三沟鑫都煤业15号煤层工作面支护优化_靳雷忠.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月本文以三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区工作面回采巷道为工程背景，综合采用理论分析、数值模拟等方法，分析了不同的因素对支护的影响，基于此开发了高预应力锚杆锚索联合支护体系，并对此前的支护方案进行了一定的优化。采用优化的支护方案在A 工作面进行了工业性试验，支护效果理想。1工程概况晋能控股煤业集团晋圣三沟鑫都煤业位于山西省晋城市沁水县龙港镇尧都村，井田面积5.3 6 45m2，批准开采2号1 5号煤层，生产规模为6 0 0k t/a。矿井地质构造简单，主要开采1 5号煤层，煤层厚3.3 3.7m，平均厚度3.5m。1 5号煤层直接顶板主要为石灰岩、砂质泥岩、粉砂岩、泥岩。石灰岩为较硬岩层，底板为砂质泥岩、泥岩、铝土泥岩，砂质泥岩为较软-较硬岩层，顶板类型属较稳定1。由于该矿计划开采二采区，地质条件等与一采区有所变化，并且一采区工作面巷道支护方式与锚网索支护技术规范有些差异，若继续采用原巷道支护方式，属于采用类比法依据周边相邻矿井的经验进行支护，缺少一定的科学依据。因此，本项目以三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区为工程背景，通过现场调研、理论分析和数值模拟，对该矿巷道围岩的稳定性进行系统分析，结合现场实际情况对支护方式进行优化设计。这样做，对确保三沟鑫都煤业安全高效生产具有重要意义，将为三沟鑫都煤业及类似地质条件矿井巷道的支护设计提供一定的参考依据2。2回采巷道支护参数计算针对三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区工作面巷道的情况，对锚网索支护参数进行计算3。2.1锚杆长度锚杆长度的计算公式为：L=L1+L2+L3，(1)式(1)中，L为锚杆长度，m；L1为锚杆外露长度，取0.1 5m；L2为锚杆有效长度，计算得1.0 4 4m；L3为锚杆锚固长度，取0.8m。将相关数值代入式(1)中，得L=1.9 9m。设计采用锚杆长度20 0 0m m、直径2 0m m 的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，满足要求。2.2锚杆直径锚杆直径的计算公式为：d=4Qt，(2)收稿日期：2022-10-15作者简介：靳雷忠，1974年生，男，山西晋城人，工程师，主要从事煤矿开采方面的工作。三沟鑫都煤业 15 号煤层工作面支护优化靳雷忠（晋能控股煤业集团晋圣三沟鑫都煤业有限公司，山西 沁水0 4 8 2 0 0）摘要：以三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区工作面巷道为研究对象，对回采巷道支护参数进行计算，对支护优化数值进行模拟分析，确定了回采巷道支护方案。采用优化的支护方案在A工作面进行了工业性试验，试验巷道围岩变形及支护体受力监测结果表明，优化的支护方案合理、安全、可靠，有效保障了工作面的生产安全。关键词：支护；数值模拟；支护参数；锚杆中图分类号：T D 7 3文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 7 3-0 4Optimization of Working Face Support of No.15 Coal Seam in Sangou Xindu Coal IndustryCo.,Ltd.JIN Leizhong(Jinsheng Sangou Xindu Coal Industry Co.,Ltd.,Jinneng Holding Coal Industry Group,Qinshui 048200,Shanxi,China)Abstract:Taking the roadway in No.2 mining area of No.15 coal seam of Sangou Xindu Coal Industry Co.,Ltd.as the researchobject,this paper calculated the supporting parameters of mining roadway,and determined the supporting scheme of miningroadway by numerical simulation analysis of support optimization values.The optimized support scheme is used to carry out testson A working face.The results of monitoring the deformation of surrounding rock and the stress of the supporting body show thatthe optimized support scheme is reasonable,safe and reliable,and effectively ensures the safety of the working face production.Key words:support;numerical simulation;support parameters;anchor（总第2 1 0期）能源产业7 3 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0332 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月式(2)中，d为锚杆直径，m；Q为锚杆设计锚固力，取1 2 5k N；t为杆体材料抗拉强度，取4 0 0M P a。经计算：d0.0 2m，取锚杆直径d=2 2m m，满足要求。2.3锚杆间排距当锚杆间排距相等时，相应的锚杆间排距计算公式为：D=QkL2，(3)式(3)中，D为锚杆间排距，m；k为安全系数，取1.5 2.0；为岩层容重，取2 5k N/m3。将相关数值代入式(3)中，得出D=1.5 5 1.7 9m。根据计算数据，结合工程类比法及经验数据，确定锚杆间排距为14 0 0m m 16 0 0m m，满足要求。2.4锚索长度锚索长度的计算：L=L1+L2+L3，(4)式(4)中，L为锚索总长，m；L1为锚固段长度，不小于1.5m，计算得到L1为1.2m，此时取最小值1.5m；L2为自由段长，取3.0m；L3为张拉段长，取0.3 2m。将相关数值代入式(4)中，计算得出L=4.8 2m。因此，锚索长度大于4.8 2m 即可满足设计要求。结合该矿实际情况，选择锚索长度为5.4m。2.5锚索排距锚索排距可按照式(5)计算：D 3P断4B2k，(5)式(5)中，D为锚索间排距，m；P断为锚索的最低破断力，取3 5 5k N；B为巷道跨度，m；为悬吊煤岩平均容重，取1 1k N/m3；k为安全系数，取0.5。经计算，锚索排距D5.1m，选择锚索排距为4.8m 符合要求。2.6每排锚索数目的确定确定每排锚索数目时，可根据式(6)进行计算，即：N=kW/P断，(6)式(6)中，N为每排锚索数目，根；k为安全系数，取1.5；W为被吊煤岩的自重，计算得到4 6 5.3k N。将相关数值代入式(6)中，计算得N 1.9 7根，故按4.8m 的排距在顶板布置2根锚索进行加强支护满足要求。2.7锚固剂长度的确定根据锚固长度，按式(7)计算锚杆（索）锚固需要的药卷长度：L药=ksR孔2-R锚2R药2L锚，(7)式(7)中，L药为锚杆（索）需要的药卷长度，m m；ks为锚固剂损耗系数，取1.1 1.5；R孔为锚杆（索）钻孔半径，m m；R锚为锚杆（索）半径，m m；R药为树脂药卷半径，m m；L锚为锚杆（索）锚固长度，m m。针对锚杆，将相关数值代入式(7)中，得L药=6 3 9 8 7 1m m，因此锚杆应选取一支M S C K2 3 3 5、一支M S Z2 3 6 0的树脂锚固剂。针对锚索，将相关数值代入式(7)中，得L药=9 7 1 13 2 5m m，因此锚杆应选取一支M S C K 2 3 3 5、两支M S Z2 3 6 0的树脂锚固剂。3支护优化数值模拟分析3.1计算模型的建立根据晋圣三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区工作面实际建立数值模型，模型为水平模型，模型尺寸（长宽高）为5 0m 3 0m 5 0m，巷道设在模型中部，掘进方向2 0m，岩层厚度为1 0m，巷道为矩形，巷道尺寸（宽高）为4.7m 3.3m。为了更好地观察巷道周边应力状态的变化，建立巷道周边网格较密、远离巷道部分网格较疏的模型。选用应力边界条件，在模型的上边界施加均匀的垂直压应力，同时限制模型的左右边界在水平方向的移动，下部边界固定，顶板岩层容重为2 6k N/m3。3.2不同锚杆（索）排距下的支护效果研究为了更好地确定间排距，对以下两种方案进行了比较，方案的锚杆排距分别为1.6m，1.7m，锚索排距分别为3.0m。由此可知：锚杆排距为1.6m，锚索排距为3.2m 时锚杆（索）加固后围岩应力变化；锚杆排距为1.7m，锚索排距为3.2m 时锚杆（索）加固后围岩应力变化。分析应力变化数据可得：锚杆与锚索联合支护形成的有效压应力区覆盖了锚杆锚固区内和锚索自由段长度范围内的大部分区域，连接、叠加成一个范围很大的主动支护区，形成以锚索为骨架、锚杆为连续带的骨架网状结构，对锚杆、锚索之间围岩的主动支护作用非常明显4。比较1.6m，1.7m 不同排距下锚杆和锚索应力分布可知：当排距为1.6m 时，锚杆和锚索能够形成一个完整的锚固体，锚杆和锚索有效压应力区连接、重叠，形成网状结构，能够很好地控制顶板。当排距为1.7m时，锚索间的有效压应力区连接存在一定空白，锚杆有效压应力却能够很好地连接、重叠。考虑到锚索与锚杆的支护原理不同，锚索属于悬吊理论，所以用数值模拟的方法可以分析巷道锚杆（索）支护参数。4回采巷道支护方案的研究三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区工作面回采巷道沿1 5号煤层顶、底板掘进，设计断面形状为矩形，掘进宽度47 0 0m m，掘进高度33 0 0m m，断面面积1 5.5 1m2；7 4 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月净宽45 0 0m m，净高32 0 0m m，净断面面积1 4.4m2。在实际工作中，采用锚网索支护形式，即锚杆、锚索、金属网、钢筋托梁等联合支护。回采巷道支护断面如图1所示。单位：mm图 1 回采巷道支护断面图4.1顶板支护顶板采用锚杆、锚索、金属网联合支护，如图2所示。锚杆采用2 2m m 20 0 0m m 左旋无纵肋高强度螺纹钢锚杆（屈服强度不小于3 3 5M P a），每排4根，间排距为14 0 0m m 16 0 0m m；距巷道两帮2 5 0m m 各打1根锚杆，锚杆与水平面夹角7 5；采用1 5 0m m 1 5 0m m 1 0m m 的锚杆托盘；采用1 4m m 8 0m m 45 0 0m m的钢筋托梁将锚杆连在一起。采用一支M S K 2 3 3 5、一支M S Z2 3 6 0树脂药卷，锚杆锚固力不小于1 0 5k N，预紧力不小于5 5k N，预紧力矩不低于2 0 0N m5。顶部锚索选用1 7.8m m 54 0 0m m 的钢绞线，每排2根，间隔3排锚杆布置1排锚索，间排距为20 0 0m m 48 0 0m m，并采用3 0 0m m 3 0 0m m 1 6m m 的锚索托盘。采用一支M S K 2 3 3 5、两支M S Z 2 3 6 0树脂药卷，采用的锚索锚固力不小于3 2 0k N，锚索预紧力不小于1 7 8k N。采用网孔规格5 0m m 5 0m m、长宽为51 0 0m m 20 0 0m m 的金属菱形网护顶并加挂钢筋托梁，每排顶板使用1片金属菱形网，顶部网片搭接长度不得小于1 0 0m m，必须使用不低于1 4#的双股铅丝连接，连接时要做到孔孔相连、双丝双扣，呈两排“三花”布置，连接点间距不大于2 0 0m m，拧结量不得少于3圈，网片要铺平、铺展紧贴岩面。4.2煤柱帮部支护采用锚杆、金属网联合支护。帮部锚杆采用2 0m m 20 0 0m m 左旋无纵肋高强度螺纹钢锚杆（屈服强度不小于3 3 5M P a），每排3根，锚杆间排距10 0 0m m 16 0 0m m；距巷道顶4 0 0m m 垂直帮部打1根锚杆与水平方向夹角为1 5，距巷道底5 0 0m m 打1根锚杆与水平方向夹角为1 5，其余锚杆垂直巷帮。采用1 5 0m m 1 5 0m m 1 0m m 锚杆托盘，采用1 4m m 8 0m m 27 0 0m m 的钢筋托梁将锚杆连在一起。采用一支M S K 2 3 3 5、一支M S Z2 3 6 0树脂药卷，锚杆的锚固力不小于1 2 5k N，预紧力不小于6 5k N，预紧力矩不低于2 5 0N m。采用网孔规格5 0m m 5 0m m、长宽为33 0 0m m 20 0 0m m 的金属菱形网护帮，每排使用1片金属菱形网，网片搭接长度不得小于1 0 0m m，必须使用不低于1 4#的双股铁丝连接，连接时要做到孔孔相连、双丝双扣，呈两排“三花”布置，连接点间距不大于2 0 0m m，拧结量不得少于3圈，网片要铺平、铺展紧贴岩面6。4.3回采帮部支护采用锚杆、金属网联合支护。帮部锚杆采用2 0m m 18 0 0m m 玻璃钢锚杆，每排3根，锚杆间排距12 0 0m m 16 0 0m m；距巷道顶4 0 0m m 垂直帮部打1根锚杆，与水平方向夹角为1 5，距巷道底5 0 0m m锚杆规格：20 2 000间排距：1 200 1 600锚索规格：17.8 5 400间排距：2 000 4 800锚杆规格：20 2 000间排距：1 400 1 600玻璃钢锚杆规格：20 1 800间排距：1 200 1 6002 0001 4001 4001 4001 2001 20040050015151515回采帮巷道中线煤柱帮3 3003 20015154 5004 700靳雷忠：三沟鑫都煤业1 5号煤层工作面支护优化7 5 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月打1根锚杆，与水平方向夹角为1 5，其余锚杆垂直巷帮。采用1 5 0m m 1 5 0m m 1 0m m 锚杆托盘。采用一支M S K 2 3 3 5、一支M S Z2 3 6 0树脂药卷，玻璃钢锚杆锚固力不小于4 0k N，预紧力矩不低于6 0N m。采用长宽为33 0 0m m 20 0 0m m 的双向拉伸塑料网护帮，每排使用1片塑料网，网片搭接长度不得小于1 0 0m m，必须使用不低于1 4#的双股铅丝连接，连接时要做到孔孔相连、双丝双扣，呈两排“三花”布置，连接点间距不大于2 0 0m m，拧结量不得少于3圈，网片要铺平、铺展紧贴岩面。5新支护方案的工业性试验采用新支护方案在三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区A工作面运输巷中进行了工业性试验，实施了巷道表面位移监测（包括顶底板相对移近量，顶板下沉量、底鼓量，两帮相对移近量和巷帮位移量），巷道顶板离层监测，锚杆和锚索受力监测。回采巷道内各测站间隔5 0m。监测结果表明：A 工作面运输巷顶底板和两帮闭合量均为0m m；锚杆受力在9.9 5 1 5.2 5k N之间，小于设计承载能力；锚索受力在1 3.5 4 2 7.3 5k N 之间，小于设计承载能力和设计预紧力。这一结果充分说明，回采工作面支护方案合理、安全、可靠，有效保障了工作面生产的安全性。6结语以三沟鑫都煤业1 5号煤层二采区为工程背景，通过现场调研、理论分析和数值模拟的方法，对该矿巷道围岩的稳定性进行系统分析，结合现场实际情况，对支护方案进行优化设计，确定了回采巷道支护方案。采用该优化支护方案在A 工作面运输巷中进行了工业性试验，相关数值监测结果表明，工作面运输巷顶底板和两帮闭合量均为0m m，锚杆受力和锚索受力小于设计承载能力，支护方案合理、安全、可靠。将优化后的支护方案应用于实践，该支护方案更加合理、安全、经济，同时也可以为地质条件相似的大断面煤巷支护参数选择提供借鉴。参考文献：1 刘兴国.特厚煤层刀把工作面里切眼巷道支护研究 J.能源与节能，2022(7)：108-111.2 陈可夯，王朋飞，翟黎伟.特厚煤层孤岛工作面全煤巷道锚索支护技术研究与应用 J.煤矿安全，2021，52(12)：106-114.3 田锦州.特厚煤层工作面过空巷强力墩柱支护技术研究及应用 J.煤炭工程，2021，53(12)：45-48.4 段博.近距离煤层综采工作面停采支护技术与实践 J.能源与节能，2021(5)：215-216.5 刘聚友，张伏龙，樊自辉，等.不同倾角煤层区段煤柱围岩变形数值模拟研究 J.山西煤炭，2013，33(12)：28-30.6 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践 J.岩石力学与工程学报，2005，24(21)：161-166.（编辑：白洁）单位：mm图 2 回采巷道顶板支护平面图锚索规格：17.8 5 400间排距：2 000 4 800菱形网规格：5 100 2 000网格规格：50 50钢筋托梁：14 80 4 500锚杆规格：20 2 000间排距：1 400 1 6001 4001 6001 4001 4002502502 0001 6001 6001 6004 8007 6