厚顶煤软岩巷道破坏规律与支护技术.pdf

2023 年 8 月2023 年第 8 期中国属于能源消耗大国，鉴于国际关系、国家战略和国家资源储备情况，煤炭在很长一段时间内将持续作为中国的主体能源1。在厚煤层的开采过程中，由于回采工作面开采产生的支承压力和侧向支承压力集中系数较大，巷道矿压显现剧烈2。对于软岩巷道，煤层厚度会对其稳定性造成较大的影响，一般的支护方式和手段难以有效控制巷道变形3。所以，在厚煤层软岩条件下，如何控制回采巷道变形和破坏，维护回采巷道的稳定性来保证工作面的正常回采，是目前厚顶煤软岩巷道支护迫切需要解决的问题。1厚顶煤软岩巷道矿压显现特征巷道矿压显现特征是回采巷道支护设计的重要依据之一，在马兰矿地质资料、工程概况和大量围岩力学评估结果的基础上，对不同工作面回采巷道及回采巷道不同位置进行破坏范围实测，对不同顶煤厚度及开采强度下回采巷道应力场环境和围岩塑性区发育情况进行分析，获得马兰矿软岩地质条件下多变性厚顶煤矿压显现特征，为马兰矿回采巷道变形控制和支护设计提供依据和指导。巷道破坏范围实测中，利用钻孔窥视仪能够测量巷道围岩内部离层、破裂、破碎情况，依据破坏情况确定围岩松动圈大小，基于巷道破坏范围对现有支护强度进行验算，为支护参数优化设计提供依据4。1.1钻孔窥探监测方案I0116300 工作面回采巷道共布置 10 个测站，回风顺槽和运输顺槽各布置 5 个，其中回风顺槽分别对正顶10 m 范围和两帮 6 m 范围裂隙发育情况进行探测，运输顺槽正帮布置皮带，仅对正顶 10 m 范围和副帮6 m 范围裂隙发育情况进行探测，共探测 35 个窥视孔。I0116306 工作面共布置 7 个测站，7 个测站均分别对巷道顶板和两帮破坏情况进行探测，1#，2#，3#测站位于运输顺槽，距离切眼较近，4#，5#，6#，7#测站位于回风顺槽，1#3#测站顶板探测深度为 10 m，帮部探测深度为 6 m，4#7#测站顶板探测深度为 6 m，帮部收稿日期：2022-11-27作者简介：李伟涛袁 1988 年生袁 男袁 山西黎城人袁 工程师袁 主要从事采矿工程方面的研究遥厚顶煤软岩巷道破坏规律与支护技术李伟涛（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司，山西 太原 030053）摘要：以马兰矿为工程背景袁 在煤厚多变和围岩 野三软冶 条件下袁 对马兰矿厚顶煤软岩巷道矿压显现规律和软岩巷道锚固失效原因进行分析遥 现场调研发现袁 回采巷道顶底板变形明显袁 顶板锚固失效曰 在理论分析的基础上袁 认为围岩强度低和水对锚固剂尧 围岩的弱化作用是造成回采巷道锚杆 渊索冤 失效的主要原因曰 针对锚固失效问题袁 现场试验扩孔锚固效果袁 扩孔锚固后袁 锚固力整体提高 25.0%耀 93.8%曰 在以上数据基础上袁 依据顶煤厚度的不同袁 提出差异性支护方案袁 以 野端锚+注浆全长锚固冶 作为锚固增效技术手段袁 掘进期间巷道顶板下沉量相对较小遥关键词：软岩曰 矿压显现曰 回采巷道曰 锚固失效曰 锚固增效技术中图分类号：TD325；TD353文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0145-03Failure Law and Support Technology of Thick-top Coal Soft Rock RoadwayLI Weitao(Mine Construction Branch Company,Xishan Coal Electricity Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030053,Shanxi,China)Abstract:Taking Malan Mine as the engineering background,this paper analyzed the law of mine pressure behaviors and thecauses of anchoring failure of soft rock roadways in the thick-top coal soft rock roadways of Malan Mine under the conditions ofchangeable coal thickness and three soft surrounding rocks.On-site investigation found that the deformation of the roof and floorof the mining roadway was obvious,and the anchoring of the roof failed;on the basis of theoretical analysis,it was believed thatthe low strength of the surrounding rock and the weakening effect of water on the anchoring agent and surrounding rock were themain reasons for the failure of the anchoring rods(cables)of the mining roadway;in view of the problem of anchoring failure,theeffect of reaming anchoring was tested on the spot,after reaming and anchoring,the overall anchoring force increased by 25.0%-93.8%;on the basis of the above data,based on the different thickness of the top coal,different support schemes were proposed,with end anchor+grouting full-length anchoring as the anchoring efficiency enhancement technical means,the amount ofsinking of the roof of the roadway during the excavation was relatively small.Key words:soft rock;mine pressure behaviors;mining roadway;anchoring failure;anchoring efficiency enhancement technology（总第 215 期）技术研究1452023 年第 8 期2023 年 8 月探测深度为 4 m。1.2钻孔窥视结果分析对 I0116300 工作面回采巷道顶板窥视视频进行整理，得出各个测站巷道顶板破坏情况如图 1 所示。测站号图 1I0116300 工作面回采巷道顶板破坏情况对图 1 进行分析得出以下结论。1)对 1#，2#，3#和 6#测站进行钻孔窥视时，距离工作面 110 m 以上，可认为 4 个测站不受采动或受微弱采动影响，4 个测站顶板破坏范围介于 1.01.5 m，主要集中在 1.01.2 m，顶板裂隙整体较少，在 00.3 m范围存在明显裂隙，0.3 m 以后以局部小裂隙为主。2)4#测站距离工作面 40 m，5#测站距离工作面90 m，4#测站受采动影响较为明显，顶板破坏深度达到1.8 m，5#测站距离工作面较远，采动影响相对缓和，顶板破坏深度为 1.4 m，两个测站顶板 00.5 m 裂隙明显，0.5 m 以上为小裂隙和局部小裂隙。3)7#，8#，9#和 10#测站距离工作面30 m，顶板破坏范围介于 1.41.8 m，整体集中在 1.61.8 m，距离顶板 01.0 m 以小裂隙为主，1.0 m 以上局部存在小裂隙，距离顶板较远位置基本无离层裂隙。对窥视孔裂隙具体发育情况进行分析可知，裂隙发育均不明显，均为小裂隙，未发现明显的环状离层裂隙，距离顶板 1.0 m 以上裂隙极少，窥视孔整体非常完整。通过对马兰矿回采巷道及掘进巷道进行大量钻孔窥视工作，发现马兰矿软岩地质条件下巷道破坏范围均较小，顶板破坏范围为 1.01.8 m，裂隙以小裂隙为主，两帮均无明显破坏，窥视发现顶板钻孔均含水，煤层较薄时，巷道顶板钻孔泥化严重。2软岩巷道围岩稳定性控制技术2.1软岩巷道支护技术由于锚杆（索）锚固力不足或不可靠，在顶板锚杆（索）工作过程中锚固端失效，从而无法有效控制巷道顶板失稳和变形，所以回采巷道设计的主要问题在于提高锚杆（索）锚固力，保证锚固力可靠。1)注浆锚索锚固增效。中空注浆锚索由钢绞线、注浆芯体构成，内部中空，现场施工分为两个阶段，先采用树脂锚固剂对锚索进行安装并施加预紧力，后期利用注浆设备将水泥浆液或其他新型注浆材料注入锚索自由端，实现全长锚固，自由端的高压浆液也可对围岩中的裂隙进行填充，从而加固围岩5。2)异形扩孔锚固增效。扩孔技术主要应用于边坡和基坑工程中，主要应用于极软岩层中，使用普通钻具成孔后利用该技术在孔底一定位置进行扩孔6。依据现有理论分析，扩孔锚固工作状态受力可分为 3 个阶段：较低载荷时，锚固体与周边围岩协同变形，此时锚固界面处于弹性状态；随着载荷提高，轴力沿杆体传递至深部，正常锚固段逐渐进入塑性状态，锚固体扩孔端开始发挥作用；当载荷继续增大时，正常锚固端锚固界面黏结失效，锚固体位移持续增加，扩孔端开始挤压围岩，扩孔端锚固剂界面与围岩界面相互作用，扩孔端挤压围岩，围岩对扩孔端反向提供阻力作用，从而提高锚固体锚固力7。2.2扩孔锚固增效现场应用效果针对马兰矿顶煤薄弱锚固力不足问题，在现场试验扩孔钻头锚固增效效果，选取试验地点为 I0116300上 07 回风顺槽距离巷口 350 m 处，依据 BK14-5 钻孔数据，该处煤层厚度 6.31 m，煤层上方分别为粉砂岩、煤、粉砂岩，厚度分别为 3.19 m，0.70 m，5.80 m，其中粉砂岩质软，且与泥岩互层，属于软弱岩层。现场在巷道顶板安装 8 根锚索进行对比，4 个钻孔采用普通钻具施工，另外 4 个钻孔利用扩孔刀具对底孔进行扩孔，打孔深度均为 6 000 mm，均使用 2 支MS 28-500 锚固剂，安装 1 h 后进行拉拔，拉拔结果如表 1 所示。表 1扩孔锚固拉拔数据对比表单位：kN由拉拔数据可知，使用扩孔锚固后，锚固力整体有一定的提升，相比普通锚固，锚固力提升了 25.0%93.8%。其中，1 组和 3 组锚固力增加不明显，扩孔刀片未完全张开，造成锚固孔扩孔效应不明显；2 组使用扩孔锚固后，锚固力明显低于普通锚固，可能由扩孔锚固所处位置的局部地质条件较差造成。从整体数据来看，使用扩孔锚固可以适当提升锚固力。3软岩巷道支护方案3.1巷道断面形状选择中国矿井巷道的断面形状主要有矩形、直墙半圆拱形、圆形、梯形、三心拱形、椭圆形8，其中，矩形和直墙半圆拱形应用最广，矩形巷道断面利用率最高，掘进速度快，而直墙半圆拱形断面上半部分为半圆形，其自稳能力较好，该断面有利于顶板稳定，但断面利用率和掘进速度都不如矩形断面9。随着矿井机械化和智能化水平的提升，马兰矿将计划使用掘锚一体机服务于矿井，所以需将巷道断面变更为矩形断面。锚固类型1 组2 组3 组4 组普通锚固13015519298扩孔锚固17474240190不受采动或微弱采动中等采动剧烈采动1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#109876543210离层小裂隙煤局部小裂隙小裂隙较明显裂隙明显裂隙1.51.01.01.21.81.41.61.81.71.4破坏范围/m1462023 年 8 月2023 年第 8 期5 SONG G，YANG Z，LYU Q.Investigation of gas-solid flow andtemperature distribution uniformity of 350 MW supercritical CFBboiler with polygonal furnace J.Powder technology，2019，355：213-225.6CHEN Y，LU X，ZHANG W，et al.Experimental study on the heat-transfer characteristics of a 600 MW supercritical circulatingfluidized bed boiler J.Energy&fuels，2018，32(1)：1-9.7孙献斌，石波，时正海，等.国产 330 MW CFB 锅炉的调节和变负荷性能 J.中国电力，2013，46(9)：16-20.8马睿，杨雪松，周稀源.600 MW 超临界循环流化床机组 RB 控制策略 J.中国电力，2015，48(12)：91-95.9鲍铁军，刘建平，侯志，等.440 t/h 循环流化床机组深度调峰工况下燃烧优化与机炉协调控制的实现 J.锅炉制造，2021(4)：25-27.10 ANDERSSON B A，LECKNER B.Experimental methods ofestimating heat transfer in circulating fluidized bed boilers J.International journal of heat and mass transfer，1992，35(12)：3353-3362.（编辑：刘晓芳）3.2差异性支护方案在“煤硬顶底软”条件下，煤厚主要影响锚杆（索）支护效果，则巷道支护设计中应依据不同的顶板条件选用不同的支护方案，依据现场钻孔窥视实测和数值模拟结果，目前 6 300 mm 锚索长度可满足支护要求，在原有设计基础上，修改断面形状为矩形，矩形巷道尺寸为净宽 4.8 m，净高 3.3 m，巷道掘进宽度5.0 m，掘进高度 3.6 m。使用椎20 mm2 500 mm 左旋等强螺纹钢式锚杆，顶锚杆间排距分别为 750 mm900 mm 和 800 mm900 mm，帮锚杆间排距为 900 mm900 mm，顶锚杆扭矩 350 N m，帮锚杆扭矩 200 N m。使用椎17.8 mm6 300 mm 锚索，依据顶板条件使用单体锚索或注浆锚索，间排距为 1 500 mm900 mm或 1 550mm900 mm，“3-2”间隔布置，预紧力 140 kN。图 2 为回采巷道顶板支护剖面图。3.3留设底煤掘进巷道底鼓也是造成马兰矿回采巷道变形的主要原因之一，一般采用底板浇筑砼的方式防治底鼓。砼的强度较高，可以较好地抵抗底板变形，并且起到隔绝水和空气的作用，防止底板围岩被风化侵蚀，但其成本较高，一般需配合底板锚注才能取得良好效果。马兰矿煤层平均厚度较大，采用放顶煤开采方式，目前设备存在极限开采高度，所以必然存在大量顶煤无法回收。由于煤层强度较高，可留设部分底煤，将巷道布置在煤层中，利用煤层的高强度特性抵抗巷道底鼓，后期工作面回采过程中，在超前支承压力的影响下，底板将再次变形。此时可人工清理底板，提高资源回收率，且巷道整体稳定性提高后，顶板和帮部变形也将减小。4结束语基于对马兰矿回采巷道破坏原因的分析，得出造成软岩巷道围岩破坏的主要原因是锚杆（索）锚固力不足，锚杆（索）无法有效发挥支护作用。根据现场情况讨论得出，相比于普通锚固，扩孔锚固可适当提升锚固力；基于已有数据，提出软岩巷道支护方案，建议修改巷道断面形状为矩形，针对“煤厚顶底软”条件，提出依据顶煤厚度差异采用不同的支护方案，将锚杆（索）注浆全长锚固作为锚固增效主要手段，并在掘进巷道进行试验，试验效果良好；提出在巷道掘进过程中留设部分底煤抵抗巷道底鼓。此次研究可以为其他煤矿厚顶煤软岩巷道的支护提供参考价值。参考文献：1许莉.世界煤炭资源供需形势分析 J.中国煤炭地质，2012，24(6)：70-72.2谢和平，刘虹，吴刚.煤炭对国民经济发展贡献的定量分析 J.中国能源，2012，34(4)：5-9.3周宏伟，谢和平，左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究进展 J.力学进展，2005(1)：91-99.4谢和平，王金华，申宝宏，等.煤炭开采新理念：科学开采与科学产能 J.煤炭学报，2012，37(7)：1069-1079.5董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论 J.煤炭学报，1994，19(1)：21-32.6高树棠，董方庭.用围岩松动圈研究锚喷支护参数 J.煤炭科学技术，1987(12)：23-26.7康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应用 J.煤炭学报，2010，35(11)：1809-1814.8 SHEMYAKIN E I.New problems in rock mechanics C/Procee-dings of the 10th Plenary Scientific Session of the InternationalBureau Strata Mechanics.S.l.：International Bureau Strata Me-chanics，1988：17-24.9何满潮，袁和生，靖洪文，等.中国煤矿锚杆支护理论与实践 M.北京：科学出版社，2004.（编辑：刘晓芳）（上接第 61 页）李伟涛：厚顶煤软岩巷道破坏规律与支护技术图 2回采巷道顶板支护剖面图单位：mm锚索：椎17.8 伊 6 300左旋螺纹钢：椎20 伊 2 500800 800800 800750 75080毅4 8005 000左旋螺纹钢：椎20 伊 2 500147