下霍煤矿2308运输顺槽支护优化及应用研究_宋楷.pdf

812023 年第 5 期宋 楷：下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究宋 楷：下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究宋 楷（山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿，山西 长治 046600）摘 要 下霍煤矿 2308 运输顺槽掘进初期矿压显现剧烈，顶底板及两帮位移量较大。根据地质条件、理论计算、钻孔窥视、工程实践经验，对 2308 运输顺槽支护参数进行优化。监测结果表明，优化后巷道顶底板、两帮最大移近量为 188 mm、159 mm，围岩变形量较小，支护参数优化设计合理有效。关键词 运输顺槽；支护；优化中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.027Support Optimization and Application Research of the 2308 Transportation Trough in Xiahuo Coal MineSong Kai(Shanxi Sanyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Xiahuo Coal Mine,Shanxi Changzhi 046600)Abstract:At the initial stage of excavation along the 2308 transportation trough in Xiahuo Coal Mine,the mine pressure shows intense behavior,and the displacement amount of the roof,floor,and two sides is relatively large.Based on geological conditions,theoretical calculations,borehole observation,and engineering practice experience,optimize the support parameters of the 2308 transportation trough.The monitoring results indicate that after optimization,the maximum displacement amount of the roof,floor,and two sides of the roadway is 188 mm and 159 mm,and the deformation amount of the surrounding rock is relatively small.The optimization design of support parameters is reasonable and effective.Key words:transportation trough;support;optimization收稿日期 2022-11-08作者简介 宋楷（1988），男，山西长子县人，2014 年毕业于中国矿业大学（北京）资源与安全学院采矿工程专业，研究生，工学硕士，工程师，研究方向：矿山压力与岩层控制。宋 楷：下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究宋 楷：下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究1 工程概况晋能控股集团长治公司中能下霍煤矿 2308 运输顺槽位于 3#煤层二采区，工作面标高+410+450 m，巷道设计为矩形断面，掘宽高=5.6 m3.6 m，掘进断面 20.16 m2，设计长度 1 680.3 m。西翼皮带大巷西端开口，开口掘进方位角 270，沿煤层顶板掘进，支护形式为锚网与锚索联合支护。2308 运输顺槽拐弯后以 18450 方位掘进 185.8 m 处，东侧 29.2 m 有 DF23 正断层，落差 2 m，倾角 60。掘进至断层构造影响区域时，矿压显现剧烈，巷道围岩破碎范围大、变形量大。在 2308 运输顺槽掘进初期，煤柱侧顶板下沉明显，顶板侧鼓，局部出现掉包、浆皮开裂掉渣等问题，必须对原有支护方案进行优化1-2。2 原有支护方案及围岩深部裂隙发育分析2.1 原有支护方案分析2308 运输顺槽掘进原支护形式为锚网与锚索联合支护，断层影响区架设 U 型钢棚加强支护。顶板锚杆采用18 mm2000 mm螺纹钢锚杆，间排距为 950 mm1000 mm，采用一支 MSK2335和一支 MSZ2360 树脂锚固剂锚固。顶锚索采用 21.6 mm6000 mm 高强度低松弛预应力钢绞线，间排距 1400 mm1000 mm，“3232”布置，一支 MSK2335 和两支 MSZ2360 树脂锚固剂锚固。帮锚杆采用 18 mm2000 mm 螺纹钢锚杆，间排距 900 mm1000 mm，采用一支 MSK2335 和一支 MSZ2360 树脂锚固剂。2.2 运输顺槽围岩深部裂隙发育分析为掌握 2308 运输顺槽原有支护方案下围岩变形及稳定性情况，布置了 3 个窥视孔。1 号窥视孔围岩破坏情况如图 1。822023 年第 5 期（a）深度 0.6 m （b）深度 1.0 m（c）深度 2.5 m （d）深度 3.1 m图 1 1 号窥视孔围岩破坏情况根据 1 号钻孔窥视结果可知，巷道顶板上方01.0 m 范围为轻微破碎区域，钻孔 0.50.6 m 处有一组明显纵向裂隙，周边有较多微裂隙；1.02.5 m范围为明显破碎区域，存在多处较大纵向裂隙、横向裂隙、环向裂隙，出现局部变形区；2.53.1 m 范围为无明显破碎区域，均为纵向裂隙，部分纵向裂隙延伸到 4.1 m，但围岩完整性明显提升。初步判断顶板岩层深部临界失稳范围为 2.40 m。通过高斯拟合得到裂隙数量随钻孔深度的变化情况，进一步计算得到煤柱侧煤体深层临界失稳范围为 2.33 m。3 运输顺槽支护方案优化研究3.1 支护验算计算分析3.1.1 锚杆支护参数计算1）锚杆长度计算锚杆长度计算公式：l=l1+l2+l3 （1）式中：l1为外露长度，取 0.1 m；l2为锚杆有效长度，m；l3为锚杆深入稳定岩层长度，取0.30.4 m。l2的有效长度计算（按照加固拱理论）：l2=N（1.1+B/10）1.0（1.1+5.6/10）=1.66 m （2）式中：N 为围岩稳定影响系数，一般为 0.91.2，取系数 1.0。根据以上计算，锚杆长度为：l=l1+l2+l3=0.1+1.66+0.4=2.16 m因此，原锚杆长度为 2.0 m 不满足要求，锚杆长度取 2.4 m 较合适。2）锚杆直径计算锚杆直径计算公式：t=4/dQ （3）式中：d 为锚杆直径，m；Q 为锚杆锚固力，取 0.127 MN；t为锚杆抗拉强度，取值 455 MPa。将数据代入公式计算得：()=4 0.127/3.14 455=0.019 md因此，原锚杆直径为 0.018 m 不满足要求，锚杆直径取 0.022 m 较合适。3）锚杆间排距计算锚杆间排距可采用下列公式进行计算：C111GDPKb=（4）式中：D1、P1分别为锚杆间、排距，m；GC为锚杆设计锚固力，取值为 127 kN；K 为安全系数，取值为 2.5；为被悬吊岩层的重力密度，取值为 25 kN/m3；b1为冒落拱高度，m。()1tan 452ahbf+=（5）式中：a 为巷道掘进半宽，m；h 为巷道高度，m；f 为顶板岩层普氏系数，3；为两帮围岩的似内摩擦角，=arctan（f顶），72。将以上数据代入公式得：D1=P1=1.34 m 故锚杆间排距取值不大于 1.34 m。故原顶锚杆间排距 950 mm1000 mm、帮锚杆间排距 900 mm1000 mm 满足要求。4）锚杆锚固长度计算对于高强树脂金属锚杆，通过锚固体粘结力提供锚固力。锚固长度计算公式如下：l锚=KNt/Dqr=1.08 m （6）式中：l 锚为锚固长度；K 为安全系数，取1.6；Nt为设计锚固力，127 kN；D 为锚固直径，30 mm；qr为锚固体与孔壁间粘结强度，2 MPa。计算所得锚固长度应不小于 1.08 m。3.1.2 锚索支护参数计算1）锚索长度计算锚索长度计算公式：L=La+Lb+Lc+Ld （7）式中：L为锚索总长度，m；La为锚索深入长度，计算得2.00 m；Lb为需悬吊不稳定岩层厚度，3.75 m；Lc为托盘及锚具厚度，0.07 m；Ld为外露张拉长度，0.25 m。L=2.00+3.75+0.07+0.25=6.07 m因此，原锚索长度 6 m 不满足要求，必须将顶锚索长度增加至 7 m 才能满足要求。2）锚索锚固长度计算对于高强树脂金属锚索，通过锚固体粘结力提供锚固力。锚固长度采用下列公式进行计算：832023 年第 5 期宋 楷：下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究宋 楷：下霍煤矿 2308 运输顺槽支护优化及应用研究l锚=KNt/Dqr=1.5 m 式中：l锚为锚固长度；K 为安全系数，取 1.6；Nt为 设 计 预 应 力，265 kN；D 为 锚 固 直 径，30 mm；qr为锚固体与孔壁间粘结强度值，取 3 MPa。计算所得锚固长度应不小于 1.5 m。3.2 运输顺槽支护参数优化分析在 2308 运输顺槽原支护方案及参数基础上，对支护参数进行优化，如图 2。图 2 2308 运输顺槽支护图（mm）1）顶锚杆采用 22 mm2400 mm 高强锚杆，间排距950 mm1000 mm，距帮425 mm，每排6根，锚杆托盘规格为 150 mm150 mm10 mm 高强度拱形托盘，配合高强调心球垫，外侧两根锚杆外斜15，采用一支 MSK2335 和一支 MSZ2360 树脂锚固剂锚固。2）顶锚索采用 21.6 mm7000 mm 高强度低松弛预应力钢绞线，间排距 1400 mm1000 mm，“3232”布置（一排三根顶锚索间距 1400 mm，下一排为两根顶锚索间距 2800 mm），且锚索打设在两根钢带中间，锚索分别距帮 1400 mm，锚索托盘采用 300 mm300 mm16 mm 高强度可调心托板及配套锁具，采用一支 MSK2335 和两支 MSZ2360树脂锚固剂锚固。当巷道掘进遇到断层、陷落柱、背斜、向斜、顶板破碎、应力集中显现的大断面区域时，采取锚网索+U 型钢联合支护。3）帮锚杆采用22 mm2400 mm高强锚杆，间排距 900/600 mm1000 mm，距顶板 150 mm，距底板 150 mm，上部四根锚杆间距 900 mm，第四与第五根锚杆间距 600 mm（巷高超过 3.6 m 时，第四与第五根锚杆间距不得超过 1000 mm），每排5 根，锚杆托盘规格为 150 mm150 mm10 mm高强度拱形托盘，配合高强调心球垫，采用一支MSK2335 和一支 MSZ2360 树脂锚固剂锚固。4）金属网，顶网规格 6000 mm1200 mm，帮网规格 2900 mm1200 mm，两帮底根处需横向补2900 mm1200 mm 网片，网格 50 mm50 mm，网片双边搭接，搭接长度不小于 100 mm，采用 LD-CD45 型号的钉扣钉网，搭接处用联网机将网片隔孔钉网，呈“三花”布置。5）顶钢带采用 W 钢带，5000 mm280 mm3 mm，帮钢带采用钢筋梯梁，16#-60-4-2900 mm。6）除要求外斜、上斜的锚杆、锚索，其余锚杆、锚索全部垂直于岩面打设，顶、帮锚杆预紧力矩要达到 300 Nm，且不能超过 500 Nm，锚杆锚固力127 kN；锚索预紧力 265 kN，实验锚固力 430 kN。4 应用效果为掌握 2308 运输顺槽采用优化后支护参数的巷道围岩控制效果，在 2308 运输顺槽新方案掘进后的巷道布置 5 个围岩变形位移监测点，得到巷道顶底板移近量和两帮移近量示意图，如图 3、图 4。图 3 2308 运输顺槽顶底板移近量图 4 2308 运输顺槽两帮移近量从图中数据可知，2308 运输顺槽巷道变形主要集中在掘出后的 10 d 内，后期巷道变形量基本保持稳定。在掘进后进行监测的 15 d 期间内，顶底板和两帮最大移近量为 18.8 cm、15.9 cm，巷道围岩变形量整体较小，巷道围岩控制效果理想。2308 运输（下转第 86 页）862023 年第 5 期顺槽支护参数经优化设计后，取得理想的支护效果。【参考文献】1 李朝.辛置煤矿 2-216 运输顺槽支护参数优化及应用研究 J.煤炭与化工，2020，43（01）：33-自动跟机移架到位率达到 99%，降低了工人劳动强度，工作面正常生产期间作业人员由 9 人减至 3 人。3.2.3 智能运输系统从 40201 工作面往外，原煤从转载机、刮板输送机、胶带输送机到大巷的整个运输系统，再经主井提升系统，最后至储煤场，整条线路全靠各机房的工作人员控制，整条线的现场做到了有人巡视、无人值守。仅采掘后路胶带输送机集中控制、无人值守，可节省人工 15 人。3.2.4 智能供液系统40201 工作面的液压支架使用高端智能乳化液泵站，可集中超远距离供液，可本地和远程控制、多台泵自由组合一键启停等，实现无人值守。同时，具有反浸透水处理、清水过滤等功能，提高供液质量，延长工作面液压支架的使用时间。3.2.5 5 万兆网络全覆盖的建设大佛寺煤矿之前的工业环网为千兆网络，已无法满足低时延、大数据的传输要求，且目前的万兆环网也不能承载 5G 网络的传输。为建设智能化工作面，对矿井工业环网进行升级改造，以便满足智能化工作面和智能化矿山建设的要求。系统升级改造后，切片分组网在组网和提供业务方面可以替代目前矿井所使用的光纤以太环网，井上为 10G 带宽的工业网络，是原地面工业网络带宽的 10 倍；井下为 50G 带宽的工业网络，是原井下工业网络带宽的 50 倍。承载网络能够直接与 5G 通信设备直连，提供高带宽接入与低时延传输，不再需要重复建设 5G 专网。改造后的工业环网具备自诊断、低延时、切片分组、切片传输、抗故障能力等功能，网络安全方面已安装入侵防御、防火墙、网络隔离等安全设备，满足等保二级要求。4 应用效果40201 智能化工作面建设后，应用效果理想。现在生产班进入工作面先设置学习模式简单调整，正常生产过程中都是采用记忆模式，人工干预很少，自动化使用率达到 95%左右。工作面正常生产期间只有一个液压支架巡检工、一个煤机巡检工，机头机尾各设一个看护工，远程控制一键启停，工作面跟机拉架完全不存在问题。40201 工作面建立起井上和井下两个全视频监控系统，把采集到的数据实时传输到调度控制系统，开启了井下“有人巡视、无人值守”全新工作模式。在工作面上，所有采煤设备都由传感器、扫描器、摄像仪、检测仪和数据线、无线基站等信息控制单元连接，靠着这些装置，指挥中心便能清晰观察、诊断井下的设备工作状况。40201 智能化工作面投产后，区队生产定员比原有减少 25 人，全年节省用工 7500 个，每年可节约人力成本约 300 万元，减人增效效果显著。（上接第 80 页）支护设计方案。现场矿压监测结果表明，留巷顶底板最大移近量为 138 mm，两帮移近量为 87 mm，有效控制围岩变形。【参考文献】1 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议 J.煤炭科学技术，2006（12）：78-81.2 贾民，柏建彪，田涛，等.墩柱式沿空留巷技术研究 J.煤炭科学技术，2014，42（01）：18-22.3 高登云，李瑞群.神东矿区无煤柱开采关键技术及应用研究 J.煤炭工程，2021，53（01）：7-11.4 杨军，付强，高玉兵，等.切顶卸压无煤柱自成巷全周期围岩受力及变形规律 J.煤炭学报，2020，45（S1）：87-98.5 周均民，申世豹，刘进晓，等.厚表土厚坚硬顶板无煤柱切顶留巷关键技术研究 J.煤炭工程，2022，54（04）：1-6.（上接第 83 页）36+41.2 张玮.43311 巷道支护设计应用研究及校核 J.山东煤炭科技，2021，39（04）：34-36.