五阳煤矿7603孤岛工作面巷道围岩控制技术研究_王涛斌.pdf

五阳煤矿 7603 孤岛工作面巷道围岩控制技术研究 王 涛 斌 （潞安环能股份有限公司五阳煤矿 ，山西 长治 046200 ） 摘要 为实现对孤岛工作面巷道围岩控制问题的有效解决，以五阳煤矿 7603 孤岛工作面为例， 分 析了运输巷的支护问题和解决方法， 通过采用锚网梁组合支护、 高强锚杆以及帮顶底支护方式， 借助 于对巷道支护参数的模拟， 获取最佳参数， 并对支护方案进行优化。 结果显示， 巷道顶板和两帮的最大 移进量分别为 385mm和 577mm， 能够防控围岩变形， 保证巷道的稳定性。 关键词 五阳煤矿 ； 运输巷 ； 支护结构 ； 数值模拟 ； 围岩控制 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0050- 04 Research on surrounding rock control technology of roadway in 7603 isolated island of Wuyang Coal Mine WANG Taobin （WuyangCoal Mine Co., Ltd. WuyangCoal Mine , Changzhi 046200 , China Abstract In order to solve the problem ofsurrounding rock control in the roadway ofisolated island, the 7603 island working face of Wuyang Coal Mine is taken as an example to analyze the support problems and solutions of the transportation lane. By using anchor mesh beam com- bined support, high strength The anchor rod and the supporting ofthe top and bottom support, by means ofthe simulation ofthe road- way support parameters, obtain the optimal parameters and optimize the support scheme. The results showthat the maximum displacement of the roof and the gang of the roadway are 385mm and 577mm respectively, which can prevent and control the deation of the surrounding rock and ensure the stabilityofthe roadway. Key words Wuyangcoal mine ; transportation lane ; supportingstructure ; numerical simulation ; surroundingrock control 受相邻工作面回采所产生动压的影响， 孤岛工 作面的煤体易发生破碎， 加剧了支护结构的设计难 度， 加之工作面自身回采的影响， 极容易导致巷道 围岩在较大的巷道矿压下发生变形， 对采矿安全性 形成威胁， 因此， 探索孤岛工作面巷道围岩控制技 术， 显得十分必要。因此， 以五阳煤矿 7603 孤岛工 作面为工程对象， 综合利用数字模拟和理论分析等 方法， 对其支护方案和围岩控制技术进行了探索。 1工作面地质概况 五阳煤矿 7603 孤岛工作面的埋藏深度介于 429m 到 514m 之间， 主采 3 煤层， 平均煤层厚度为 6.16m， 煤层倾角介于 3到 15之间， 平均倾角为 7左右。7603 临近的 7601 和 7605 工作面的回采 工作已经结束， 因而， 7603 工作面属于孤岛工作面。 7603 工作面的运输巷与 7605 工作面接近，巷道断 面为倒梯形， 保护煤柱高 30m， 巷道宽 5.5m， 两帮分 别长 4.2m 与 3.5m。运输巷的底板主要以砂岩和泥 岩为主， 顶板以泥岩、 砂泥岩以及砂质泥岩为主。在 巷道掘进过程中，在相邻工作面动压的作用下， 会 导致两帮发生严重变形，同时会引发底鼓现象， 7603 工作面位置示意图如图 1 所示。 图 17603 孤岛工作面示意图 2运输巷的支护问题和设计方案 2.1巷道支护问题 1） 在运输巷的掘进过程中， 顶板较为完整， 未 出现明显变形和下沉现象，局部地段发生底鼓， 两 帮存在严重变形。 2） 巷道支护之间缺乏有效连接， 支护整体性欠 佳， 巷帮支护未能利用顶板承载力， 未能构成同控 体系。 3） 锚杆锚索未倾斜安装， 无法形成协调支护结 构。 2.2支护设计方案 在明确巷道支护问题及工作面地质概况的基础 上， 7603 工作面运输巷道支护结构设计方案如下 1） 针对巷道围岩稳定性差的问题， 应在利用锚 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 50 ChaoXing 网梁组合以及高强锚杆进行支护的同时， 强化网的 韧性和梁的强度， 构建高强锚固体系， 以此， 来实现 对巷道围岩变形的科学防范， 并将应力作为参考依 据， 合理选用全长锚固或者加长锚固方式。 2） 借助于数值模拟分析， 明确不同支护参数对 围岩稳定性的影响， 选择最优锚杆参数， 结合巷道 施工信息反馈，对巷道支护方案进行科学设定， 制 定最佳支护方案。 3） 实现锚杆与锚索的有机结合， 提升支护结构 的整体性能， 防止因局部应力过大， 对整个支护结 构造成破坏。同时， 为了防控围岩变形， 应倾斜安装 锚杆， 提升巷道帮顶底的整体性。 3巷道支护参数模拟数值分析 结合 7603 工作面的地质条件， 构建模型图如图 2 所示。模拟埋藏深度 460m， 模型长、 宽、 高分别为 230m、 120m和 160m， 模型底部为固定边界， 4 个侧面 可水平移动。该模型的单元和节点分别为 450560 个 和 473387 个。巷道顶底板力学参数见表 1。 图 2数值模拟模型图 表 1顶板和底板的力学参数表 3.1模拟方案 选用正交模拟方法， 在原巷道支护参数的基础 上， 重点优化相关参数。 1）若锚杆 （索） 采取垂直安装方法， 锚杆间排距 设置为 900mm900mm， 锚索为 7300mm， 则锚杆的 模拟长度可设置为 2.0m、 2..2m、 2.4m、 2.6m、 2.8m， 巷道围岩应力状况。 2）若锚杆（索） 采取垂直安装方法，锚杆长 2.4m， 锚索为 7300mm， 则模拟锚杆间排距可设置为 800mm800mm、 900mm900mm、 1000mm 1000mm、 1100mm1100mm， 巷道围岩变形规律。 3）若锚杆间排距设置为 900mm900mm， 锚索 长 7300m， 锚杆长 2.4m， 若实施垂直安装方式， 模拟 顶板锚索采取 “303” 以及 “323” 五花布置， 巷道围岩 变形规律。 4） 若锚索长度和锚杆长度分别为 7300mm 和 2.4m， 锚杆间排距设置为 900mm900mm， 模拟巷 道两帮锚杆摸索倾斜 15、 10、 5和垂直布置 时， 巷道围岩变形情况。 3.2锚杆长度模拟结果 如图 3 所示， 随着锚杆长度的增加 （2.0m 增长 至 2.4m ） ， 顶板下沉量和窄煤柱帮、 实体煤帮移进量 明显缩小，底鼓量变化不明显。基于锚杆长度为 2.8m 时，巷道围岩变形未在锚杆 2.4m 的基础上发 生改变， 据此可将锚杆长度设定为 2.4m。 （a） 锚杆长度 2m （b） 锚杆长度 2.4m （c） 锚杆长度 2.8m 图 3不同锚杆长度下的巷道围岩变形云图 3.3锚杆间排距模拟结果 如图 4 所示，若锚杆间排距为 1100mm 1100mm， 巷道最大变形量为 215.1m， 随着间排距的 缩小， 最大变形量也逐渐降低， 这一结果表明锚杆 间排距过大， 容易降低巷道稳定性， 因此， 应将锚杆 间排距设定在 800mm 到 1000mm 之间。 （a） 800mm800mm（b） 900mm900mm （c） 1000mm1000mm （d） 1100mm1100mmd 图 4不同锚杆间排距下的巷道围岩变形云图 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 岩性 厚度 （m ） E （GPa） G （GPa） C （MPa） μ γ （kg/m3） Φ Rt （MPa） Re （MPa） 砂质泥岩3.529.715.07.00.232500242.326.1 细粒砂岩4.372.546.914.00.212850335.062.7 长石泥岩9.833.516.37.50.312600262.227.2 砂质泥岩1.618.415.67.30.512500152.923.4 3 煤6.315.214.22.90.111250212.426.5 泥岩2.026.612.24.80.352650382.125.1 砂岩11.064.750.113.60.242400245.623.8 砂质泥岩2.630.212.77.30.232500232.326.7 51 ChaoXing 3.4锚索布置方式模拟结果 如图 5 所示， 与 “303” 布置方式相比，“323” 布 置方式能够实现对顶板变形的有效控制。考虑到 7603 孤岛工作面底鼓和两帮变形严重的现状， 采用 “323” 方式对顶板锚索进行布置， 容易导致巷道维 护成本增加， 为了防范顶板变形， 在锚索布置过程 中， 采用 “303” 布置方式。 （a） “323” 布置方式（b） “303” 布置方式 图 5不同锚索布置方式的巷道围岩变形云图 3.5帮锚杆锚索角度模拟结果 基于整体性原则， 应将锚杆倾斜安装， 使杆尾 能够锚固在巷道顶底板， 借助于托梁对顶板和巷帮 进行支护， 形成整体， 产生对巷道围岩变形的控制 作用。如图 6 所示， 巷道水平位移量随着倾角的增 大而逐渐缩小，当煤柱侧的巷帮变形量逐渐减小， 实体煤侧的变形量也随之减小。当倾角为 15时， 变形量为垂直状态的 47.4％，当倾角为 10时， 变 形量为垂直状态的 53.7％， 因此， 为了降低施工施 工成本， 简化施工流程， 建议将运输巷帮锚杆锚索 的倾角设置为 10。 （a） 0（b） 5（c） 10（d）15 图 6不同倾角下的巷道水平位移云图 4巷道支护方案及支护效果 4.1围岩变形控制方案 根据数值模拟分析结果， 将巷道围岩控制方案 参数设计如下 1） 顶板支护。选用左旋无纵筋螺纹钢的高强锚 杆作为顶锚杆， 规格为 d22mm2400mm， 锚杆间排 距设置为 850mm900mm， 每排 7 根， 预紧扭矩设 置为 400N m，顶板借助于金属网和直径为 16mm、 长度为 5500mm 的钢筋梯子梁进行辅助支护，锚索 规 格 为 d22mm 73900mm， 金 属 网 的 规 格 为 5500mm1000mm， 以 303 五花布置方式为主， 间排 距设置为 1600mm1800mm， 借助于 Z2360 型树脂 锚固剂（2 支） 和 K2335 型树脂锚固剂进行锚固处 理， 锚固长度应≥1.97m， 预紧力应≥400KN。 2） 巷帮支护。选用左旋无纵筋螺纹钢的高强锚 杆作为顶锚杆， 规格为 d22mm2400mm， 锚杆间排 距设置为 900mm， 下帮设置 4 根锚杆， 上帮设置 4 根 锚杆， 间排距 950mm， 预紧扭矩设置为 400N m。 梯子 梁的规格为 d16mm， 上、 下帮长度分别为 4100mm 和 3500mm。上帮金属网的规格为 4100mm1000mm， 下帮金属网的规格为 3500mm1000mm，在煤柱侧 安装长 5300mm 的锚索， 每排设置 2 根锚索， 间排距 设置为为 1800mm1800mm，上部锚索向上倾斜 10， 距离顶板 1000mm， 下部锚索向下倾斜 10， 距 离底板 700mm。预紧力和锚固方式与顶板支护相同。 4.2工业性检验 原巷道的两帮变形量约为 1000mm，锚杆锚索 存在严重损耗， 无法形成巷道安全性的保障。为了 科学评判巷道支护质量， 持续检测了运输巷的位移 情况。结果显示， 顶板和两帮的最大移近量分别为 385mm 和 577mm， 顶板和两帮的变形均处于可控范 围内。总的来说， 新支护方案实现了对围岩有害变 形的科学防控， 有助于确保各项生产正常进行。 图 7巷道支护效果 5结论 1） 通过对运输巷支护问题进行分析发现， 巷道 两帮存在明显变形， 底鼓现象存在于部分地段， 因此， 应实施锚网梁组合支护方法， 选用高强锚杆， 实现帮 顶底的同步控制， 实现对围岩变形的科学防控。 2） 通过对数值模拟分析， 基于不同锚杆安装倾 角、 布置方式、 锚杆长度以及间排距下的巷道围岩 变形情况， 并据此选择最佳支护参数。 3） 结合数值模拟结果， 对五阳煤矿 7603 孤岛 工作面的围岩变形控制方案进行了设计，结果显 示，巷道围岩和两帮的最大移尽量均在允许范围 内， 有效提升了巷道的安全性。（下转第 55 页） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 52 ChaoXing （上接第 52 页） 参考文献 [1] 赵富贵. 煤矿孤岛工作面回采巷道围岩控制技术研究[J]. 煤炭科技,2018 （03） 125- 127. [2] 白璐,董飞,郭利军,王凯.孤岛工作面回采巷道围岩变形 机理研究[J].煤炭与化工,2018,41 （02） 47- 4952. 作者简介 王涛斌 （1988.11-） ， 男， 汉族， 山西省屯留县人， 大学本 科， 2012 年 7 月毕业于大同大学采矿工程专业，助理工程 师， 研究方向 煤矿巷道掘进。 （收稿日期 2019- 1- 28） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 的掌握。 3 ） 用户操作界面采用 Windows 风格进行设计， 工作人员可以很容易的上手操作， 便于实现系统与工 作人员的交互性。 图 2建筑物受采动损害评估可视化系统登入界面及主界面 3.2系统部分功能的使用 1 ）数据的导入与查询。用户通过将预计系统预 计得出的基础数据 txt 文件导入建筑物受采动损害评 估可视化系统， 系统将立即将其存储至数据库， 用户 可以实时的查看预计结果。如图 3 所示， 为数据的导 入及查询。 图 3系统数据的导入及查询 图 4建筑物受采动损害等级范围图 2 ）建筑物受开采损害的可视化。该系统可以绘 制矿区地面建筑物受开采损害的等级图以及建筑物 受开采损害的范围图， 来实现建筑物受开采损害的可 视化功能。该功能可以清晰、 直观的看到矿区开采对 其地面沉陷影响及建筑损害的情况， 为矿区提供有效 的开采及维护建议。如图 4 所示， 为某矿建筑物受采 动损害等级范围图。 4结论 针对煤矿开采对地面及地面建筑损害影响， 本文 深入研究煤矿开采对地面建筑的损害程度， 设计了建 筑物采动损害评估可视化系统。根据该系统实现目 标， 确定系统所需数据及应该具备的功能。根据系统 结构设计原则， 按照系统分层处理的理念， 将系统设 计为数据层、 处理层和用户层三个阶段， 分别实现系 统的七大功能。同时， 简单介绍了该系统的界面登入 及部分功能使用， 对该系统的使用及推广具有一定借 鉴意义。 参考文献 [1] 刘潇鹏. 多源因素影响下的煤矿区建筑物损坏机理及评 价技术的研究与应用[D].安徽理工大学,2016. [2] 魏晓刚,麻凤海,刘书贤.煤矿采动建筑地震动力灾变与防 控研究的现状与发展趋势 [J]. 地震研究,2015,3804 674- 688. [3] 白春. 矿区煤炭开采对建筑物抗震性能扰动研究[D].辽宁 工程技术大学,2015. [4] 张雪芹. 煤矿开采对地面村庄建筑损害评估的可视化研 究[D].太原理工大学,2015. [5] 张元振. 策底镇建筑物下安全开采研究 [D]. 西安科技大 学,2013. 作者简介 肖璐 （1991-） ， 男， 湖南衡阳人， 2018 年 6 月毕业于湖南 工业大学科技学院土木工程专业， 职称 工民建助理工程师， 现从事矿山地质工作。 （收稿日期 2018- 8- 20） 55 ChaoXing