干河煤矿半煤岩巷大排距锚网索支护技术研究_陈晓宁.pdf

江西煤炭科技2023年第1期1工程概况山西焦煤霍州煤电干河煤矿2-3 0 1综采工作面主采2#煤层，2#煤层位于二叠系下统山西组（p1s）上部，煤层光泽较暗，主要由暗煤和亮煤组成，属半亮型煤，硬度和韧度较大，节理不发育，密度为1.4 0t/m3。工作面井下位于三采区左翼，东北侧为2-1 1 8 C采空区，西北侧为三采区三条系统大巷，东南侧为2-1 1 8 A空巷，西南侧为实体煤。该工作面地表位于工业广场西北部，地表形态属低山黄土丘陵，以黄土梁、垣特征，黄土冲沟发育，工作面地表大部为农田，黄土覆盖厚度4 7.2 5 9.5m，基岩厚4 0 0.0 1 4 0 9m。该工作面煤层厚度2.0 2.4m，煤层整体为走向S 6 3 W，倾向S E的背斜构造，煤层倾角1 6，平均3.5。工作面两巷沿煤层走向布置，2-3 0 1 1巷长5 5 5m，2-3 0 1 2巷长4 7 3m，切巷长1 4 0m，可采走向长度4 4 5m。2-3 0 1 1巷断面宽4.0m、高2.8m，工作面两侧回采巷道沿煤层顶板布置，属于半煤岩巷，顶底板岩性特征如表1所示。该矿存在掘进速度慢、工作面接续紧张、支护成本高等问题。为探究出价格低廉、使用简便、性能优良的回采巷道支护系统，以2-3 0 1 1巷掘进施工为背景展开适应2#煤层大排距锚网索支护成套技术的研究。表1顶底板岩性特征顶板名称岩石名称厚度/m岩性特征老顶细粒砂岩1.2 9-1 3.0 37.1 6灰色，石英为主，长石及暗色矿物次之。次菱角状，分选中等，钙泥质孔隙式胶结。层面含少量云母碎片及碳化物。上部含泥质岩包裹体。均匀层理直接顶泥岩0.3-1.20.7 5灰黑色。中部夹炭质泥岩条带。含少量植物根部化石，有滑面。均与层理。松软直接底粉砂岩1.7 1-7.5 74.6 4灰色。具细砂质条带。波状层理。有滑面。松软老底中粒砂岩2.0 0-6.4 64.2 3灰色。长石石英为主，含暗色矿物。次菱角状，分选差，钙泥质孔隙式胶结具泥质条带。波状层理。冲刷接触。半坚硬。2单根锚杆最大支护效能研究为优化锚杆的间排距，首先应考虑提高单根锚杆的支护效能，使每根锚杆充分发挥其支护效摘要：以干河煤矿2#煤层2-3 0 1 1巷为背景，通过现场实测、数值模拟等手段，探究提高单根锚杆支护效能的措施，确定锚杆、锚索的最优布置参数，通过矿压监测验证优化方案的可行性，结果表明：优化条件下，掘巷期间和工作面回采期间巷道围岩稳定性好，掘进速度提高1.4倍，在经济、安全、技术等方面均取得很好效益。关键词：半煤岩巷道；锚网索支护；现场实测；数值模拟；掘进速度中图分类号：TD2 6 3.5+7；TD3 5 3+.6文献标识码：B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 6 7-0 4Research on Large Discharge Distance Bolt-mesh-anchor Support Technology in SemiCoal and Rock Roadway of Ganhe CollieryChen Xiaoning(Ganhe Colliery,Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Power Group,Linfen,Shanxi 041602)Abstract:Taking Lane 2-3011 of No.2 Coal Seam in Ganhe Colliery as the background,through field measurement,numericalsimulation and other means,the paper explores the measures to improve the support efficiency of single bolt,determines theoptimal layout parameters of bolt and anchor cable,and verifies the feasibility of the optimization scheme through rock pressuremonitoring,whose results show that under the optimized conditions,the surrounding rock stability of the roadway is good duringroadway driving and mining of the working face,the driving speed is increased by 1.4 times,which achieves good economic,safeand technical benefits.Key words:semi coal and rock roadways;bolt-mesh-anchor support;field measurement;numerical simulation;driving speed干河煤矿半煤岩巷大排距锚网索支护技术研究陈晓宁（山西焦煤霍州煤电干河煤矿，山西临汾0 4 1 6 0 2）6 7江西煤炭科技2023年第1期果，从而达到使用较少的锚杆起到同等甚至更优的围岩控制效果。提升锚杆的支护效能应从两方面因素入手1-2：一是从锚固体自身角度出发，如锚固剂强度、锚固长度不足，锚杆长度与直径、强度不匹配等；二是从组成锚杆支护体系的各构件角度出发，如托盘强度过低、不配套、网片强度不足等。随着锚网支护技术的发展进步，现阶段矿用锚杆杆体、锚固剂的性能良好，但特殊地质条件下单根锚杆支护效能的最优参数相关研究匮乏，因此展开2-3 0 1 1巷锚杆支护锚固长度、锚固系统协调性等方面的研究。2.12-3011巷现场拉拔试验为确定2#煤层回采巷道支护锚杆的最佳锚固长度，在2-3 0 1 1巷开口无构造影响区域，进行顶板、帮锚杆拉拔试验。锚杆钻孔直径3 2mm，顶板锚杆直径1 8mm，屈服破坏强度8 5k N，帮部锚杆直径1 6mm，屈服破坏强度6 4k N；每种锚固长度条件下锚杆各施工两根，顶板施工1 6根，顶板锚杆锚固长度设计为0.4 1.1m，帮部锚杆锚固长度0.4 1.0m，帮部施工1 4根，以顶板锚杆为例，统计拉力计载荷与伸长量的关系，整理得到结果如图1所示。图1顶板锚杆拉力与伸长量关系由图1可以看出，锚杆锚固长度0.4m时，拉力峰值1 5M P a，换算得到此时锚固力为6 0k N；锚固长度为1.1m时，锚杆锚固力为7 6k N。由此可知，顶板锚杆锚固长度为0.4 1.1m，锚固力为6 0 7 6k N，小于锚杆屈服强度8 5M P a。在各锚固长度条件下，锚杆伸长量0 4mm阶段，锚杆载荷呈现杂乱无章变化，表明此时拉拔仪与顶板接触不紧密、顶网与顶板贴合不紧密，锚杆未进入正常的拉拔；锚杆伸长量为4 1 5mm阶段，锚固段越短锚杆的伸长量越大，拉力随伸长量的变化呈现一定的波动；锚固长度1.1m时，拉拔力随着伸长量均匀渐进增大，呈现出良好的增阻特性，因此确定顶板锚杆锚固长度应不小于1.1m。同理，确定帮部锚杆锚固长度应大于0.6m。2.2扭矩转化系数的提高当锚杆各个配件性能良好且相互适配，锚杆杆体在钻孔内居中布置，则锚杆的荷载能力主要取决于锚固剂的黏结效果。锚杆施加预紧力期间扭矩与预紧力基本呈线性关系，预紧力与预紧力矩的比值为转换系数。为提高干河煤矿锚杆的转换系数，在井下2-3 0 1 1巷进行扭矩测试，以顶板锚杆为例，原支护锚杆未配备减摩垫圈，施工6根无垫圈条件下的顶板锚杆及6根有垫圈的顶板锚杆，并施加扭矩0 3 0 0Nm，分别记录不同扭矩条件下锚杆的预紧力，得到结果如图2所示。可以看出，当锚杆扭矩达到2 5 0Nm时，锚杆预紧力基本达到了峰值，扭矩继续增大，预紧力难以继续增大；无垫圈时锚杆预紧力平均值为4 3.1k N，有减阻垫圈条件下，锚杆预紧力平均值为5 4.3k N，为无垫圈条件下的1.2 6倍，因此顶板及两帮锚杆应配备减阻垫圈，顶板锚杆预紧力矩应为2 5 0N m。（a）无垫圈（b）有垫圈图2顶板锚杆扭矩与预紧力的关系3锚杆支护效能影响因素模拟研究采用F L A C3 D软件以干河煤矿2-3 0 1工作面6 8江西煤炭科技2023年第1期的地质资料为背景建立数值模型3-4，探究锚杆杆体长度、间排距、安装角度等参数对于锚杆支护效能的影响，模型尺寸XYZ=9 0m5 0m6 0m，巷道尺寸宽高=4.0m2.8m，设计锚杆长度为1.4 2.4m，间排距均为1.0m，进行不同支护条件下的开挖模拟，统计顶板岩层内及杆体内垂直应力的最大值和最小值，整体得到结果如图3所示。（a）锚杆长度与杆体应力（b）锚杆长度与围岩应力图3锚杆长度对杆体及围岩应力变化影响规律随着锚杆长度的增大，顶板围岩内最小垂直应力呈现先减小后增大的趋势，顶板围岩内最大垂直应力一直随锚杆长度的增大而增大，当锚杆长度大于等于18 0 0mm时，顶板围岩内最大和最小垂直应力开始随着锚杆长度增大而基本同步增大，说明此时，锚杆与围岩整体性更强，支护效果更好，表明锚杆长度应不小于18 0 0mm；锚杆最大垂直应力随着锚杆长度继续增大而增大，且出现减缓趋势，锚杆长度由22 0 0mm继续增大至24 0 0mm，杆体最大垂直应力增幅较小，此时锚杆载荷已达到7 0k N，已接近顶板锚杆的锚固强度，因此顶板锚杆长度应小于22 0 0mm，综合考虑后，确定顶板锚杆长度为22 0 0mm。42-3011巷优化支护方案及应用效果4.12-3011巷优化支护基于前文现场实测、数值模拟分析结果，对干河煤矿2-3 0 1 1巷支护参数进行优化，具体措施如下：（1）顶板：锚杆直径1 8mm，配套塑料垫圈，间排距由10 0 0mm调整为11 0 0mm，锚杆长度由2.0m增大为2.2m，预紧力矩由1 0 0Nm增大为2 5 0Nm，钻孔直径由3 2mm减小为2 7mm，锚固剂为M S C K 2 3 6 0和M S Z 2 3 5 0型药卷各一支。顶板锚索间距由1.2m(每排3根）增大为1.8m（每排两根），顶板锚索布置排距随着锚杆变化，排距由2.0m增大为3.3m，锚固剂为两支M S C K 2 3 6 0型树脂药卷，预应力为2 5。k N。（2）两帮：锚杆直径1 8mm，长度22 0 0mm，间距由10 0 0mm（每排三根）调整为11 0 0mm（每排两根），排距由10 0 0mm调整为11 0 0mm，锚固剂为一支M S C K 2 3 6 0树脂药卷，锚固长度约为7 0 0mm；2-3 0 1 1巷无构造影响地段支护详情如图4所示。（a）锚杆支护断面（b）锚索支护断面（c）顶板图42-3011巷优化支护方案4.2应用效果分析2-3 0 1 1巷采用优化后，对支护方案掘进期间及后期工作面回采期间进行表面位移量观测，得6 9江西煤炭科技2023年第1期业大学，2 0 2 0.5 田涛.东曲煤矿近距离采空区下巷道围岩变形规律及支护参数研究D.江苏：中国矿业大学，2 0 2 0.6 柏跃杨.三面采空孤岛工作面胶带顺槽掘进技术研究J.石家庄：科技风，2 0 2 0（2 2）：1 0 2.7 贾雨.大断面巷道贯通交叉点联合支护技术应用研究J.太原：机械管理开发，2 0 2 0，3 5（7）：3 7-3 9，1 1 4.8 常伟琦.新建矿井巷道支护优化设计及应用J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 2 0，3 9（7）：2 8-3 1.9 陈建勇.2 4 0 1皮带顺槽大断面煤巷掘进施工工艺J.山东煤炭科技，2 0 2 0（4）：3 4-3 6.1 0 刘赛.全封闭U型钢支架承载能力研究D.河南理工大学，2 0 1 9.作者简介：张文豪（1 9 7 1），男，山西平遥人，2 0 1 2年毕业于太原理工大学采矿工程专业，高级工程师，现从事采矿科研技术管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0