深井强采动沿空巷道破碎煤帮控制技术.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：作者简介：刘国建（），男，四川达州人，年毕业于河南理工大学，现从事煤矿安全工程相关工作。引用格式：刘国建，原小科 深井强采动沿空巷道破碎煤帮控制技术 能源与环保，（）：，（）：，深井强采动沿空巷道破碎煤帮控制技术刘国建，原小科（鄂尔多斯市昊华精煤有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 ）摘要：针对 回风巷沿空巷道煤帮变形严重问题，分析了煤帮变形破坏机制，提出采用注浆锚索以改善煤帮支护效果，根据 回风巷现场条件设计了支护优化方案，通过 模拟研究了巷道围岩变形破坏情况。现场监测数据表明，采用支护优化方案后，煤帮变形得到了良好的控制，巷道变形量较小，顶底板移近量为 ，两帮移近量为 。研究成果可为类似条件沿空巷道煤帮支护工作提供工程借鉴。关键词：沿空巷道；注浆锚索；数值模拟；煤帮变形控制中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；在沿空巷道承载系统内，煤柱需承载上覆岩层传递的载荷，同时由于煤帮较顶底板岩石承载能力较差，常率先发生变形破坏，是沿空巷道围岩控制的重点关注区域 。针对沿空巷道煤帮控制难题，专家学者开展了大量的理论和现场应用等研究工作。何富连等 根据沿空巷道的非对称变形破坏特征，提出了非对称联合控制技术，并在现场取得了良好的控制效果；孟祥军 研究了基本顶断裂位置及锚索支护长度的确定方法，并通过现场实践检验了方法的可靠性；李冠军 研究了锚杆锚索耦合支护效应，分析了影响沿空巷道支护效果的敏感参数，并设计了合理的煤柱宽度和煤帮变形控制技术。本文基于前人研究成果，分析了 回风巷煤帮变形破坏机制，针对巷道现场条件设计了支护优化方案，并进行数值模拟研究优化方案对煤帮的变形控制效果，最终通过现场实践验证了优化方案对煤帮的支护效果，研究成果对类似条件的沿空巷道煤帮支护设计具有参考价值。工程背景 巷道条件赵固二矿 工作面回风巷位于矿井四盘区最东部，与 工作面运输巷平行布置，中间留有保护煤柱。回风巷平均埋藏深度约为 ，断面尺寸为 ，沿煤层顶板布置，设计长度 。回风巷位置如图所示。年第 期刘国建，等：深井强采动沿空巷道破碎煤帮控制技术第 卷图 回风巷位置示意 回风巷布置于二煤层内，煤层平均厚度为 ，煤层倾角 ，为近水平煤层。每层伪顶为厚 的泥岩，直接顶为 的砂质泥岩和泥岩互层，基本顶为 的大占砂岩，底板为厚 的砂质泥岩和泥岩互层。煤层顶底板柱状如图 所示。图 煤层顶底板柱状 原支护参数 回风巷顶板支护选用 的钢绞线锚索，每排 根，间排距为 ；选用 螺纹钢锚杆，每排 根，间排距为 ；巷帮支护选用 的螺纹钢锚杆，每排 根，间排距为 ，选用 钢带和网格尺寸 的金属网护表。原支护方案断面如图所示。受邻近 工作面开采扰动及采空区覆岩运移作用影响，回风巷煤柱侧巷帮表面变形严重，煤体破碎膨出，煤帮鼓出量达 ，煤柱侧帮部锚杆支护发生松动脱出情况（图 ），巷道发生的显著变形破坏将影响巷道的正常服务，后期返修工程量大。图 原支护方案断面 图 回风巷煤帮变形情况 沿空巷道煤帮变形破坏机制为探析沿空巷道煤柱变形破坏机制，先利用莫尔圆对 回风巷沿空巷道服务期间的煤帮力学环境变化过程进行分析。在 工作面采空后，回风巷同 运输巷间的留设煤柱需承受破断基本顶倾斜下沉运动传递的集中载荷，在覆岩下沉运移过程稳定前煤柱持续发生屈服变形破坏。工作面采空后 回风巷煤柱损伤破坏过程的受力莫尔圆如图 所示，沿空巷道煤柱损伤莫尔圆圆心坐标为（），），直径为 。其中，莫尔圆 为 回风巷开挖前的原岩应力状态，莫尔圆 为 回风巷开挖后，莫尔圆 为 工作面采空后，线为煤体未破坏的抗剪强度包络线，线表示 工作面采空后破坏弱化的煤体抗剪强度包络线。通过摩尔库仑强度准则对 回风巷煤柱的变形破坏过程进行分析。回风巷在掘成后，煤柱水平方向的 发生卸压减小，圆心左移、半径变大，莫尔圆由 变为 ；工作面采空后顶 年第 期能源与环保第 卷板发生倾斜下沉，煤柱承受上方运移岩层传递的重力载荷，垂向应力水平显著增大，数值增加，圆心右移、半径变大，莫尔圆由 为 。图 回风巷煤帮破坏过程的莫尔圆 沿空巷道煤帮稳定性控制技术根据前文对沿空巷道煤帮变形破坏机制的分析，认为控制沿空巷道的煤帮变形应从改善围岩的力学环境和承载能力 方面出发，基于此提出了 回风巷沿空巷道煤帮稳定性控制技术方案。具体参数为：在原支护方案的基础上，在沿空侧煤帮上增加注浆锚索支护，注浆锚索垂直煤帮布置，距底板 ，每排根，间距为 （图），注浆锚索型号为 。图 回风巷支护优化方案断面 煤帮支护效果模拟为研究提出的煤帮支护优化方案的变形控制效果，构建了 回风巷 数值模型，并模拟了不同锚索排距和预紧力煤帮变形控制效果。模型长 、宽 、高 ，如图所示。模拟得出的支护优化方案下预应力分布情况及煤帮的变形破坏情况如图 图 所示。图 数值模型 图 原支护预应力分布 从图 可以看出，采用原支护方式时，煤柱帮部预应力场分布水平较低，承载能力较弱。采取优化支护方案后，预应力水平显著提升，改善了煤柱抗变形能力。不同锚索排距下预应力场分布及巷道变形情况如图 所示。由图 可以看出，增大帮部注浆锚索的排距会显著影响预应力传递效果及巷道变形量。种间距方案中，间距过于密集，锚索间的预应力场相互扰动；间距较为稀疏，锚索间的预应力场未连通；的预应力分布情况较为理想，同时巷道变形量最小。不同预紧力支护下预应力场分布及巷道变形情况如图 所示。由图 可以看出，增大预紧力会明显改善预应力传递效果、降低巷道变形量。种预紧力方案中，预紧力下煤帮支护效果最好，巷道变形量最小。因此，选定帮部锚索的最优支护参数为排距 ，预紧力 。此处列出最优方案的模拟结果云图如图 所示。巷道垂向收敛量为 ，书书书 年第 期刘国建，等：深井强采动沿空巷道破碎煤帮控制技术第 卷图 不同锚索排距模拟结果 图 不同预紧力模拟结果 水平方向收敛量为 ，巷道断面的整体变形收敛量较小；煤柱帮塑性破坏深度为 ，塑性破坏 年第 期能源与环保第 卷深度未超过锚索及锚杆的锚固范围，同时煤柱内存在未塑性破坏区域，表明通过注浆锚索加固后煤帮承载能力得到有效改善，优化方案较为适用合理。图 优化方案数值模拟结果 现场工业性试验数值模拟结果表明提出的煤帮稳定性控制技术较为合理，因此开展现场试验对技术进行检验，并进行了现场变形监测以评价巷道变形的控制效果，监测数据统计如图 所示。从图 中可以看出，采取支护优化方案后巷道变形得到有效控制，变形稳定后顶底板移近量为 ，两帮移近量为 ，同原支护相比降低了 。现场沿空巷道的煤帮变形控制效果如图 所示，可以看出巷道帮部较为完整，变形较小，巷道断面收敛量较小，表明煤帮稳定性控制技术现场适用性及控制效果良好。图 现场监测巷道变形量 图 巷道支护效果 结论（）为解决 回风巷沿空巷道煤帮变形严重问题，分析了沿空巷道煤柱的变形破坏机制，根据 回风巷条件设计了优化方案，并利用 软件模拟了对煤帮的支护效果。（）现场监测数据表明，沿空巷道煤帮稳定性控制技术的应用显著降低了巷道变形量，巷道变形稳定后顶底板移近量为 ，两帮移近量为 ，煤帮变形得到了有效控制。（下转第 页）年第 期梁连峰，等：煤矿综放回采含水顶板工作面巷道支护技术研究第 卷和锚索支护效果。结语以煤矿综放回采工作面为研究对象，通过数值模拟分析方法总结煤矿综放回采工作面围岩应力分布与变形规律，结合工作面现有支护方案存在的不足，提出对应支护方案，具体支护方案包括顶板支护和巷道两帮支护 方面内容，为验证巷道支护效果，从巷道表面位移监测、巷道顶板离层量监测 个角度进行支护效果监测，最终确定此支护方案具有较强的可行性，可在后续煤矿综放回采工作面支护中进行参考应用。参考文献（）：车育晋 东峰煤矿综放工作面回采巷道支护优化探讨 江西煤炭科技，（）：，（）：刘栋梁，金鑫，陈建强 碱沟煤矿急倾斜煤层大段高顶煤超前预裂综放工作面回采巷道支护的系统研究 山东煤炭科技，（）：，（）：高俊虎 庞庞塔煤矿大倾角煤层巷道联合支护技术研究与应用 能源与环保，（）：，（）：卓知权，黄庆享，黎兴强，等 古叙矿区 三软 煤层巷道支护技术设计及应用 矿业安全与环保，（）：，（）：王建伟 预应力桁架锚索支护技术在动压巷道中的应用 能源与环保，（）：，（）：权军军 煤矿高预应力，强力锚杆巷道支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：郭原伟，史芳，刘占新 基于 的煤矿巷道锚杆支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：隋世伟 基于极限平衡理论的大断面巷道支护技术 中州煤炭，（）：，（）：汪超，陈朋磊，刘欢欢 高应力大断面巨厚泥岩渗水顶板煤巷梯次支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：，吴如超 葛店矿倾斜煤层回采巷道支护技术优化 中州煤炭，（）：，（）：台洪斌，赵烨，张道文，等 煤矿大断面巷道超前临时支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）参考文献（）：李瑞志 厚煤层沿空巷道静态及动态叠加围岩控制技术研究 山东煤炭科技，（）：，（）：，川川 千米深井小煤柱沿空巷道围岩稳定性控制技术应用研究 济南：山东科技大学，李建建 综放沿空留巷锚注支护应用 济南：山东大学，何富连，卢恒，秦宾宾，等 特厚煤层综放沿空巷道煤柱合理宽度与巷道支护研究 煤炭工程，（）：，（）：孟祥军 基于基本顶断裂位置的综放沿空掘巷煤帮支护技术 煤炭科学技术，（）：，（）：李冠军 综放沿空动压巷道合理煤柱宽度及支护技术研究 淮南：安徽理工大学，