复杂地质条件下煤矿掘进支护技术的应用.pdf

复杂地质条件下煤矿掘进支护技术的应用闫兴礼，赵春涛（山东能源集团有限公司同矿山救护二大队，山东枣庄2 7 7 10 1）摘要：为进一步探究复杂地质条件下的煤矿高效与安全开采，结合某矿井存在的技术问题，参考支护理论，对支护方案的优化进行初步探究,应用FLAC3D软件进行模拟分析,实现了方案优选。最后,将优选后的方案投入应用,结果显示,该方案在巷道变形位移等关键指标上均明显优于旧方案。关键词：复杂地质条件；煤矿开采；掘进；支护技术中图分类号：F406.3;TD353当前，各地煤矿开采进一步推进，复杂地质条件的煤矿开采成为业界关注的重点。在这类煤矿开采中，受到地质条件等因素的影响，开采难度和风险均处于较高水平,导致常规的支护技术难以取得预期效果,需要结合采煤区域的具体情况，对该区域在掘进过程中的支护技术进行进一步探究，以确保兼顾开采效率和安全。1 工程概况某煤矿拟对采区内的3 号矿井进行开采，该矿井井田内构造较为复杂，断层密度和强度均处于较高水平，煤层破坏较严重。落差在断层表现为“横切竖断”的特征，导致矿井内的地质构造较复杂。结合以上勘查结果,初步确定采掘工艺,如表1所示。表1拟采取的采掘工艺项目选择方式掘进方法综掘、炮掘采煤支护工艺综采、综放采掘支护工艺锚网喷支护工艺采煤工艺综采、综放根据拟定的采掘工艺，对掘进巷道进行设计，巷道编号为P11407，道断面如图1所示。2图1巷道断面图(单位：mm)178文献标识码：B0098000T50005100文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)10-0 17 8-0 3在确定巷道尺寸后，勘查人员对掘进区域的地质条件进行细致勘查，结果显示，该开采区域煤层平均厚度为7 m,倾角为14,具有粉尘爆炸性,煤层的层理和节理发育程度较高，属于突出危险性煤层。同时，该巷道受到断层和伴生构造影响，地质条件较复杂，对支护技术要求较高，常规支护技术难以满足需要。在原支护方案中，技术人员参考已有的经验进行支护设计,选用规格为21.6mm的钢筋材料作为锚索和锚杆材料，控制长度分别为6 2 0 0 mm和42 0 0 mm，托盘选用规格为2 50 mmx250mm10mm的方形预应力托盘。同时,在布置钢筋网过程中,选用规格为6.5mm的钢筋材料，按照网孔10 0 mm见方的方式进行布置，构建尺寸为140 0 mm900mm的钢筋网。在布置钢筋网后，使用MSK2335型锚固剂进行锚固，而后使用强度等级为C20的混凝土进行浇筑，以完成支护设计。支护参数如表2 所示。表2 原支护方案的主要参数项目施工标准巷道净宽5000mm巷道净高3500mm顶锚索间排距900mmx900mm帮锚索间排距900mmx900mm锚索外露150250mm锚索预紧力120kN锚索角度与煤面呈9 0 角顶锚索眼深6000mm帮锚索眼深400mm该方案以往可以在开采过程中正常使用，但支护模式近期逐步失效，并发生数次冒顶事故。巷内顶部支护体有明显损坏，顶部支护部位垂向破坏特征明显，垮落后的围岩具有明显的竖向剪切划痕。企业决定暂误差范围0 100mm0 100mm-100 100mm-100 100mm一不小于9 0%不小于7 5%停该区域的开采，对巷道支护技术方案进行整体优化。2支护方案优化2.1支护方案的初步确定根据相关理论分析可知，为提升支护强度，提高整体的锚固力是最可行的方法，考虑到单根锚索提供的锚固力为固定值，必然涉及顶板锚索间排距的优化。根据已有经验和理论可知，顶板锚索间排距根据式(1)进行计算：L=N(10+)10式(1)中,N为巷道围岩系数，结合勘查资料确定为1.2；B为巷道跨度，本次结合实际情况取510 0 mm，代人已知数据后求得顶板锚索间排距L为9 6 6 mm。而在原支护方案中，顶板锚索间排距设计为9 0 0 mm，支护效果相对较差。为此,结合既有经验及相关理论,提出以下三种支护方案优化措施：将顶板锚索间排距优化为7 0 0 mmx850mm,其他参数保持不变；将顶板锚索间排距优化为8 50 mm850mm，其他参数保持不变；将顶板锚索间排距优化为7 50 mm750mm，其他参数保持不变。在此基础上对三种方案进行优选2 。2.2支护方案数值模拟的建立本次仿真分析选用FLAC3D软件，该软件基于有限差分法的快速拉格朗日分析，实现对连续材料力学行为的模拟分析。结合前期勘查资料,确定采用表3中的物理力学参数建立仿真分析模型。表3 研究区域的物理力学参数密度剪切模量黏聚力内摩擦角抗拉强度岩性(kg/m)/CPa/MPa中粒砂岩2580粉砂质泥岩2530粉砂岩2460煤1340泥岩2680粉砂岩1340细砂岩2580基于以上物理参数，研究人员在FLAC3D软件中建立模型并进行分析，流程如下：建立运输巷道掘进的过程模型一分析P11407巷道的原岩应力的平衡分析P11407巷道的掘进过程分析P11407巷道的锚杆支护情况综合分析所有计算结果。2.3分析结果与讨论在应用FLAC3D软件进行分析后，首先对三种支护方案下的应力分布情况进行分析，三种支护方案的应力分布如图2 所示。图2 支护方案一（左）、二（中）、三（右)的应力分布情况(1)在应力分布云图中，颜色较深区域代表应力偏高区域,根据模拟分析数据可知，三种方案的应力分布情况不存在显著差异,但存在显著的最大垂直应力差异，分别为2 5.8 MPa、2 1.4M P a 和2 0.4MPa，相对而言，方案三的支护方案最大垂直应力处于较低水平，同方案一相比下降了近2 1%3 。其次，对三种方案下的垂直位移情况和底鼓量进行分析，结果如表4所示。表4三种方案下的最大垂直位移和底鼓量数据方案1指标顶板最大垂直位移/mm方案一310.8方案二66.6方案三63.1根据表4中的数据可知，在采用不同支护方案的情况下，巷道掘进过程中的围岩的位移差距较为明显。相对而言，方案二和方案三的顶板最大垂直位移和底鼓量均处于较低水平,与方案一存在较突出的差异。再次，分析不同支护方案下的两帮位移变化，得到/CPa4.63.65.123.566.43.80.641.44.63.60.641.52.72.4底鼓量/mm88.148.649.6的仿真分析结果如下：方案一的两帮位移变化为372.98401.62303.85270.28372.98280.38350.98330mm,而方案二和方案三的两帮位移变化分别为72.3mm和6 0.3 mm，与方案一差异明显，且方案三略优于方案二。方案二和方案三在掘进期间的巷道变形量均在12%以下，对确保井下作业有条不紊地进行发挥着重要作用。在总结以上仿真分析结果后发现，方案二和方案三在综合性能上明显优于方案一，不推荐方案一的支护方式。相对而言，方案三略优于方案二，但两种方案的支护效果差异不大，而方案三所需的材料和施工等成本相对偏高,综合考虑经济成本和性能两方面因素，决定采用方案二进行支护优化设计，即将顶板锚索间排距优化为8 50 mm850mm，其他参数保持不变43应用效果分析在确定优化后的支护方案的基础上，为验证该优化支护方案的合理性，测试人员采取矿压监测的模式179对支护方案的优化效果进行实际测试，测试内容主要分为以下几方面：一是针对巷道表面收敛情况进行测试，该测试应用十字测线法，尽可能选取近处进行测试，测试数据出现显著波动后予以记录，共计记录3 0 d,测试点布置图如图3 所示。0098A0O09T5000图3 表面收敛情况测点布置图（单位：mm)在A、B和C三个点位上安装测试器件，各个测试器件附近同时安设短锚杆，在巷道表面对图中AB和OC的长度进行测量。应用式（2）计算围岩的表面收敛量：u=uo+voto式(2)中，u为巷道在掘进期间围岩的总变形量，mm;u。为巷道开挖导致额外增多的变形量，mm;V。为巷道掘进影响后的围岩流变速度,mm/d;t。为巷道掘进影响消除过程中需要的维护时间，d。二是对锚索受力情况进行测试，本次直接在支护的拱上安装已经确定方案的锚索，而后在每帮各安装两个锚杆监测受力情况。三是对巷道围岩的深部位移进行测试。针对此项指标,主要测试围岩深部多个点位之间的位移量。在本环节的测试中，在巷道顶板分别布置5.5m、4.5m、3.5m和2.5m四个基点，以此开始测试。基于以上测试流程，首先收集P11407运输巷的参数，并使用Origin软件进行数据处理，以分析各个参数变化。结果显示，在应用优化后方案的前提下，顶板和底板的最大变形量为13 0 mm，两帮的最大变形量为100mm，相比原支护方案，顶板变形量下降了48 mm，两帮变形量下降了2 0 mm。其次,对锚索受力情况的测试结果进行分析。分析结果显示，当测点与运巷的距离超过2 0 m后，锚杆受力开始增大，但受力基本呈现线性增长态势。当距离超过3 0 m后，锚杆受力基本趋于稳定。整体来看，锚杆受力的变化并不显著。顶板上方的锚杆变化量最大值为1.3 6 N,两帮锚杆的最大变化量则分别为3.41kN、1.9 7 k N和1.3 7 kN，变化量较低，C符合设计要求。最后，对巷道围岩深部位移的测试结果进行分析。测试结果显示，顶板各测试点的变形量与巷道掘进时间基本呈线性相关，仅在巷道挖掘的初始阶段存在变形量和变形速度的突增，基点变形量如表5所示。B表5巷道围岩深部位移测试结果基点位置/m变形量最大值/mm5.5200.04.5163.23.5145.12.5124.2根据表5中的数据可知，巷道围岩深部位移整体处于较小水平，证明本次方案优化后的支护取得了一定效果。4结语整体来看,在本次研究中,结合某煤矿矿井面临的(2)复杂地质条件对新支护方案进行了初步推导，而后应用FLAC3D软件对新支护方案进行了分析和优选。并通过现场应用测试,验证了本次支护方案的合理性。参考文献：1张丁.煤矿掘进支护技术存在的问题及解决措施分析J.能源与节能,2 0 2 2(12：148-150.2韦星光.煤矿掘进支护技术在复杂地质条件下的应用J.能源与节能,2 0 2 2(11)：18 9-19 1.3侯靖帮.复杂地质条件下的煤矿掘进支护与技术方式分析J.矿业装备,2 0 2 2（0 4）：9 3-9 5.4陈润合，牛佳胜.复杂地质条件下的煤矿掘进支护技术的应用初探J.内蒙古煤炭经济,2 0 2 2（14）：17 2-17 4.作者简介：闫兴礼（19 8 3-），男，山东枣庄人，本科，助理工程师，研究方向：煤矿安全管理。180