大阳煤矿3307工作面运输顺槽支护参数优化研究.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.022大阳煤矿 3307 工作面运输顺槽支护参数优化研究（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿，山西 晋城 048003）摘要 以大阳煤矿 3307 工作面运输顺槽为研究对象，根据现场地质条件建立了数值计算模型，并设计了 3 种不同的支护方案。分析了不同支护方案下的巷道围岩变形情况与应力分布特征，确定了最佳的支护方案。根据优化后的支护方案在现场开展工业性试验，巷道在开挖 35 d 后稳定，最终顶板最大下沉量 227 mm，帮部最大变形量 164 mm，能够满足矿井的安全生产要求。关键词 巷道支护；数值模拟；围岩控制中图分类号TD353文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0072蛳 030引言我国是一个煤炭丰富、油气资源相对匮乏的国家，煤炭在能源的消耗中始终占据主导地位。为了获取更多的煤炭资源，越来越多的矿井开始向深部进军咱员原猿暂。但是，在深部进行采煤工作时，巷道会面临高应力、围岩大变形、支护失效等难题咱源原缘暂。因此，在支护时需要分析巷道稳定性特征，确保支护参数合理可行。大阳煤矿现开采 3#煤层，根据过去巷道支护情况，存在多次巷道返修的案例，主要原因是巷道支护方式不合理造成的。本文以大阳煤矿 3307 工作面运输顺槽为工程背景，结合矿井周边巷道支护情况，借助 FLAC3D数值模拟软件，分别模拟不同支护参数下的巷道稳定性情况，选择了合理的巷道支护方案。1工程概况大阳煤矿隶属于山西兰花煤炭实业集团有限公司，位于晋城市泽州县，现开采煤层为 3#煤层。该煤层埋藏深度为 368662 m，煤层平均厚度 5.75 m，煤厚变化标准差为 0.252，煤厚变异系数 4.39%，煤质为优质无烟煤，储量丰富，煤质优良。3#煤层埋深约 600 m，直接顶为 3.0 m 的泥岩、4.0 m 的细砂岩和 2.7 m 的泥岩；老顶为 11.4 m 的砂质泥岩；直接底为 7.8 m 的泥岩和 2.3 m 的砂质泥岩。3#煤属于中硬偏软煤层，顶板为软岩 坚硬岩，底板为软岩 较坚硬岩。3307 工作面位于三采区西部，工作面宽度230 m。其运输顺槽为矩形断面，宽 5.0 m，高 3.1 m，断面尺寸 15.5 m2，设计长度 1 544.9 m。2巷道支护方案数值模拟2.1模型建立根据现场地质条件建立数值模型，模型尺寸为200 m50 m37.2 m（长宽高），固定模型底部和四周位移，从顶部施加 14 MPa 的力模拟上覆岩层载荷。开挖巷道断面为 5.0 m3.1 m（宽高），采用 Cable 软件模拟锚杆和锚索，并初步设计了 3 种锚杆索支护方案。通过对比不同支护方案下的巷道应力应变情况，确定巷道支护方案。方案 1：顶板布置 6 根 准20 mm2 200 mm 锚杆，间排距 900 mm900 mm；两帮布置 4 根准20 mm2 200 mm 锚杆，间排距 800 mm900 mm；顶板布置 2 根 准22 mm7 200 mm 锚索，间排距2 000 mm1 800 mm。方案 2：顶板布置 6 根 准20 mm2 200 mm 锚杆，间排距 900 mm900 mm；两帮布置 4 根准20 mm2 200 mm 锚杆，间排距 800 mm900 mm；顶板布置 3 根 准22 mm7 200 mm 锚索，间排距1 350 mm1 800 mm。方案 3：顶板布置 6 根 准20 mm2 200 mm 锚杆，间排距 900 mm900 mm；两帮布置 4 根准20 mm2 200 mm 锚杆，间排距 800 mm900 mm；顶板布置 3 根 准22 mm7 200 mm 锚索，间排距1 350 mm1 800 mm；煤柱帮补打 1 根 准22 mm5 200 mm 锚索，间距 1 800 mm。2.2巷道围岩变形情况3 种支护方案下的巷道围岩垂直位移分布如图1 所示。巷道开挖后，顶板下沉量远大于底鼓量，达能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4722023 年 8 月Aug.,2023安雷大阳煤矿 3307 工作面运输顺槽支护参数优化研究到了底鼓量的 45 倍，因此，顶板应作为重点研究对象。根据数值模拟结果显示，采用方案 1 时顶板最大下沉量 247 mm；采用方案 2 在顶板增加 1 根锚索后，顶板最大下沉量降低了 18 mm；采用方案 3时，顶板最大变形量相比方案 1 下降了 14.7%。这是因为顶板锚索加固的同时，帮部锚索增强了煤柱帮围岩承载能力，从而更好地支撑顶板。图 1垂直位移分布云图3 种支护方案下的巷道围岩水平位移分布如图 2 所示。巷道开挖后，两帮立即开始相互移进，并且煤柱帮的移进速率更快。根据数值模拟结果显示，采用方案 1 时巷道帮部最大变形量 180 mm；采用方案 2 增强顶板支护后，帮部最大变形量减小了15 mm；采用方案 3 时，帮部在补打了 1 根锚索后，稳定性大幅度增强，最终帮部最大变形量仅138 mm，相比方案 1 降低了 23.3%。（a）方案 1（b）方案 2（c）方案 3图 2水平位移分布云图（a）方案 1（b）方案 2（c）方案 32.3巷道围岩垂直应力分布3 种支护方案下的巷道围岩垂直应力分布如图 3 所示。巷道开挖后，在距离两帮 34 m 深处的围岩出现明显的应力集中，并且煤柱帮应力集中范围大于实煤体帮，应力峰值也略高于实煤体帮。3 种方案下的应力峰值分别为 25.0 MPa、25.2 MPa和 25.9 MPa，可见采用帮部锚索补强支护后，煤柱帮破碎煤体得到加固，起到更好的承载作用。图 3垂直应力分布云图（a）方案 1（b）方案 2（c）方案 33工业性实验3.1巷道支护方案巷道支护方案选用了方案 3，如图 4 所示。采用锚索+锚杆+网片进行支护，顶锚杆每排 6 根，间排距 900 mm900 mm，其中边锚杆距巷帮 250 mm，并要求向巷帮侧倾斜 20毅。帮锚杆每排 8 根，间排距800 mm900 mm，上部锚杆距顶板 300 mm，并向上倾斜 20毅，下部锚杆距底板 400 mm，垂直巷帮打设。顶锚索按照“三 三”布置，规格 准22 mm7 200 mm，间排距 1 350 mm1 800 mm，距巷帮 1 150 mm，钻孔深度 7 000 mm，锚索垂直顶板岩面打设。煤柱帮布置 1 根 准22 mm5 200 mm 锚索，间距1 800 mm。网与网之间搭接为不小于 100 mm，采用位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm应力/Pa应力/Pa应力/Pa732023 年 8 月Aug.,2023双股 14#铁丝，每一道连网丝要压接好上一道连网丝，网要求拉直挂紧，两头对接好，每米连接扣数不少于 7 扣。锚杆托盘必须压紧压实锚网，确保锚杆托盘与巷道煤面之间紧密贴合。3.2矿压监测为了检验支护方案的合理性，在掘进后的巷道顶底板和两帮布置测点，监测巷道变形情况，监测结果如图 5 所示。由图 5 分析可知，在开挖后的前10 d 内，巷道变形量快速增加，支护体作用逐步显现并与围岩形成整体共同承载。1035 d 期间，巷道变形速率大幅度降低并趋于平缓。35 d 后，巷道基本稳定，变形量不再增加，最终顶板下沉量 227 mm，煤柱帮变形量 164 mm，实体煤帮变形量 138 mm，底鼓量 77 mm。相比于过去临近巷道 200400 mm的大变形，采用优化后的支护方案支护效果明显增强。由此可见，采用方案 3 的支护方案合理可行，能够满足 3307 运输顺槽在使用期间的要求。图 5矿压监测结果4结论以大阳煤矿 3307 运输顺槽为工程背景，采用FLAC3D数值模拟分析了巷道的 3 种支护方案，主要得到以下结论：（1）支护效果为：方案 3 优于方案 2、方案 2 优于方案 1；巷道开挖后，应力峰值集中在距离巷道表面 34 m 位置，最大应力集中系数约为 1.8。（2）采用方案 3 进行工业性试验后，巷道在35 d 后基本不再发生变形，最终稳定后最大变形量227 mm，能够满足安全生产要求。参考文献1侯朝炯，王襄禹，柏建彪，等.深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究 J.中国矿业大学学报，2021，50（1）：1-12.2陈定超，王襄禹，赵祥岍，等.构造应力影响下大断面巷道围岩灾变机理及稳定控制研究 J.矿业安全与环保，2022，49（3）：15-19.3于洋，柏建彪，张树娟，等.双翼采动大巷群围岩灾变机理与修复加固体系研究 J.采矿与安全工程学报，2020，37（6）：1133-1141.4桑培淼，孙小岩，于洋，等.构造应力影响下软岩硐室底鼓机理及控制研究 J.煤炭技术，2022，41（10）：5-9.5王楠，孙磊.老虎台煤矿 63005#安装道支护设计分析 J.能源技术与管理，2022，47（5）：107-109.作者简介安雷（1988-），男，毕业于东北大学采矿工程专业，长期从事采掘管理技术工作。收稿日期：2023-02-02图 4巷道支护设计观测时间/d10203040500顶板下沉量煤柱帮变形量实体煤帮变形量底鼓量28024020016012080400帮锚索：准22 mm5 200 mm间距：1 800 mm顶锚杆：准20 mm2 200 mm间排距：900 mm900 mm顶锚索：准22 mm7 200 mm间排距：1 350 mm1 800 mm帮锚杆：准20 mm2 200 mm间排距：800 mm900 mm1 3501 3509009009009009002502505 000能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.474