 号柱状技术应用机械管理开发第 38 卷效果。对不同锚杆长度下锚杆应力场进行分析，应力云图如图 3 所示。由图 3 可以看出，随着锚杆长度的增大，此时锚杆支护应力场分布的高度增加，但同样的在锚杆的顶端，应力分布情况出现减弱的趋势，可以看出锚杆长度越长，锚杆顶端的无效区域越长。同时随着锚杆的长度增大，锚杆间的作用效果减弱。在一定的预应力下，锚杆长度越长，锚杆的预应力作用影响效果越小，此时锚杆能够产生的主动支护效果越差，所以在进行锚杆长度设定时，应当考虑锚杆的预应力，增大锚杆的预应力可以达到减小锚杆长度的目的，降低支护成本。同样对锚索不同支护参数下的支护效果进行分析发现：随着锚索长度的增加，压应力区的范围水平方向上逐渐增加，锚索的主动支护作用增强；但在垂直方向上存在减小的趋势；随着锚索长度的增加，锚索中部压应力逐步减小，锚索对中部围岩的支护作用降低；锚索长度越大，锚索间的中部围岩压应力降低，支护作用减小。2支护参数设定完成模拟计算后，进行巷道支护参数的设定：杆体为直径 18 mm 螺纹钢锚杆，屈服强度不低于 335MPa，长度 2 000 mm，杆尾螺纹为 M20。采用树脂加长锚固，钻头直径 28 mm，采用 1 支 MSCK2360 和 1 支MSK2360 树脂锚固剂。采用高强锚杆螺母 M20，托板采用方形带拱托板，托板尺寸为 120 mm120 mm10 mm，托板高度不低于 36 mm，钢号不低于 Q235，配套调心球垫和减摩垫圈。采用 12 号铁丝编制的菱形金属网护顶，网孔规格 50 mm50 mm，网片规格为4 200 mm1 000 mm。网片贴紧岩（煤）面，压茬连接，搭接长度不小于 200 mm，并用双股 14 号铁丝绑扎牢固，间距 200 mm，拧绕不少于 3 圈。锚杆间距 800mm，每排 6 根锚杆，排距 800 mm，锚杆预紧扭矩不低于 150 N m，锚固力不小于 80 kN。选用锚索为 15.2 mm，17 股预应力钢绞线，长度 7 200 mm，钻头直径 28 mm，采用 3 支树脂锚固剂，2 支规格为 MSCK2360 和 1 支规格为 MSK2360。采用 300 mm300 mm16 mm方形锚索托板。两帮支护选用直径 18 mm 左旋螺纹钢锚杆，屈服强度不低于 335 MPa，长度 2 000 mm。锚杆间排距为 800 mm、800 mm，距顶 200 mm，每排 4 根。树脂加长锚固，钻头直径 28 mm，采用 1 支规格为MSCK2360树脂锚固剂。锚杆锚固力不小于 80 kN，预紧扭矩不得小于 150 N m。采用高强锚杆螺母 M20，托板采用方形带拱托板，托板尺寸为 120 mm120 mm10mm，托板高度不低于 36 mm，钢号不低于 Q235，配套调心球垫和减摩垫圈。采用 12 号铁丝编制的菱形金属网护帮，网孔规格 50 mm50 mm，巷帮网长宽=2 700 mm1 000 mm。网片贴紧岩（煤）面，压茬连接，搭接长度不小于 200 mm，并用双股 14 号铁丝绑扎牢固，间距 200 mm，拧绕不少于 3 圈。巷道支护方案如图 4 所示。2-1锚杆间距 1.4 m2-2锚杆间距 1.0 m2-3锚杆间距 0.8 m2-4锚杆间距 0.6 m图 2不同支护密度下围岩应力场对比图3-1锚杆长度 1.6 m3-2锚杆长度 2.0 m3-3锚杆长度 2.4 m3-4锚杆长度 2.6 m图 3不同锚杆长度下围岩应力场对比图图 4巷道支护方案（单位：mm）锚索规格：15.27 200 mm螺纹钢锚杆：187 000 mm锚杆托盘：12012010 mm药卷：1 支 MSCN236010010梯子梁800螺纹钢锚杆规格：182 000 mm8008008008001001 0001 0002 1002 100200800800800800100300500300502 900混凝土强度 C20巷道中心线（下转第 279 页）2742023 年第 2 期参考文献1杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨J.煤炭学报，2010，35（11）：1 842-1 853.2王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术J.煤炭科学技术，2004，32（1）：6-10.3徐祝贺，李永明，杨玉亮.大断面厚顶煤巷道围岩控制技术研究J.煤矿开采，2016，21（5）：52-55.4侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护M.徐州：中国矿业大学出版社，1999.5康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践J.岩石力学与工程学报，2005，24（21）：395-396.6张镇，康红普，王金华.煤巷锚杆锚索支护的预应力协调作用分析J.煤炭学报，2010，35（6）：881-886.7王俊超.高应力软岩回采巷道锚网索耦合支护技术研究D.陕西：西安科技大学，2013.（编辑：贾娟）Research on Rock Support Technology of Coal Mine Rock Tunnel EnclosureDuan Wenjin（Jinneng Holding Coal Group Beixinyao Coal Co.,Ltd.,Xinzhou Shanxi 036799）Abstract:Taking a mine as an example,for its roadway section is straight wall semi-circular arch,the joint support form of anchor meshcable is designed and applied,and the roadway surface displacement,anchor rod(anchor cable)force monitoring,timely grasp of theinternal anchor rod force and deformation and damage law of the roadway surrounding rock,the results show that:the roadway roof and twogang displacement changes are relatively small,indicating that the support technology can effectively control the deformation and Theresults show that the support technology can effectively control the deformation and breakage of the weak rock layer in the roadway,and thestability of the surrounding rock is good;and the initial and final stresses of the anchor rod and anchor cable are all within the maximumallowable range of the anchor rod and anchor cable design.Key w