近距离煤层采空区下巷道支护研究.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月红阳三矿北二采区 1301 工作面上覆 12#煤层已开采完毕，12#煤层工作面回采结束距今超过 5 a，1301 工作面为再生顶板下开采。北翼 3 条大巷（北翼辅运大巷、北翼回风大巷、北翼胶运大巷）位于 1301 工作面下方，3 条大巷与 1301 工作面的垂直距离约 30 m。在原岩应力和上覆 1301 工作面煤层采动应力的叠加影响下，传统单一普通支护模式已无法确保巷道的安全稳定，3 条北翼大巷易发生较大的变形破坏。因此，有必要开展对受动压及上覆采空区影响的近距离煤层巷道支护实践问题的研究1。1工程概况北二采区 1301 工作面上部为北一采区 12#煤层采空区、北一采区 7#煤层采空区，工作面主采煤层为 13#煤层。13#煤层为复合煤层，赋存较稳定，结构复杂，夹矸层数及厚度变化较大。煤层厚度 2.522.84 m，平均厚度 2.68 m，常有 1 层夹矸，有时 23 层。工作面煤层顶底板情况如表 1 所示。北翼大巷与 1301 工作面顺槽底板平均距离约 30 m。北翼大巷与 1301 工作面的平面位置关系如图 1 所示。表 1工作面煤层顶底板情况21301 工作面开采对下部北翼大巷的影响为了研究北二采区 1301 工作面开采对下部北翼大巷的影响，采用 FLAC3D软件进行建模，分析工作面位于不同位置时，对下部岩巷的影响。北翼大巷原采用“全断面锚杆+喷浆”的支护形式。原支护形式如图 2 所示，根据原支护形式建立数值模型。收稿日期：2022-11-15第一作者简介：李荣昌，1980 年生，男，辽宁灯塔人，工程师，主要从事煤矿现场管理工作。近距离煤层采空区下巷道支护研究李荣昌，李景松（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）摘要：为了解决近距离煤层采空区下巷道支护技术难题袁 在充分分析地质条件的基础上袁 采用数值模拟分析工作面位于不同位置时对下部巷道的影响遥 根据模拟结果袁 提出了以恒阻大变形锚索支护和注浆锚索支护为主的补强支护技术遥经现场实际监测袁 加强支护后的 3 条巷道顶板下沉量最大为 78 mm袁 两帮收敛量最大为 116 mm袁 两帮收敛量和顶底板移近量得到明显控制袁 满足安全生产需要遥关键词：近距离煤层曰 采空区曰 巷道支护曰 恒阻大变形锚索曰 注浆锚索中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0123-04Roadway Support under Goaf in Close-distance Coal SeamsLI Rongchang,LI Jingsong(Hongyang No.3 Coal Mine,Shenyang Coking Coal Co.,Ltd.,Liaoyang 111307,Liaoning,China)Abstract:In order to solve the technical problems of roadway support under goaf in close-distance coal seams,based on the fullanalysis of geological conditions,numerical simulation was used to analyze the influence of working face at different locations overthe lower roadway.According to the simulation results,the reinforcement support technology based on constant-resistance largedeformation anchor cable and grouting anchor cable was proposed.The actual monitoring shows that the maximum subsidence ofthe roof was 78 mm,the maximum convergence of the two walls was 116 mm,and the convergence of the walls and thedisplacement of the roof and floor were obviously controlled,which can meet the needs of safety production.Key words:close-distance coal seams;goaf;roadway support;constant-resistance large deformation anchor cable;groutinganchor cable（总第 216 期）技术研究顶底板名称 岩性 厚度/m岩石特征12#煤层顶板泥岩11.2密度 2.69 g/cm3，膨胀率 1.4%，抗拉强度 4.6 MPa，抗压强度 28.7 MPa（天然状态），抗剪强度凝聚力 8.02 MPa，岩体完整性为中等13#煤层顶板细砂岩1.0密度 2.73 g/cm3，膨胀率 0.34%，抗拉强度 1.1 MPa，抗压强度 23.7 MPa（天然状态），抗剪强度凝聚力 5 MPa，岩体完整性为中等13#煤层底板黏土岩7.4密度 2.62 g/cm3，抗拉强度 3.79 MPa，抗压强度 32.5 MPa（天然状态），抗剪强度凝聚力 9.5 MPa，岩体完整性为中等1232023 年第 9 期2023 年 9 月图 1北翼大巷与 1301 工作面平面位置关系图根据北二采区 1301 工作面的地质资料，采用对称原理，以 1301 工作面中心线位置为对称边，建立一半的数值模型进行研究，数值结果可进行对称分析。模型尺寸为长度宽度高度=449.2 m300 m160 m，考虑上覆采空区和 1301 工作面采动应力的影响，模拟采用的岩体力学参数如表 2 所示。北二采区 1301 工作面开采对下部北翼大巷的影响具体如下。1)沿北翼大巷平行方向影响范围。沿巷道Y方向150 m 处为北二采区 1301 工作面顺槽位置。当工作面开采至设计停采线位置时，下部 3 条北翼大巷的顶板位移很小，北翼大巷未受工作面采动影响。当工作面逐渐推进，巷道位移逐渐增大，在过停采线 080 m 范围内，巷道位移为负值，说明顶板发生少量下沉，下沉量在 01.5 cm 之间。当工作面推进 180 m 后，1301采空区覆盖区域巷道的位移为正值（04.3 cm），而未覆盖区域巷道顶板的位移为负值，且随着工作面的回采逐渐增大。由此可知受上覆采空区的影响，巷道发生底鼓且整体向上产生位移。与 1301 工作面距离不同，北翼大巷的变形量不同，北翼辅运大巷 北翼回风大巷 北翼胶运大巷。沿巷道平行方向未开采区域受采动影响范围为 100105 m。2)沿北翼大巷垂直方向影响范围。在动压影响下，北二采区 1301 工作面与北翼大巷不同距离下沿北翼大巷垂直方向的应力分布如图 3 所示。由图 3 可知，工作面开采距离北翼大巷 100180 m范围内，巷道顶板应力变化较小，对北翼大巷影响较小。当工作面继续回采，距离北翼辅运大巷前 020 m范围内巷道上方应力迅速降低，之后随着回采距离增大巷道上方应力逐渐增大，最后趋于稳定，应力逐渐增大的范围约为 100 m。工作面距离北翼回风大巷水平距离约 55 m 处后，回风大巷上方的应力迅速降低，在回风大巷正上方附近降低至最小值，当工作面经过回风大巷后，应力逐渐恢复。在与北翼胶运大巷水平距离 110 m 范围外，北二采区 1301 工作面的采动对北翼胶运大巷几乎没有影响，随着与胶运大巷的距离减小，应力迅速降低并在过胶运大巷后逐渐上升，在 50 m 后维持稳定。应力状态的迅速改变易使巷道周围岩体产生裂隙破坏，因此需要在过辅运大巷前 20 m 时，及时对北翼大巷进行加强支护。3巷道支护方案及效果3.1支护方案设计北翼胶运大巷、北翼回风大巷和北翼辅运大巷的断面形状为直墙半圆拱形，巷道设计宽度为 4.4 m，高度 3.5 m。根据数值模拟分析，北二采区 1301 工作面开采对下部北翼大巷有不同程度的影响，对采动影响区域需要提前进行巷道加固处理。针对性地提出以恒阻大变形锚索支护和注浆锚索支护为主的补强支护技术2。新型支护方案的平面布置如图 4 所示。3.2加强支护后模拟分析北翼大巷原采用“全断面锚杆+喷浆”的支护形式，在原支护形式上进行恒阻大变形锚索和注浆锚索加强支护。R半圆拱半径。图 2北翼大巷原支护形式图单位：mm岩性密度/（kg m-3）泊松比体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa摩擦角/(毅)7#煤1 4000.300.360.170 0.018 01.2117.6粉砂岩2 8000.228.605.920 0.710 04.0436.6中砂岩2 7000.216.054.350 0.650 03.8635.9泥岩2 2000.261.690.970 0.140 02.2227.012#煤1 4000.320.210.086 0.009 70.9114.0细砂岩2 7600.247.654.810 0.680 03.9536.213#煤1 4000.300.340.160 0.017 01.1817.1黏土岩2 0000.271.740.950 0.090 02.0225.4砂岩2 7000.256.844.100 0.420 03.3434.0表 2模拟采用的岩体力学参数6 m 煤柱（7#煤）10 m 煤柱（12#煤）1301 回顺1301 运顺300 m158 m156 m147 m155 m158 m1208 采空区 1206 采空区1204 采空区 1202 采空区1210 采空区胶运大巷回风大巷辅运大巷706 采空区708 采空区4 400100锚网1242023 年第 9 期2023 年 9 月图 4新型支护方案平面布置图图 3与北翼大巷不同距离下巷道垂直应力分布图当停采线位于距离北翼辅运大巷水平 20 m 处时，北翼胶运大巷、北翼回风大巷、北翼辅运大巷的最大水平位移分别为-2 cm，1 cm，3 cm，最大垂直位移分别为-2 cm，-4 cm，1 cm。加强支护后，北翼回风大巷和北翼辅运大巷的位移显著减小。由于停采线距离北翼胶运大巷较远，因此加强支护对北翼胶运大巷的效果不明显。当停采线过北翼胶运大巷的正上方时，北翼胶运大巷、北翼回风大巷、北翼辅运大巷的最大水平位移分别为 2 cm，1 cm，2 cm，最大垂直位移分别为-2 cm，-3 cm，2 cm。加强支护后，北翼大巷的位移显著减小。当工作面继续回采，过北翼胶运大巷后，巷帮收敛量和顶底板移近量得到明显控制，变形量控制在很小的范围内，北冀胶运大巷、北冀回风大巷、北冀辅运大巷的顶底板位移分别为 5 cm，6 cm，4 cm，帮部收敛量分别为 9 cm，10 cm，6 cm3。222018161412108642大巷位置100 m20 m86 m55 m110 m50 m回采方向与北翼辅运大巷不同距离下的巷道垂直应力分布；与北翼回风大巷不同距离下的巷道垂直应力分布；与北翼胶运大巷不同距离下的巷道垂直应力分布。-180-160-140-120-100-80-60-40-20020406080 100 120 140 160 180 200 220与北翼大巷的距离/m单位：mm8001 5701 570恒阻锚索 椎21.8 伊 7 300锚杆 椎20 伊 2 200普通锚索 椎21.8 伊 5 300注浆锚索 椎22 伊 7 300帮部巷道顶部帮部李荣昌，等：近距离煤层采空区下巷道支护研究1252023 年第 9 期2023 年 9 月图 8不同环境温度下的运行时间考虑新增的机力通风冷却塔风机功耗和循环水泵的运行功率，运行时间内的折算标煤消耗约 2 591.46 t。则尖峰系统在统计时间段内的净节煤收益约 4 975 t，节能潜力显著4。5结束语根据京海电厂的现有情况进行分析，选择合适的尖峰冷却形式。对尖峰冷却在不同环境温度下背压、煤耗的降低值进行测算分析。在考虑系统辅机电耗的折算后，尖峰冷却系统可实现年净节标煤量约 4 975 t。增设尖峰冷却系统对电厂节煤降耗起正向促进作用，可为国内相同情况电厂的尖峰冷却改造提供参考。具体实施还需根据现实条件进行，需充分进行投资和经济性论证。参考文献：1 刘月正.直接空冷机组间接空气尖峰冷却技术研究 J.节能技术，2019，37(1)：73-77.2 徐正，张晴，崔建勋，等.直接空冷电厂尖峰冷却系统背压计算J.黑龙江电力，2018，40(3)：265-270.3 王永生.华能上安电厂 600 MW 机组空冷尖峰冷却系统改造 D.保定：华北电力大学，2017.4 马庆中，张英龙.直接空冷凝结器尖峰冷却系统的研究与应用 J.山西电力，2007（增刊 1）：55-57.（编辑：高志凤）600500400300200100035环境温度/益3.3支护效果北二采区 1301 工作面开采在距离北翼辅运大巷100 m 范围外时，未对北翼大巷产生动压影响，注浆锚索施工不易在岩层中完成注浆，此时可以进行恒阻大变形锚索和帮部锚索的施工。当工作面位置在距离北翼辅运大巷 100 m 范围内时，1301 工作面的开采开始对北翼大巷产生影响，1301 工作面下部的北翼大巷受采动影响开始产生围岩裂隙，浆液易在巷道围岩内扩散，此时可对北翼大巷进行注浆锚索加固。当工作面距离北翼辅运大巷小于 20 m 时，1301 工作面的开采对下部北翼大巷开始产生严重影响，在此之前需要完成对北翼大巷的注浆加固，维持巷道围岩的稳定。根据矿井现场实际，在注浆过程中，注浆泵压力达到 8 MPa 时停止打压注浆，23 min 后注浆液缓慢渗透到煤岩层缝隙，压力下降后再注浆。当锚索托盘周围出浆或锚索周围的裂隙、锚杆孔出浆时，暂停注浆。注浆过程中每个钻孔应一次性注满。为了对北翼大巷进行锚索受力和巷道位移监测，在北翼 3 条大巷动压影响范围内每隔 100 m 布设 1 个测站，每条大巷共布设 6 个测站。经现场实际监测，3 条大巷的顶板下沉量最大为 78 mm，两帮收敛量最大为116 mm，和数值模拟实验结果相吻合，能够满足安全生产需要。4结束语红阳三矿北二采区 1301 工作面下方为 3 条北翼大巷。3 条北翼大巷在原岩应力及工作面回采动压影响下，其稳定性控制将会面临困难。通过数值模拟试验，对工作面走向和倾向的采动影响范围进行了研究。北二采区 1301 工作面距离北翼辅运大巷 20 m 后，开始对下部北翼大巷产生影响；当工作面继续开采，经过北翼辅运大巷、北翼回风大巷及北翼胶运大巷时，影响范围出现交叉，最大影响范围为 160 m 左右；当北二采区 1301 工作面继续开采，覆盖下部北翼胶运大巷、北翼回风大巷以及北翼辅运大巷时，沿巷道平行方向的最大影响距离约为 105 m；考虑模型对称分布和北二采区 1301 工作面距离（300 m），影响范围约 510 m。根据模拟结果，北二采区 1301 工作面开采位置对下部北翼大巷有不同程度的影响，对采动影响区域需要提前进行巷道加固处理。针对性地提出以恒阻大变形锚索支护和注浆锚索支护为主的补强支护技术。经现场实际监测，3 条大巷的顶板下沉量最大为78 mm，两帮收敛量最大为 116 mm，和数值模拟实验结果相吻合，能满足安全生产需要。参考文献：1 汤佳佳.三河口煤矿采空区下回采巷道支护技术研究 D.青岛：山东科技大学，2018.2 张忠温，吴吉南，范明建，等.近距离煤层采空区下巷道支护技术研究与应用 J.煤炭工程，2015，47(2)：37-40.3 陈上元，赵波，郭志飚，等.恒阻大变形锚索力学特性及其在深部切顶留巷中的应用 J.煤炭工程，2020，52(11)：103-107.（编辑：高志凤）（上接第 78 页）126