庞庞塔矿北翼回风大巷围岩失稳破坏原因及支护技术研究_韩少林.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1工程概况 霍州煤电集团庞庞塔煤矿位于山西省临县程家 塔吉家庄阳泉村一带， 井田平面形态基本呈一长 方 形 ， 南 北 长 约 9km， 东 西 宽 约 1.5km， 面 积 13.2639km2。井田内含煤地层为太原组和山西组， 主 要可采煤层为 5 上 、 5、 9 煤层。庞庞塔煤矿 2017～2021 年开采 9 号煤层， 9 煤层赋存稳定， 结构 较复杂， 平均煤层厚度 11.8m， 煤层内部含有一到两 层夹矸； 9- 101 综放工作面采用一次采全高综采放顶 煤走向长壁采煤法。9- 101 工作面机采高为 3.2m， 割 煤步距 0.8m。9 煤层总厚度 11.8m， 采煤机割煤高度 3.2m， 放煤厚度 8.6m， 采用单轮顺序放煤步距 0.8m， 采放比 1 2.69。 9- 101 工作面西侧为矿井北翼的三条 大巷， 北部为采区边界， 东侧为 9- 103 工作面 （未掘 ） ， 南侧为一采区的三条上山。 9- 101 工作面对应地表范 围内北部为我矿煤场及保安煤柱， 中部为 104 省道连 接的庞庞塔沟内公路、庞庞塔沟内季节性河流。 9- 101 推进方向和北翼回风大巷斜交， 随着工作面的 不断推进， 北翼回风大巷和 9- 101 工作面间的煤柱宽 度逐渐减小， 北翼回风大巷在 9- 101 工作面回采期间 围岩出现了明显的失稳破坏， 为控制北翼回风大巷围 岩的进一步破坏展开研究。 2北翼回风大巷原有支护方案 庞庞塔矿 9 煤层北翼回风大巷为矩形断面， 断 面尺寸宽高 5.64.2m， 沿 9 煤层泥岩底板掘进， 巷道围岩为松软破碎的煤体。 北翼回风大巷原有支护 方式为锚杆＋锚索 钢带 金属网联合支护。顶板 锚杆采用 φ222200mm的左旋螺纹钢高强度锚杆， 锚杆间排距均为 800mm， 每排共七根锚杆， 沿巷道中 心线对称布置，托盘采用规格为 1501508mm的 蝶形托盘， 锚杆间通过七孔平钢带连接， 钢带宽度为 100mm， 长度为 5000mm， 所有锚杆均垂直顶板安装， 锚固剂采 K2335 和 Z2360 树脂药卷各一支，顶板金 属网采用由直径为 6.5mm 铁丝制成的网孔为 150 150mm 的菱形网。顶板锚索为 Φ17.87300mm 的 1860 钢绞线，锚固剂为两支 K2335 和一支 Z2360 树 庞庞塔矿北翼回风大巷围岩失稳破坏原因及支护技术研究 韩 少 林 （霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿 ， 山西 临县 033200 ） 摘要 庞庞塔矿 9- 101 工作面回采期间其临近的北翼回风大巷出现明显的失稳变形现象，通过数 值模拟、 理论分析及现场矿压监测表明， 北翼回风大巷主要变形形式为两帮内挤， 其保护煤柱宽度大 于 80m 时基本不再受采动的影响， 设计将 9- 101 工作面回风巷和措施巷内移 50m， 并采用锚杆锚索 对北翼回风大巷两帮补强支护，采取以上措施后，两帮移近最大为 30mm，顶底板移近量最大为 13mm， 能够满足其安全正常使用的断面需求， 取得了良好的围岩控制效果。 关键词 保护煤柱 ； 特厚煤层 ； 现场监测 ； 数值模拟 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0092- 04 Study on the causes of surrounding rock instability and supporting technology of the north wing return wind roadway in pangpongta mine HAN Shaolin （Pangpangta Colliery, Lvlin EnergyChemistryCo., Ltd. OfHuozhou Coal ElectricityGroup , Linxian 033200 , China ） AbstractTower PangPang ore during 9- 101 mining face near the north wing of return air alleys appear buckling deation phenomenon, through the numerical simulation and theoretical analysis and field mine pressure monitoring shows that the north wing return air alleys within the main deation s for twocrowded, its protection coal pillar width is greater than 80 mbasic nolonger affected bymining, design will return air lane and the measure of 9- 101 working face of lane in 50 m, and USES the anchor bars to north wing return air distributing alleys two strong support, after the above measures, two nearly 30 mm maximum help move, roof and floor closer quantity is 13 mm, maximum to meet the demand ofthe safe and normal use ofcross section,Good control effect ofsurroundingrock is obtained. KeywordsProtect coal pillars ; Extra- thick seam;On- site monitoring; The numerical simulation 92 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 脂药卷锚固剂， 预紧力不小于 100kN， 沿巷道中心线 对称布置， 每排五根， 中心线处一根， 靠近中心线两侧 的两根间距为 1600mm， 肩角处的间距为 1200mm， 排 距为 1600mm， 两侧肩角处的锚索向外侧倾斜 15安 装。两帮支护采用锚杆的规格与顶板锚杆相同， 每侧 布置六根， 靠近底角的锚杆安装时俯角为 15， 其余 锚杆垂直煤壁安装， 两帮的金属网和钢带型号与顶板 相同， 钢带的长度为 4000mm； 支护完成后在北翼回 风大巷围岩表面喷射厚度为 100mm的 C20 水泥混凝 土， 北翼回风大巷支护详情如图 1 所示。 （a ） 锚杆支护断面 （b） 锚索支护断面 图 1北翼回风大巷原有支护方案 3北翼回风大巷变形机理 根据庞庞塔矿北翼回风大巷面临的特殊地质条 件， 9- 101 工作面剧烈的采动影响对北翼回风大巷围 岩的稳定性影响很大，为考察不同煤柱宽度条件下， 9- 101 工作面回采对于北翼回风大巷稳定性的影响， 采用 FLAC3D 数值模拟软件建立图 2 （a ） 所示三维数 值模型[1～2]， 模型长度为 230m， 宽度 200m， 高度70m， 9 煤层平均埋深为 650m， 模型上部施加 16.25MPa 的均 布载荷，模拟北翼回风大巷的尺寸宽高 5.6 4.2m， 模型边界条件 底板边界为固定边界， 左右边界 X 方向位移受到约束，前后边界 Y 方向的位移受到 约束， 模型顶面为自由边界， 模型的边界条件如图 2 （b ） 所示。9- 101 工作面与北翼回风大巷煤柱宽度分 别为 20～80m， 每 10m为一个梯度。 （a ）数值模型（b）边界条件 图 2模型示意图 对不同煤柱宽度条件下 9- 101 工作面回采后， 北 翼回风大巷围岩的受力的位移情况进行统计， 根据模 拟结果， 北翼回风大巷左帮煤岩体受力受到工作面的 采动影响最为明显， 由于篇幅所限， 仅将北翼回风大 巷煤岩体内应力的变化规律给出。 由图 3 所示的结果 可以知， 煤柱宽度为 20m～40m时， 北翼回风大巷左帮 煤柱内垂直应力呈单峰分布， 煤柱内垂直应力最大可 达 31.5MPa， 应力集中系数为 1.80 左右， 此时工作面 回采对煤柱内应力有很大影响；煤柱宽度为 50m、 60m 时， 煤柱内呈现增大平稳增大的趋势， 距离 巷道较近的煤柱内应力基本不受工作面回采的影响， 但是远处煤柱内应力集中系数为 1.6 左右， 此时工作 面回采对巷道围岩稳定性存在一定影响； 煤柱宽度为 80m时，巷道左帮煤柱内垂直应力先增大后平稳， 应 力集中系数为 1.05， 说明此时工作面回采对巷道的稳 定性基本没有影响。根据以上分析可知， 9- 101 工作 面与北翼回风大巷间煤柱的宽度对于巷道围岩的稳 定性影响较大， 当煤柱宽度小于 50m 时， 巷道受到采 动影响较大， 煤柱宽度大于 80m 时， 北翼回风大巷围 岩基本不再受 9- 101 工作面采动的影响。 图 3左帮煤岩体内垂直应力变化规律 4北翼回风大巷围岩失稳治理措施及效果 4.1保护煤柱宽度调整 根据前文的模拟结果可知， 9- 101 工作面与北翼 回风大巷间煤柱宽度的大小对巷道围岩稳定性影响 很大， 并且随着 9- 101 工作面继续推进， 煤柱的宽度 93 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 会越来越小，北翼回风大巷围岩的变形会更加剧烈， 为了维护该巷道在服务期间的安全使用， 设计调整保 护煤柱的宽度， 原有设计的保护煤柱在 9- 101 工作面 停采线处仅有 25m， 该煤柱宽度条件下， 北翼回风大 巷的围岩破坏会很严重， 因此为了增加保护煤柱的宽 度， 从 9- 101 回风巷的 C19 点开始， 将 9- 101 回风巷 向内侧偏移 50m， 措施巷也同时向内偏移 50m， 保证 北翼回风大巷与 9- 101 工作面间煤柱宽度在 80m 左 右。 9- 101 工作面回采巷道具体的偏移情况如图 4 所 示。 图 4北翼回风大巷保护煤柱宽度调整示意图 4.2北翼回风大巷加固 北翼回风大巷围岩位移严重的巷段和对应 9- 101 工作面前方的巷段均需要修护和加固， 根据其 围岩失稳破坏的情况可知， 北翼回风大巷失稳破坏主 要表现为两帮内挤严重， 因此需对两帮进行补强支护 [3～4]。两帮原有支护为长度为 2200mm的锚杆， 支护效 果很不理想，因此补强支护的锚杆长度增加为 2600mm， 并且巷道两帮为松软破碎的煤体， 采用锚索 支护预计会取得更好的围岩控制效果， 补强支护的断 面如图 5 （a ） 所示， 由于锚杆锚索布置太过复杂， 仅将 补强支护的锚杆锚索给出，每排布置锚杆锚索共五 根，交替布置，间排距均为 800mm，锚索采用 Ф17.8 5500mm 的 钢 绞 线 ， 锚 杆 采 用 Ф22 2600mm 的螺纹钢，锚杆锚索通过规格为 3400 1805mm 的 W 型钢带横向连接，靠近顶底板的锚 杆 （索 ） 安装时仰角、 俯角均为 15， 北翼回风大巷补 强支护的详情如图 5 所示。 4.3北翼回风大巷围岩控制效果 调整北翼回风大巷煤柱宽度和补强支护后， 对其 巷道围岩的围岩情况进行监测，得到图 6 所示的结 果， 北翼回风大巷补强支护完成后， 顶底板移近量约 为 10mm， 两帮移近量为 25mm， 9- 101 工作面采动影 响下，两帮移近增大至 30mm，顶底板移近量增至 13mm， 总体而言， ， 巷道位移变形很小， 围岩稳定性很 好， 能够满足其安全正常使用的需求。 （a ） 补强支护断面图 （b） 两帮补强支护 图 5北翼回风大巷补强支护方案 图 6北翼回风大巷围岩位移变化特征 5结论 庞庞塔矿 9- 101 工作面回采期间， 其西侧的北翼 回风大巷围岩出现明显的失稳现象，通过数值模拟、 理论分析得知， 北翼回风大巷围岩主要变形形式为两 帮内挤， 9- 101 工作面采动对巷道围岩稳定性影响较 大，保护煤柱的宽度大于 80m 时北翼回风大巷基本 不再受采动的影响， 因此设计将 9- 101 工作面的回风 巷和措施巷内移 50m， 并采用锚杆锚索对北翼回风大 巷补强支护， 应用过程中进行围岩位移监测， 北翼回 风大巷受到 9- 101 工作面采动的影响明显变小， 两帮 移近最大为 30mm， 顶底板移近量最大为 13mm， 能够 满足其安全正常使用的断面需求， 取得了良好的应用 效果。（下转第 97 页 ） 94 ChaoXing （上接第 94 ） 参考文献 [1] 葛万成.近距离开采巷道压力集中区巷道维护技术[J].煤 炭工程,2018,50 （S1） 61- 63. 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[5] 晋煤寺河矿西井区采掘工作面合理通风方式研究. 河南 理工大学， 2014. [6] 国家煤矿安全监察. 煤矿安全规程. 煤炭工业出版社 2016. 作者简介 郭恩超 （1983-） ， 男， 山西晋城人， 助理工程师， 2007 年 毕业于辽宁科技学院公路与城市道路， 2014 年取得河南理 工大学采矿工程毕业证， 现在晋煤集团寺河矿通风管理部从 事 “一通三防” 瓦斯治理工作。 （收稿日期 2019- 9- 7） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 97 ChaoXing