曙光煤矿多次动压扰动巷道支护技术应用研究.pdf

1152020 年第 6 期 曙光煤矿多次动压扰动巷道支护技术应用研究 杨 斌 （山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿，山西 孝义 032300） 摘 要 为解决曙光煤矿 1226 瓦斯治理巷变形破坏严重的问题，采用 FLAC3D软件模拟了 1226 瓦斯治理巷的掘进和工 作面的回采，确定支护方案为“高强锚杆 金属网 高强锚索 钢带”耦合支护体系。矿压及锚杆受力监测表明，支护承 载体性能得到了较好的发挥，巷道断面收敛量控制在合理的范围内，设计的支护技术有效提高了巷道围岩的稳定性。 关键词 煤矿巷道 动压破坏 数值模拟 修复支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.041 Study on the Application of Support Technology for Multiple Dynamic Pressure Disturbance Roadway in Shuguang Coal Mine Yang Bin （Shanxi Fenxi Mining Group Co., Ltd., Shuguang Coal Mine, Shanxi Xiaoyi 032300） Abstract In order to solve the problem of serious deation and damage of 1226 gas control roadway in Shuguang Coal Mine, the excavation and mining of 1226 gas control roadway are simulated by FLAC3D software, and the support scheme is determined as the coupling support system of “high-strength bolt metal mesh high-strength anchor cable steel strip“. The monitoring of mine pressure and bolt stress shows that the perance of support bearing body is well developed, and the convergence of roadway section is controlled in a reasonable range, the designed support technology effectively improves the stability of surrounding rock. Key words coal mine roadway dynamic pressure failure numerical simulation repair support 收稿日期 2020-01-01 作者简介 杨斌（1983-），男，山西省平遥县人，2013 年 7 月 毕业于东北大学采矿工程专业，工程师，主要从事采矿工作。 1 工程概况 山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿 主要位于山西省中部孝义市，局部区域位于晋中介 休市和灵石县境内。曙光煤矿主采 2、3 号煤层， 生产规模 90 万 t/a。上组煤（2、3 号煤层）共划分 为四个采区，首采区为井底车场附近的一采区。一 采区准备巷道和工作面回采巷道均沿煤层底板掘 进，巷道断面为矩形。1226 综采工作面可采走向长 度 2455m，倾向长度 180.5m，实体长 176m。1226 工作面所采煤层属于二叠系下统山西组 2煤，煤层 厚度平均为 2.85m，工作面沿顶底板割煤。煤层顶 底板岩性特征如图 1（a）所示。曙光煤矿属于高瓦 斯矿井，为避免工作面上隅角出现瓦斯浓度过高的 问题，设置 1226 瓦斯治理巷作为专门的回风巷， 且作为 1228 工作面的运输巷使用。工作面准备阶 段 1226 材料巷和瓦斯治理巷采用双巷掘进，煤柱 宽度为 20m，1226 工作面南部为 1228 接替工作面。 1226 工作面回采期间，1226 瓦斯治理巷围岩变形 严重，已无法满足工作面正常生产的需求，需采取 适当的措施进行加固返修。巷道布置平面图如图 1 （b）所示。 2 原巷道支护形式 曙光煤矿 1226 瓦斯治理巷掘巷期间永久支 护方式为锚杆 锚索 金属网联合支护。顶板支 护采用锚杆 锚索 金属网 钢筋梯子梁。锚 杆杆体规格为 Φ202400mm 的左旋螺纹钢，间、 排距为 9001000mm，锚固剂为 MSCKb2380 型 和 MSK2380 型树脂药卷各一支，每排 6 根，安 装时预紧力距不低于 200Nm。锚索采用规格为 Φ21.66300mm 的预应力钢绞线，每排三根，锚 固剂为一支 MSCKb2380 型和一支 MSK2380 型树脂 药卷，间排距 18002000mm，安装时预紧力不小 于 150kN，顶板钢筋梯子梁由直径 10mm 的圆钢制 1162020 年第 6 期 成，金属网为 8 菱形金属网。帮部支护采用锚杆 金属网 钢筋梯子梁。锚杆规格为 Φ201800mm 的左旋螺纹钢，锚固剂为一根 MSCKb2380 树脂药 卷，每排 4 根，间排距为 8001000mm，金属网和 钢筋梯子梁与顶板支护规格相同。1226 瓦斯治理巷 原有支护方案如图 2 所示。 （a）煤层及顶底板柱状图 （b）巷道布置平面图 图 1 地质及采掘技术背景 图 2 1226 瓦斯治理巷原支护断面图 3 围岩失稳破坏机理数值模拟研究 为探究曙光煤业 1226 瓦斯治理巷围岩失稳破 坏的机理及围岩的破坏情况，根据曙光煤矿 1226 工作面的具体情况采用 FLAC3D软件进行数值模拟 [1-2]。模拟 1226 工作面长度为倾斜 180m，1226 材 料巷和瓦斯治理巷间煤柱宽度为 20m，1228 工作面 长度为 50m，整个模型尺寸为 250（宽）80m（高） 300m（长）。模型采用莫尔库伦本构单元。 1226 材料巷和瓦斯治理巷的支护方式采用第二节所 述，模拟 1226 工作面推进 220m。模型前后左右水 平方向的位移为 0，下部边界为固定边界，模型上 部边界施加 6.76MPa 的垂直应力。模拟过程首先 进行 1226 材料巷和瓦斯治理巷的开挖，然后进行 1226 工作面和 1228 工作面开切眼，最后进行 1226 工作面的回采。模拟方案示意图如图 3 所示。 通过数值模拟得到图 4 所示结果。图 4（a）所 示结果为距掘进工作面迎头 4m 处，巷道支护后围 岩塑性区分布。由图可以看出，1226 材料巷和瓦斯 治理巷掘进期间，巷道围岩的破坏情况基本相同。 两条巷道间有 20m 的保护煤柱，掘进互不干扰。 1226 瓦斯治理巷两帮塑性破坏区基本对称，两帮塑 性区范围均在 45m，顶板塑性破坏范围为 23m， 底板塑性破坏范围为 34m，整体而言围岩塑性破 坏范围较大，帮部煤体塑性破坏较为严重。由此可 1172020 年第 6 期 知，1226 瓦斯治理巷掘进期间支护方案的支护强度 偏低。图 4（b）所示结果为，1226 工作面回采期 间工作面后方 10m 处围岩塑性区分布情况。统计瓦 斯治理巷掘进期间及邻近工作回采期间瓦斯治理巷 围岩的塑性破坏范围和围岩位移量，得到表 1 所示 的结果。 由图和表可知， 邻近的1226工作面回采后， 瓦斯治理巷围岩内的塑性破坏区进一步扩展，尤其 是煤柱帮，巷道与采空区间完整煤岩体的宽度由掘 进期间的 10m 锐减至 5m，且煤柱上方岩层中的塑 性发育区连通，使煤柱的承载能力大大下降，导致 瓦斯治理巷受到明显的采动影响，工作面回采后采 空区覆岩垮落、下沉，将导致瓦斯治理巷围岩持续 变形。工作面回采后，瓦斯治理巷的变形量同样显 著的增大，变形量增大最显著的为顶板和煤柱帮。 综上所述，1226 瓦斯治理巷掘进期间围岩位移量较 小，在 1226 工作面回采期间，巷道围岩塑性破坏 深度增大，煤柱对于巷道的保护能力减弱，瓦斯治 理巷顶板和煤柱帮的变形迅速持续增大。 图 3 数值模拟方案示意图 （a）掘进期间 （b）临近工作面回采期间 图 4 围岩塑性区分布模拟结果 表 1 数值模拟结果 位置顶板底板煤柱帮实体煤侧 塑性破坏范围 /m 掘进期间3465 回采期间4687 增幅 /33.350.033.340.0 围岩变形量 /mm 掘进期间56.446.9159.864.7 回采期间122.356.8364.9102.1 增幅 /116.821.1128.357.8 4 支护方案优化设计 根据上文数值模拟研究结果，对于 1226 瓦斯 治理巷支护方案的优化需遵循以下几点原则（1） 高强度原则。巷道围岩塑性破坏范围较大，采用以 高强预紧力锚杆为核心，提高巷道浅部围岩的力学 性能，控制围岩塑性破坏范围的扩展。（2）非对 称原则。工作面采动影响下巷道围岩出现失稳破 坏，主要破坏形式为顶板下沉和煤柱帮内移，应有 针对性地支护顶板和煤柱帮；（3）提高围岩残余 强度的原则。巷道围岩一定范围内的塑性破坏不 可避免，对破碎围岩的维护是巷道支护的主要对 象，提高破碎煤岩体的残余强度，尽可能发挥其 承载能力，减小巷道表面围岩的位移。基于以上原 则确定 1226 瓦斯治理巷返修支护方案为“高强锚 杆 金属网 高强锚索 钢带”耦合支护体系， 详细参数如下顶板锚杆规格为 Φ203000mm 的左旋螺纹钢，间、排距为 900800mm，锚固 剂为 MSCKb2380 型和 MSK2380 型树脂药卷各一 支，安装时预紧力距不低于 200Nm，顶板锚杆 间通过宽度 100mm 的钢带联接。锚索采用规格 为 Φ21.66300mm 的预应力钢绞线，每排四根， 锚固剂为一支 MSCKb2380 型和一支 MSK2380 型 树脂药卷，间排距 1200800mm，安装时预拉 力不小于 200kN，金属网为 8菱形金属网。煤 柱帮部支护锚杆规格为 Φ202400mm 的左旋螺 纹钢，间、排距为 750800mm，锚索采用规格 Φ21.64300mm 的预应力钢绞线，间、排距为 140800mm，锚杆采用一支 CK 2380 树脂药卷， 锚索的锚固方式与顶板相同；临近 1228 工作面一 侧采用规格为 Φ202400mm 的玻璃钢锚杆，间排 距为 750800mm，采用一支 CK 2380 树脂药卷。 1226 瓦斯治理巷返修优化支护方案如图 5 所示。 5 应用效果监测 采用上述优化设计的支护方案对 1226 瓦斯治 理巷进行返修，为考察支护的效果，采用十字断面 法监测巷道围岩的位移情况，并采用 YGS127（A） 型光纤光栅动态监测系统监测锚杆的受力情况 [3-4]。 结果表明，返修后的 1226 瓦斯治理巷，在工作面 推进后，巷道围岩逐渐趋于稳定，最终顶底板总移 近量约 150mm，顶板下沉量约 65mm，底板底鼓量 约 85mm，煤柱帮内移量约 70mm，实体煤帮内移 量稳定在 45mm 左右，围岩变形量较小，巷道围岩 得到了有效的控制，能够满足作为 1228 工作面运 输巷使用的断面要求。锚杆受力情况监测结果表明， 1182020 年第 6 期 工作面的瓦斯防突方案为综合治理 局部治理。综 合治理为地面钻井 工作面顺层钻孔抽采，局部治 理措施为超前排放钻孔瓦斯抽采。基于工作面的具 体数据，进行综合治理和局部瓦斯治理措施的具体 参数设计，在采前预抽后和工作面回采过程中，分 别进行瓦斯抽采效果的监测分析作业。根据监测分 析结果得出，采前瓦斯抽采后工作面区域最大残余 瓦斯含量为 5.97m3/t，工作面回采过程中未出现瓦 斯超限现象，保障了工作面的安全回采。 【参考文献】 ［1］ 杨赫 . 突出矿井瓦斯综合治理关键技术与实践 [J]. 内蒙古煤炭经济，2019（16）72. ［2］ 李少伟 . 西曲矿 19201 工作面瓦斯综合治理措施 研究 [J]. 山西煤炭，2019，39（03）74-77. ［3］ 李文超 . 玉华煤矿瓦斯抽采技术研究 [D]. 中国矿 业大学，2019. ［4］ 冉庆雷，黄光利，吴玉海，等 . 缓倾斜煤层综放 工作面瓦斯综合治理技术实践 [J]. 煤炭技术， 2019，38（03）114-116. ［5］ 黄义通，戴华宾，孙翔，等 . 高瓦斯坚硬厚煤 层综放开采瓦斯治理技术研究 [J]. 煤炭技术， 2019，38（02）94-96. ［6］ 雷红艳 . 钻屑瓦斯解吸指标 K1 临界值快速确定 方法试验研究[J].煤炭科学技术， 2019， 47 （08） 129-134. 整体支护结构受力较为均匀，支护承载体性能得到 了更好的发挥，对巷道围岩稳定的控制起到了重要 作用。 （a）锚杆支护断面 （b）锚索支护断面 （c） 顶板支护详情 图 5 1226 瓦斯治理巷返修支护示意图 6 主要结论和建议 采用 FLAC3D软件分别模拟了 1226 瓦斯治理巷 的掘进和 1226 工作面的回采，得到巷道掘进期间 和工作面回采期间围岩的塑性区分布规律和巷道变 形情况，得到 1226 瓦斯治理巷围岩失稳变形的具 体情况和内在机理，临近工作面回采导致围岩塑性 区进一步扩大，顶板和煤柱帮是变形的主要区域。 据此提出高强度、非对称等支护原则，并确定支护 方案为“高强锚杆 金属网 高强锚索 钢带”耦 合支护体系。现场应用期间通过矿压监测及锚杆受 力监测表明，巷道围岩变形控制效果良好，成功解 决了 1226 瓦斯治理巷围岩失稳破坏的问题。 【参考文献】 ［1］ 姚刚，李杰 . 高应力复杂围岩沿空巷道支护技术 研究 [J]. 西部探矿工程，2019，31（11）198- 199214. ［2］ 靳牛 .L 形回采工作面合理末采支护探讨 [J]. 煤炭 技术，2019，38（11）50-52. ［3］ 石亚男 . 综采工作面小煤柱留巷巷道支护技术研 究 [J]. 山西冶金，2019，42（05）95-97. ［4］ 韩孟博 . 不同顶板岩性的巷道支护参数设计研究 [J]. 能源与环保，2019，41（10）166-169. （上接第 114 页）