构造应力影响下软岩巷道围岩控制技术研究_朱缪和.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.002构造应力影响下软岩巷道围岩控制技术研究朱缪和1，郭佳炜2，朱琰超3，朱利1，徐东1，田启源4，付鹏飞4（1.淮北矿业股份有限公司祁南煤矿，安徽 宿州 234113；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.合肥鑫晟光电科技有限公司，安徽 合肥 230000；4.山东东山新驿煤矿有限公司，山东 济宁 272100）摘要 针对构造应力影响下软岩巷道往往存在巷道易变形、难支护等问题，以祁南煤矿 7228工作面软岩回采巷道为研究对象，提出了合理的巷道围岩控制对策，模拟分析确定了最优支护方案，最后通过现场试验验证了支护方案的可靠性。研究结果表明，使用“U型钢棚+锚索”的“主动+被动”支护与通过加密锚索进行强化支护相结合的分段支护方式，能够在节约成本的同时保证巷道的支护质量。关键词 构造应力；软岩巷道；分段支护；数值模拟；二次强化中图分类号TD353文献标识码A文章编号1672-9943（2023）01-0004-040引言煤炭是我国的主要能源，在国民经济中占有相当重的比例。目前，我国煤炭已探明的储量约1 145 亿 t，占世界总储量的 13.3%，其中有相当比例的煤炭赋存于特殊地质构造区内。由于构造应力的影响，巷道围岩所处环境与只有重力场作用存在很大区别，如存在应力集中系数高、区域内巷道轴向难以与构造主应力方向协调等问题，巷道支护难度较大。特别是在软岩回采巷道中，若巷道支护措施不当，还会造成巷道围岩变形量大、支护体失效等现象发生。祁南煤矿 7228 工作面主采 72#煤层，其外段受张学屋向斜、里段受王楼背斜影响，处于强构造应力环境中；72#煤层顶底板岩性均为泥岩，遇水易泥化和崩解，致使巷道围岩整体稳定性大大降低，给回采巷道支护工作提出了较大挑战1。1工程概况7228 工作面为祁南煤矿 82 采区右翼 72#煤层第四区段，局部有起伏变化。其地质条件较为复杂，构造应力是影响开采的主要因素。工作面外段受张学屋向斜影响，里段受王楼背斜影响，属于典型的强构造应力环境。向背斜构造如图 1 所示。工作面设计走向长 606 m、倾斜宽 151 m，倾斜面积 91 506 m2。工作面位置如图 2 所示。图 1工作面构造示意2构造应力影响下软岩巷道围岩控制2.1软岩巷道分段支护区域划分在距离 7228 工作面回风平巷、运输平巷施工开基金项目：国家自然科学基金（51874278）；江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目（JNHB-087）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主课题（SKLCRSM2020X04）图 2工作面位置示意-440 m-500 m-560 m-440 m-500 m-560 m外段王楼背斜里段张学屋向斜7228 工作面切眼6126 工作面回风平巷7228 工作面回风平巷728 底板巷7228 工作面运输平巷7228 工作面开切眼中央运输大巷6126 工作面运输平巷DF36BF15DF20DF12BF12DF17能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.142023 年 2 月Feb.,2023始 0150 m 区域，为张学屋向斜轴部，巷道受水平构造应力影响较大；在 7228 工作面运输平巷施工到295 m位置处，运输平巷过 BF15断层。因此，当 7228工作面回采巷道施工在以上位置时，巷道受地质构造影响严重2，为保证巷道支护质量，上述位置需强化支护。需强化支护的具体位置如图 3 所示。朱缪和，等构造应力影响下软岩巷道围岩控制技术研究图 3需强化支护位置示意祁南煤矿 7228 工作面顶底板均为泥岩，且受向背斜构造影响，围岩稳定性较差，易破坏。若采用锚杆支护，锚固段锚入松软岩层中，无法发挥锚固作用。因此，针对祁南煤矿 7228 工作面采矿地质条件，确定 7228 工作面回采巷道分段支护方式如下35：弱构造影响段巷道支护方式：当巷道受构造影响较弱时，采用“U 型钢棚+锚索”的“主动+被动”支护方式。强构造影响段巷道支护方式：当巷道受构造影响剧烈或通过断层破碎区时，在弱构造影响段巷道支护方案基础上，通过加密锚索的方式进行强化支护。2.2弱构造影响段巷道合理支护方案确定2.2.1不同支护方案下巷道围岩控制效果对比7228 工作面回采巷道开挖后，受构造影响应力环境存在的区段差异，分别取侧压系数为 1.0、1.5、2.0 模拟巷道支护效果67。分析不同应力坏境下回采巷道围岩受力、变形及塑性区分布特征，评价“U型钢棚+锚索”支护的围岩控制效果。模拟方案如表 1 所示，支护方式模拟如图 4 所示。表 1模拟方案图 4支护方式模拟不同侧压系数下巷道围岩塑性区分布如图 5所示。由图 5 分析可知，随着侧压系数的升高，巷道围岩存在大范围塑性破坏，尤以巷道底板最为明显。当侧压系数为 1.0 时，巷道围岩破坏深度小于1.5 m，围岩完整性较好；当侧压系数为 1.5 时，巷道围岩破坏深度达到 1.53.1 m，围岩完整性受到一定程度破坏，但不影响巷道稳定；当侧压系数为 2.0时，巷道围岩破坏深度达到 4.0 m以上，围岩完整性受到严重破坏。该支护方案已无法满足安全需求。（a）=1.0（b）=1.5（c）=2.0图 5不同侧压系数下巷道围岩塑性区分布云图2.2.2弱构造影响段巷道合理支护方案确定（1）锚索支护。采用规格为 17.8 mm6 300 mm钢绞线锚索支护，锚索间排距 1 600 mm1 600 mm。锚索在巷道顶板施工，沿顶板中轴线左右各施工 2 根。锚索托盘规格为 400 mm400 mm。每根锚索配 3 卷 Z2950 或 K2950 型锚固剂。方案编号 侧压系数 锚索长度/mm锚索间排距/mm棚距/mm11.06 3001 6001 60065021.56 3001 6001 60065032.06 3001 6001 600650向斜影响区断层影响区7228 工作面开切眼7228 工作面回风平巷7228 工作面运输平巷中央运输大巷预计收作线位置DF12DF36DF17BF12DF20BF15150 m145 m52023 年 2 月Feb.,2023（2）U型钢棚支护。采用三心拱形 U29 型钢棚支护，棚距为 650 mm，棚腿扎脚为 10；卡缆间距为400 mm；卡缆螺丝扭矩不小于 300 N m；U 型钢棚梁腿搭接长度为 400 m。弱构造影响段巷道支护断面如图 6 所示。图 6弱构造影响段巷道支护断面示意2.3强构造影响段巷道合理支护方案确定2.3.1不同支护方案下巷道围岩控制效果对比不同强化支护方案支护方式模拟结果如图 7所示。（a）方案 1（b）方案 2（c）方案 3图 7不同强化支护方案支护方式模拟结果由 2.2.1 节模拟结果可知，使用“U 型钢棚+锚索”支护能够满足一定的安全需求，但当侧压系数增大到 2.0 时，巷道受构造影响严重，上述方案无法满足支护需求。因此，考虑经济成本，当回采巷道受构造影响较小时，使用以上方案；当回采巷道受构造影响较大时，依据加固拱理论，可通过加密锚索的方式进行强化支护。针对巷道受构造应力影响较大情况（=2），提出以下 3 种强化支护方案：（1）方案 1：锚索数量每断面增加至 4 根，如图7（a）所示。（2）方案 2：锚索采取“4-5-4”间隔布置，如图 7（b）所示。（3）方案 3：锚索数量每断面增加至 5 根，如图7（c）所示。从图 7 可以看出，采取强化支护方案后，巷道围岩破坏仍以底板为主，但巷道顶板及巷道两帮破坏深度得到极大改善。当每断面采用 4 根锚索时，巷道围岩两帮破坏深度介于 0.40.8 m，巷道底板破坏深度约 1.6 m；当采用“4-5-4”方式间隔布置锚索时，巷道围岩两帮破坏深度介于 00.4 m，巷道底板破坏深度约 1.0 m；当每断面采用 5 根锚索时，巷道围岩两帮破坏深度介于 00.4 m，巷道底板破坏深度约 1.0 m，与方案 2 相比变化不大。综上分析，当需要进行补强支护时，可采用“4-5-4”间隔布置的方式加密锚索，在保证支护效果的同时，还可以节约成本。不同补强方案下巷道围岩塑性区分布如图 8 所示。（a）方案 1（b）方案 2（c）方案 3图 8不同补强方案下巷道围岩塑性区分布云图2.3.2强构造影响段巷道合理支护方案确定在棚内布置锚索补强支护，锚索采用“4-5-4”布17.8 mm6 300 mm间排距：1 600 mm1 600 mm5 1255 1933 2005 3244 600U型钢棚，棚距650mm800800400能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.162023 年 2 月Feb.,2023置。“5”布置时，顶锚索在巷中及距巷中 1400mm处各布置 1 根，间排距为 1 400 mm1 300 mm，帮锚索在两帮棚档距底板 1.5 m处打设 1 排。“4”布置时，顶锚索在距巷中 800 mm各布置 1 根，即锚索间排距为 1 600 mm1 300 mm，帮锚索在两帮棚档距底板2.5 m处打设 1 排。锚索布置方式如图 9、10 所示。图 9顶锚索布置方式图 10帮锚索布置方式U型钢棚支护参数不变。7228 工作面回采巷道强构造影响段强化支护方案如图 11 所示。图 11强构造影响段巷道支护断面3工程应用效果分析在 7228 区段运输平巷进行巷道位移观测。现场巷道表面位移实测结果表明：巷道顶板下沉量最大为 93 mm、底鼓量最大为 133 mm、两帮移近量最大为 138 mm，支护效果显著。巷道表面位移监测如图 12 所示。图 12巷道表面位移监测结果4结论（1）7228 工作面受褶皱、断层等地质构造的影响具有局部性，可采用分段支护的方法对巷道进行支护。（2）弱构造影响段巷道支护方案模拟结果表明，随着侧压系数的增大，巷道围岩破坏深度增大，单一的支护方案无法完全满足巷道的安全稳定。（3）强构造影响段巷道支护方案模拟结果表明，通过加密锚索的方式进行强化支护对巷道支护效果有明显的提升。其中采用“4-5-4”间隔布置的方式，在强化支护效果的同时还可以节省成本。（4）现场监测结果表明，7228 工作面回采巷道变形量均小于 150 mm，且无离层情况发生，说明锚索能够有效起到锚固作用，所提方案能够保障巷道的安全稳定。参考文献1张培博.深井构造极复杂软岩综合支护技术的研究与应用 J.能源技术与管理，2022，47（4）：90-93.2 曹建军.水平构造应力对深部巷道稳定性影响研究及应用 J.能源技术与管理，2016，41（3）：10-12.3 杜鹏荣.迎采动巷道动态分段支护技术研究 J.煤炭技术，2020，39（12）：23-25.4 石占忠.回采巷道分段不同支护方式支护实践 J.甘肃科技，2006（7）：27-28.5 吴晓峰.锚杆架棚支护技术在破碎顶板中的应用 J.机械管理开发，2021，36（3）：149-150.6 鲁岩.构造应力场影响下的巷道围岩稳定性原理及其控制研究 D.徐州：中国矿业大学，2008.7 栗东平，冯瑞广.不同侧压系数下矩形巷道逐步开挖的稳定性分析 J.煤矿安全，2022，53（5）：203-210.作者简介朱缪和（1995-），男，助理工程师，毕业于黑龙江科技大学地质工程专业，主要从事采矿生产技术管理工作。收稿日期：2022-08-22U型棚8001 3001 3006501 4002 5001 5003 5006501 3001 300U型棚顶锚索：17.8 mm6 300 mm帮锚索：17.8 mm3 150 mm巷中1 4008005005 1255 1931 0001 6001 5003001 7002 5003 50080顶板下沉量底鼓量两帮移近量160150140130120110