厚煤层巷道支护方案的改进与应用.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：作者简介：郭艳军（），男，内蒙古通辽人，工程师，年毕业于内蒙古科技大学采矿工程专业，现从事煤矿开采技术与工艺方面的研究工作。引用格式：郭艳军 厚煤层巷道支护方案的改进与应用 煤炭科技，（）：，（）：，文章编号：（）厚煤层巷道支护方案的改进与应用郭艳军（晋能控股煤业集团 北辛窑煤业公司，山西 忻州 ）摘要：北辛窑煤矿原有支护工艺存在顶板变形严重、支护工序多等问题，采用 （）型细牙螺纹钢锚杆和快速整体式聚酯纤维网，并在该基础上利用 有限差分软件开展了支护参数的分析与优化，确定了顶板锚杆长度为、支护网度为 的支护方案。实际应用效果表明，新的支护方案能够控制顶板的下沉变形，显著提高了支护施工效率。关键词：软件；巷道掘进；垂直应力；快速支护中图分类号：文献标志码：（，）：，（），：；：北辛窑煤矿 工作面原支护工艺选用 型 无纵肋螺纹钢式金属锚杆，排间距为 。原支护工艺在实际应用中效果并不理想：锚杆的锚固效果较差；采用 钢筋焊接网，规格为 ，勾连方式连接，人工频繁铺连网导致施工速度慢且连网质量不高，网片整体性不强。由于锚杆选型不当、网度参数设计不合理、钢筋网的强度较低且安设工艺繁琐，导致出现巷道顶板变形严重、支护施工进度较慢等问题。巷道赋存条件概况北辛窑煤矿 号煤层 采区 工作面煤层结构复杂，煤层厚度 ，含 层夹矸，夹矸厚 ，属于稳定厚煤层。煤层大致走向为东西，倾向北，倾角为 。煤矿为低瓦斯矿井，自燃倾向性为类自燃，自然发火期为 ，有爆炸性。该工作面基本顶为中砂岩，厚度为 ；直接顶为砂质泥岩，厚度为 ；直接底为砂质泥岩，厚度为 ；基本底为中细砂岩，厚度为 。工作面胶带巷道为三心拱断面，断面参数为：掘宽 、净宽 ，掘高 、净高 ，掘进断面 。年第 期郭艳军：厚煤层巷道支护方案的改进与应用第 卷 原有支护工艺 原支护参数（）锚索选用 的预应力钢绞线，钢绞线型号为 ，破断载荷 ，破断强度 ，延伸率 ；锚索长度 ，安设排距 、间距 ，垂直巷道顶板安装，如图 所示。图 巷道断面原支护方案示意 （）锚杆使用规格为 型 、长 的无纵肋螺纹钢式金属锚杆，排间距为 ，每排 根（两帮各 根，顶板 根）。（）采用 钢筋焊接网，孔网为 ，规格为 ；钢筋网采用勾连方式连接，无法勾连时采用双股 号铁丝进行扎接，扎接间距不大于 。原支护工艺存在问题现场应用效果表明，两帮变形较小，但存在顶板变形严重、支护工序多等问题。分析其原因，主要体现在 个方面：支护材料问题，锚杆的锚固效果差、支护网的强度低且安设工艺繁琐；支护参数问题，顶板锚杆的网度参数设计不合理造成支护强度不达标。支护材料的改进 新型细牙螺纹钢锚杆的应用新型细牙螺纹钢锚杆（图 ），该锚杆结合了等强螺纹钢锚杆与无纵肋螺纹钢式树脂锚杆的优点 ：全长等强度性能。热轧细牙螺纹钢锚杆采用特殊工艺轧制，杆体表面均布热轧细牙连续螺纹，实现全长度等性能。高强度。选用低合金高强度材料轧制，屈服强度可达 以上。全长度预紧。杆体采用连续螺纹，减小了螺旋升角，配合精制机加工螺母，克服了因螺旋升角大造成预紧力小，易松动等缺点。实现多次预紧。杆体全长度均布连续螺纹，在岩壁片帮或局部破碎时，可轻易实现二次或多次预紧，减少二次支护，降低支护成本。改进选用 （）型细牙螺纹钢锚杆，屈服强度在 以上，延伸率大于 。图 新型细牙螺纹钢锚杆 快速整体式聚酯纤维网传统的人工频繁铺连网，施工速度慢；连网质量不高，网片整体性不强。改进应用高强聚酯纤维柔性支护网，该支护网采用高强度、高模量、低蠕变的聚酯工业长丝纤维经纬向整体编织及表面涂层处理制成 ，性能对比见表 。表 钢筋网性能的对比 序号最大抗拉力 最大变形量 编织带破断力 编织带破断时位移 聚酯纤维网 钢筋网 可在地面根据支护需要使用尺寸预先编织为整体网片，最大幅宽 ，长度 ，网孔尺寸 。根据巷道宽度定制支护网的宽度，沿长度方向卷成网卷状；网卷直径根据铺网装置容量，应留有一定的富裕量方便自动出网；长度应尽量满足一个班的掘进量，一般为 。采用综合型机载临时铺网护顶支架或独立的自移式铺网设备，通过配套的工具实现掘、支、护工作的机械化作业，缩短了支护时间，从而大幅度提高煤巷掘进支护速度。实现铺网和临时支护、锚杆支护工序的平行、连续化、同步支护 。年第 期煤炭科技第 卷 支护参数的分析与改进 巷道模型的建立与分析思路为分析顶板锚杆的网度参数合理性，结合北辛窑煤矿 工作面轨道巷地质条件，采用 有限差分软件建立巷道模型 。模型长 、宽 、高 ，巷道顶板初始应力 （埋深模型以上岩层高）平均容重 。（）模拟 工作面轨道巷采用不同顶板锚杆长度（、），帮部锚杆均采用 锚杆保持不变，分析不同顶板锚杆长度对锚固应力场分布的影响情况，确定顶板锚杆最佳长度。（）根据上一组模拟的结果，顶板锚杆选择最佳长度基础上，模拟 工作面轨道巷顶板锚杆采用不同间排距（、），巷道围岩应力有效压力区分布情况及巷道顶板情况，同时考虑快速掘进，选择合适的排距。锚杆长度的确定模拟 工作面轨道巷采用不同顶板锚杆长度（、），帮部锚杆均采用 锚杆、锚杆排间距保持不变，模型巷道长度为 ，共计 排锚杆，其中锚杆锚固力为 。（）不同锚杆长度下巷道顶板的下沉量分析。不同锚杆长度垂直位移模拟结果表明，随着锚杆长度（、）增加，巷道顶板垂直位移减小，这是由于锚杆锚固范围增加能深入岩层内部及时控制顶板下沉 。当锚杆长度从 增加到 时，由于巷道的顶板条件好，不同巷道顶板垂直位移变化量较小，顶板垂直位移平均约为 。从控制顶板垂直位移考虑不同长度的锚杆支护均可达到巷道支护强度要求。（）不同锚杆长度垂直应力分析。不同锚杆长度垂直应力模拟结果表明，巷道垂直应力分布主要集中在巷道两帮距离表面 处位置，应力集中的峰值约为 ，随着锚杆长度（、）增加，应力集中峰值变化不大。两帮垂直应力分布范围可以看出，锚杆长度为和 时，应力集中范围有所变小。故从垂直应力集中角度考虑选择锚杆长度为 或 。（）锚杆长度的选定。为了满足巷道顶板的支护要求，同时考虑顶板下沉、垂直应力分布、巷道掘进施工效率多个方面的因素，选择长 的顶板锚杆为最合适。该型号的锚杆既能保证巷道顶板下沉量为 、垂直应力范围小，同时能兼顾施工效率。锚杆排距的确定开展不同排距的支护方案，在选定锚杆最佳长度 的基础上进行模拟。巷道模型长度为 ，其中 排距方案为 排锚杆，排距方案为 排锚杆，排距方案为 排锚杆、排距为 排锚杆。随着锚杆排距的增大，观测巷道顶板的位移变形规律、巷道塑性区变化、锚杆支护作用范围等多个方面选择合适的排距。（）不同排距下巷道顶板下沉量分析。不同排距顶板垂直位移模拟结果表明，随着排距不断增加，巷道顶板垂直位移量有一定增大，支护强度在不断减弱，但巷道顶板垂直位移增加的幅度较小，顶板垂直位移平均依然保持在 ，从控制顶板垂直位移考虑四种支护排距均可达到巷道支护强度要求。（）不同排距锚杆作用范围分析。不同排距锚杆作用范围模拟结果表明，锚杆排距为 时，锚杆的作用范围相互重叠，支护强度高；锚杆排距为 和 时，作用范围重叠慢慢消失但巷道整体依然在锚杆作用范围内；锚杆排距为 时，巷道部分出现没有锚杆作用的范围，巷道的支护安全存在隐患。因此，从锚杆作用范围的方案考虑，选择 排距的锚杆支护最合适。（）锚杆排距选定。为了满足巷道顶板的支护要求，同时考虑顶板下沉、塑性区变化、锚杆作用范围、巷道掘进施工效率多个方面的因素，选择排距 为最合适（相同的模拟方法确定顶板锚杆的间距取值也为 ）。该排距锚杆既能保证巷道顶板安全、有效的控制顶板的拉伸破坏、锚杆相互间作用形成整体支护结构、同时能加快施工效率。实际应用 新支护方案的应用优化后的支护方案在 轨道巷进行试验应用，支护方案如图 所示，施工现场如图 所示。锚索选用 的预应力钢绞线制作，巷道顶板中间 条锚索长度 ，安设排距 ；巷道顶板两侧各 根，长度 、间距 、排距 。顶板锚杆选用 （）型、长 的细牙螺纹钢锚杆，无纵肋螺纹钢式金属锚杆，排距 ，间距 ；帮部锚杆使用规格为 型 、长 的无纵肋螺纹钢式金属锚杆，排 年第 期郭艳军：厚煤层巷道支护方案的改进与应用第 卷距 ，间距 。支护网采用强聚酯纤维柔性支护网，幅度 ，长度 （单班掘进量），网孔尺寸 ，搭接长度 。图 优化后的新支护方案 图 快速整体式聚酯纤维网现场应用 支护效果对比两种支护方案下巷道的顶板位移对比表明，优化前，顶板下沉量最大值为 ；优化后，顶板下沉量最大值 ，二者相差 ，新方案下沉范围略大，但顶板下沉量整体可控。种支护方案下巷道的垂直应力峰值均为 、应力集中范围相差不大，支护效果基本相似。应用优化后的方案，顶板锚杆长度从 变为 ，间排距从 变更为 ，顶板锚杆的消耗量大大降低；采用快速整体式聚酯纤维网，使支护施工效率显著提高。结论（）细牙螺纹钢锚杆和快速整体式聚酯纤维网的应用，能够有效改进支护效果，显著提高支护施工效率。（）实践效果表明，顶板锚杆长度为 ，支护网度为 的支护方案能够有效控制顶板的顶板下沉变形，支护效果良好。参考文献（）：张建超 煤矿开采矿压显现规律及巷道支护技术 能源与环保，（）：，（）：李治祥，王福奇，田斌，等 大柳煤矿深部软岩巷道支护技术数值模拟研究 中国煤炭，（）：，（）：赵海彦 锚杆锚索联合支护在矿井井下巷道支护中的应用研究与改进 煤炭科技，（）：，（）：狄敬远，陈亚兵 深部侏罗纪软岩巷道临时支护的改进与应用 煤炭科技，（）：，（）：赵帅 采空区下泥质软岩巷道底鼓机理与联合支护技术研究 煤炭工程，（）：，（）：余中浩，姚金涛，魏善斌 深埋软岩巷道变形破坏机理及支护设计 山东煤炭科技，（）：，（）：尚玉强，许兴亮 浅埋深薄基岩软岩条件下工作面巷道支护优化研究 煤炭科技，（）：，（）：魏世明，靳梦帆，禄鑫琰，等 软岩巷道变形破坏特征及锚注一体化支护技术 煤炭工程，（）：，（）：（下转第 页）年第 期宋志强，等：二氧化碳气爆致裂综放工作面上隅角顶煤技术应用第 卷 ，（）：曹运兴，张军胜，田林，等 低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践 煤炭学报，（）：，（）：霍中刚 二氧化碳致裂器深孔预裂爆破煤层增透新技术 煤炭科学技术，（）：，（）：杨小林，孙博，褚怀保 爆生气体在煤体爆破过程中的作用分析 金属矿山，（）：，（）：卢文波，陶振宁 爆生气体驱动的裂纹扩展速度研究 爆炸与冲击，（）：，（）：郑天照 液态 相变气爆爆破孔爆能分布特征研究 阜新：辽宁工程技术大学，（）：卢文波，质点峰值振动速度衰减公式的改进 工程爆破，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）邓军，李贝，王凯，等 我国煤火灾害防治技术研究现状及展望 煤炭科学技术，（）：，（）：邓军，白祖锦，肖，等 煤自燃灾害防治技术现状与挑战 煤矿安全，（）：，（）：梁运涛，侯贤军，罗海珠，等 我国煤矿火灾防治现状及发展对策 煤炭科学技术，（）：，（）：，朱红青，胡超，张永斌，等 我国矿井内因火灾防治技术研究现状 煤矿安全，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）黄梦飞 型钢棚配合锚索支护技术在软岩回采巷道中的应用 同煤科技，（）：，（）：崔魏，崔峰 考虑蠕变影响的近断层软岩巷道变形破坏特征与支护对策 煤矿安全，（）：，（）：赵国芳 基于 的沿空留巷巷道底板变形规律分析 能源与环保，（）：，（）：李晓非 煤矿巷道支护方案与支护参数优化设计研究 能源与环保，（）：，（）：崔雪峰 基于 的综放面矿压显现规律研究 能源与环保，（）：，（）：齐振敏，臧金诚，张勇，等 深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究 煤，（）：，（）：赵浩 陈蛮庄煤矿深井软岩巷道支护技术研究与实践 煤矿现代化，（）：，（）：