麻地梁矿509胶带顺槽支护参数优化设计方案研究_吴劲松.pdf

麻地梁矿 509 胶带顺槽支护参数优化设计方案研究 吴 劲 松 （内蒙古智能煤炭有限责任公司 ，内蒙古 准格尔旗 017100 ） 摘要 为了解决麻地梁矿 509 胶带顺槽掘进时受到一侧临近工作面回采采动、 上覆岩层运动以及顶 板直接顶较为破碎等多相耦合作用的影响， 导致巷道变形迅速，位移量大， 矿压显现较剧烈的等问 题。本文利用 ZKXG30 钻孔成像仪技术手段对 509 工作面胶带机顺槽进行锚杆受力特征以及松动圈 发育规律分析， 对巷道顶板围岩破碎和裂隙发育情况进行评估， 提出了锚杆锚索同排协同支护方案， 共同提高了锚固体的承载能力， 保持围岩稳定， 且通过锚杆受力监测、 顶板离层变化趋势， 侧面验证巷 道支护效果明显。 关键词 钻孔窥视 ； 锚杆锚索 ； 支护技术 ； 锚杆受力监测 ； 顶板离层 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0166- 04 Research on Support Optimization Technology in 509 Belt Conveyor of Madiliang Coal Mine WU Jingsong （Inner Mongolia intelligent Coal Co., Ltd ， Zhungeerqi 017100 ， China ） Abstract The In order to solve the multi- phase coupling effect of mining, overlying strata movement and the direct roof broken when driving in 509 belt conveyor of Madiliang mine,It leads to the problems of rapid deation, large displacement and severe mine pressure.In this paper, the technology of ZKXG30 borehole imager are used to analysis of the stress characteristics of the bolt and the development lawof the loose circle in the belt conveyor of509 workingface.Based on the uation ofthe surroundingrock fragmentation and fracture development of the roadway roof, a scheme ofbolt and anchor cable co rowsupport is proposed,It improves the bearing capacity ofthe bolt, keeps the stability of the surrounding rock, and verifies the supporting effect of the roadway by monitoring the stress of the bolt and the change trend of the roof separation. Keywords drillingpeep ; bolts and cables ; supportingtechnology; bolt stress monitoring; roofseparation 0前言 随着我国经济发展对能源需求的增长， 不断加 强煤炭开采深度， 导致深部巷道围岩变形问题引起 的灾害事故愈加严重[1]。为了保证矿井安全生产， 提 高社会、 经济效益， 应加强煤岩体结构观察， 分析顶 板各种层理、 节理、 裂隙发育情况， 判断顶板完整性 和稳定性， 并在地下开采活动中使用锚杆锚索协调 支护技术以加强巷道围岩稳定控制[2]。 钻孔窥视技术能得到钻孔臂的完整图像， 通过 监测屏幕实时观测钻孔结构， 观测结果直观、 清晰、 立体感强等特点， 并得到煤矿广泛运用[3]。侯朝炯、 勾攀峰等[4]通过深入研究提出了锚杆 “ 围岩强度 强化理论 “，该理论认为锚杆支护实质是锚杆与锚 固区域的岩体相互作用组成锚固体， 形成统一的承 载结构； 康红普等[5]在分析锚杆支护作用机制的基 础上,提出高预应力、 强力支护理论,强调锚杆预应 力及其扩散的决定性作用， 指出对于复杂困难巷道, 应尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破 坏； 综上研究可知， 锚杆锚索同排协同支护技术的 日趋成熟和应用范围的扩大， 为解决复合顶板巷道 支护问题提供了新的途径。本文以麻地梁矿高水平 应力东翼 509 掘进巷道为工程背景， 采用钻孔窥视与 围岩监测相结合方法，对现场顶板破碎以及周边围 岩完整性程度进行分析， 并对现场实际上覆岩层实 际情况提出对 509 工作面胶带机顺槽有针对性的 锚杆锚索同排协调支护方案， 并进行现场工业实际 性实践， 可为同类型巷道支护提供一定有益参考。 1工程概况 1.1钻孔地质概况 麻地梁矿 509 综放工作面位于井田东翼盘区 的中部， 工作面西部为副斜井、 5 煤胶带机巷； 南部 紧邻 507 工作面未回采区域；东部临近井田边界， 走向长度约为 3322m，倾向长度约为 250m， 509 综 放工作面两顺槽均布置在 5 煤层当中，沿煤层底 板掘进，且与 507 胶带机顺槽留设 30m 窄煤柱护 巷； 2019 年 9 月 509 工作面回撤联巷掘进结束， 2019 年 10 月中旬掘进至 509 工作面胶带机顺槽。 如图 1 所示。 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 166 ChaoXing 图 1509 工作面位置关系图 5 煤层直接顶为深灰色泥岩，平均厚度 1.6m， 块状， 局部为细砂岩； 老顶为平均厚度 8.12m 的粗 砂岩， 灰色～灰白色， 平行层理； 直接底为砂质泥 岩， 平均厚度 4.79m， 深灰色泥岩或砂质泥岩； 老底 为平均厚度 10.96m 的粗砂岩。本矿井 509 工作面 附近的 M10、 47 这 2 个钻孔做过较为详细的岩石力 学性质测试， 现根据该资料将 5 煤层顶底板岩石物 理、 力学性质测试成果如表 1 表 1煤层顶底板力学参数 2围岩内部裂隙演化规律 2.1钻孔地质概况 巷道围岩结构及受力状态直接影响到支护效 果， 如能更清楚的了解巷道围岩 （顶板、 两帮） 裂隙 发育情况， 对于支护方案设计和安全评价具有指导 意义。 因此为获得 509 辅助运输顺槽、 509 工作面回 撤联巷顶板和两帮内部结构及裂隙发育情况， 结合 矿方提供的巷道地质资料、 509 工作面掘进进度以 及现场巷道的支护状况， 于 509 工作面辅助运输顺 槽（507 检修巷） 、 509 工作面回撤联巷以及回撤联 巷和 509 工作面胶带机顺槽交叉处共布置 6 个测 站进行现场观测， 测站布置如图 2。 图 2巷道测站布置图 2.2钻孔窥视 为了了解 509 胶带机顺槽的围岩变形、 锚杆受 力特征以及松动圈发育规律等情况， 根据测站位置 布置钻孔深度， 第一测站和第六测站分别布置一个钻 孔， 钻孔位于巷道中部。 其余 4 个测站， 每个测站包括 3 个测孔， 均在顶板布置， 距两帮各 1m处分别布置一 个， 巷道中心位置布置一个， 顶煤厚度 L， 钻孔深度 为 L2m（穿过顶煤层厚度以上 2m ） ，钻孔直径 42mm， 对 509 工作面胶带机顺槽外端顶板进行钻孔 窥视， 根据掘进进度及时调整掘进巷道锚杆支护设 计参数。VI 测站部分孔段的钻孔图像如图 3 所示。 图 3VI 部分钻孔窥视结果 钻孔窥视录像显示顶板 0～4.82m 为 煤 ， 4.82～7.2m 为岩石。4.28m 左右顶煤有少量夹矸， 1.58～2.54m 顶煤有一条连续的、明显的竖向裂隙， 2.84～4.69m 范围内顶煤存在多条竖向裂隙； 发现顶 板岩性差异性不大， 岩石段完整性较好， 但是不同 层位夹矸与裂隙， 呈非线性， 非均匀分布， 岩石内部 无较大破碎带及塌孔现象出现， 但是在 5.70m 左右 存在突兀竖向裂隙痕迹， 主要由于该位置是直接顶 和复合顶板交界处， 岩石内部含有少量夹矸导致存 在多个弱面产生， 岩石之间内聚力和摩擦系数降低 导致内部裂隙发育。 3巷道支护方案优化及效果分析 3.1巷道支护方案优化 在煤矿巷道锚固支护中， 顶板采用锚杆锚索同 排协同支护， 实现锚杆锚索对巷道围岩浅部加固和 深部锚固耦合作用， 使锚杆锚索对围岩周边加固区 应力叠加， 同时改善围岩深部应力分布， 发挥锚杆 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 类别岩性 物理性质 密度 （kg/m3） 岩石力学性质 拉压强度 （MPa ） 抗拉强度 （MPa ） 凝聚力 泊松比 顶板 泥 岩///// 粗砂岩260615.7- 52.21.666.50.27 底板 泥 岩257522.21.610.00.2 粗砂岩271437.73.09.10.2 167 ChaoXing 锚索同排协同支护良好效[6]。 从钻孔窥视图片中可知， 在 509 回撤联巷顶板 2m 处有明显纵向裂隙以及 5m 左右顶板岩层含有 夹矸， 含有一定横向裂隙弱化面， 根据工程类比法 的经验公式， 锚索一般锚入稳定岩层至少 1m 以上， 因此 509 工作面胶带顺槽锚索设计长度为 6.3m， 由 于顶板直接顶较为破碎、 左旋螺纹钢锚杆螺纹段长 度限制等导致顶板锚杆失效。因此在直接顶较为破 碎地段可考虑将顶板锚杆改为高强度右旋全螺纹 锚杆， 所以优化后的支护方案锚索参数为 Ф17.8 6300 mm， 间排距为 14002000 mm， 巷道顶板布置 6 根 Φ222500 mm 高强左旋锚杆、两帮布置 4 根 Φ202000 mm 全螺纹右旋锚杆，顶板锚杆间排距 为 11001000 mm，两帮锚杆间排距均为 1000 1000 mm， 具体优化设计如图 4 所示。 （a） 锚杆锚索同排协同支护预应力场 （b） 巷道支护展开图 图 4优化支护技术方案图 3.2效果分析 为了验证优化方案后的效果，在麻地梁矿 509 工作面胶带顺槽优化锚杆锚索同排协同支护方案 后， 在 509 胶带顺槽顶板 3 个测点 （1、 2、 3） 锚杆 端部安设液压枕对锚杆受力情况进行监测如图 5 所示， 在掘进开始 0～5 天阶段， 巷道原岩应力受到 掘进扰动影响， 周边围岩应力从新分布， 锚杆承受 周边围岩压力变化速率极速增大， 部分液压枕峰值 可达到 4.3MPa,然后随着掘进天数推移， 锚杆受力 先有少量下降的过程，然后在掘进 8～10 天左右趋 于稳定， 稳定后的值较初始值变化不大说明支护优 化效果良好， 顶板锚固范围围岩无较大变形。 图 5支护优化后锚杆液压枕变化趋势图 根据麻地梁地质覆存条件， 在工作面巷道布置 了光纤光栅顶板离层仪在线随时监测系统， 根据掘 进 509 工作面胶带顺槽掘进速度情况， 在 509 工作 面胶带顺槽布置 222 测站和 226 测站， 顶板离层仪 器深基点固定在钻孔深部 7m 稳定老顶中，浅基点 固定在钻孔 2.2m 处， 每个测站都有四个测试通道， 从图 6 可知， 222 测点在 509 巷道掘进前 10 天， 顶 板下沉量变化波动较大，掘进 25 天后， 222 测点和 226 测点顶板变化波动变缓， 且 222 测点、 226 测点 通道顶板下沉量变化范围 10mm 左右，锚杆锚索协 调同排支护很好保证巷道稳定性， 也侧面验证液压 枕后期数值逐渐下降结果。 图 6支护优化后顶板沉降量变化曲线图 4结论 1） 巷道在掘进时改变岩体周边的原岩应力， 引 起巷道应力从新分布， 特别在埋深高的高应力巷道 （下转第 171 页） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 168 ChaoXing （上接第 168 页） 中围岩具有塑性区、 破碎区范围大， 掘进时对上覆 岩层造成二次扰动， 且巷道断面拐角处有较大应力 集中， 更容易出现拉应力， 引起巷道两帮围岩向内 侧滑落。 2） 通过巷道布置测站进行钻孔窥视方式， 确定 509 胶带顺槽顶板 2m 左右存在纵向裂隙， 顶板岩性 差异性不大， 岩石内部无较大破碎带及塌孔现象出 现， 岩石顶板完整性较好， 提出了锚杆锚索同排协 同支护方案参数设计方案。 3） 为了验证优化方案后的效果， 对 509 胶带顺 槽顶板锚杆液压枕数据以及顶板离层进行监测， 综 上所述， 509 采煤工作面胶带顺槽锚杆的轴向载荷 在开掘后 10 天后已基本保持稳定，锚固范围内帮 部岩体稳定性好，顶板离层整体下沉量范围在 10mm， 围岩变形得到有效控制， 支护效果好。 参考文献 [1] 侯朝炯.深部巷道围岩控制的有效途径[J].中国矿业大学 学报,2017,4603467- 473. 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[6] 单仁亮,原鸿鹄,黄鹏程,李兆龙,白瑶,李晗.锚杆锚索同排 协同支护在南关矿的应用研究[J].煤炭工程,2019,5110） 86- 91. 作者简介 吴劲松 （1963.11-） ， 男， 汉族， 1984 年毕业于淮南矿业学 院采矿工程专业 （现安徽理工大学） ， 高级工程师， 现任内蒙 古智能煤炭有限责任公司董事长。 （收稿日期 2020- 2- 14） 工况 左油缸最大流 量 （L/min） 左油缸最大流 量波动 （MPa） 右油缸最大流 量 （L/min） 右油缸最大流量 波动 （L/min） 1 工况- 18.976.6521.3016.15 2 工况- 21.199.9542.9737.12 3 工况- 16.033.0118.1812.29 4 工况- 28.450.7442.8234.91 如表 1 所示，随着转向系统转速的加快和负载 的增加， 转向系统油缸压力的振摆情况越来越严重。 2） 转向油缸流量响应仿真。基于上述模型对重 载慢转 （1 工况） 、 重载快转 （2 工况） 、 轻载慢转 （3 工况） 、 轻载快转 （4 工况） 下无轨胶轮车转向 系统左右两个油缸的流量响应情况进行仿真， 仿真 结果见表 2。 表 2转向系统流量响应结果 （注 表 2 中 “- ” 代表输入流量） 分析表 2 可知， 当无轨胶轮车转向系统从右极 限位置向左转动的情况下， 右侧油缸的压力和流量 峰值均大于左侧油缸。此外， 当转速增大时对系统 流量峰值的影响增大， 当负载增大时， 系统的流量 波动也随之增大。 4总结 无轨胶轮车作为综采工作面的运输设备之一， 具有运输量大、 运输效率高的优势。然而， 在实际工 作中其转向系统常都会管路造成较大的冲击甚至 导致管路破裂。基于 AMESim 液压仿真建模软件和 ADAMS 机械仿真建模软件联合对无轨胶轮车进行 仿真分析得出 随着系统转向速度的增大， 负载的 增大对系统造成的冲击越大， 越容易造成管路破裂 等事故的发生， 为后续转向机构的优化奠定基础。 参考文献 [1] 周茂普. 矿用防爆无轨胶轮车安全保护系统的研究[J]. 液压与气动 （12） 59- 60. [2] 刘志海, 杨凯迪, 张荣华. 无轨胶轮车全液压制动系统故 障诊断研究[J]. 工矿自动化, 2016 （10） . 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