陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：作者简介：南晶晶（），男，陕西渭南人，高级工程师，年毕业于西安科技大学采矿工程专业，主要研究方向为矿井通风安全。引用格式：南晶晶，刘斌，李方超 陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践南晶晶，刘斌，李方超（陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 渭南 ）摘要：以陕西西卓煤矿 胶带运输巷在掘进期间过陷落柱为工程背景，在利用 数值模拟分析对巷道掘进围岩稳定性影响的基础上，提出采用缩短锚杆锚索支护间排距、架设 型钢棚支护和加长锚杆锚索等方法对围岩进行控制。现场实测表明，顶板变形量和两帮移近量均在预警指标允许范围内，巷道围岩稳定性得到了显著提高，取得了预期效果，可为巷道遇陷落柱时的围岩控制提供参考。关键词：陷落柱；数值模拟；巷道支护；围岩控制中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；：巷道掘进遇陷落柱时，附近的围岩通常裂隙发育、破碎、强度低，无稳定结构或稳定性差，容易出现顶板垮落、片帮、冒顶，因此加强对陷落柱围岩稳定性的研究尤为重要。近年来，众多学者通过数值模拟方法并结合煤矿工程背景，建立符合掘进实际情况的模型，研究陷落柱对巷道掘进、煤层开采的复杂影响状态，分析陷落柱对围岩稳定性影响的机理与矿压显现规律 。采用锚杆、锚索、喷浆相结合的支护方式是陷落柱存在的巷道围岩支护的有效手段之一 ；永丰煤矿采用“喷浆架棚”的联合加强支护技术，取得了显著的应用成果 ；赵家山煤业有限公司采用锚网带索加工字钢加强支护措施，在 胶带巷过 陷落柱期间取得了明显效果，提高了围岩稳定性 ；晋能控股煤业集团煤峪口矿 号层一盘区 系统巷穿越前方 陷落柱时，采用锚杆（索）、架棚、注浆支护相结合的支护技术，提升了煤矿工作面掘进过陷落柱施工进度 。以西卓煤矿 胶带运输巷掘进期间遭遇陷落 年第 期南晶晶，等：陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践第 卷柱为工程背景，在利用 数值模拟分析对巷道掘进围岩稳定性影响的基础上，拟采用缩短锚杆锚索支护间排距、架设型钢棚支护和加长锚杆锚索等方法对围岩进行控制，以期取得良好支护效果。工程背景西卓煤矿 工作面 号煤层厚 ，平均为 ，埋深 ，煤层倾角 。号煤层上部为砂质泥岩，深灰色、致密，以泥质为主，含有较多砂质；煤层下部为粉砂岩、石英砂岩。运输巷设计长度 ，巷道高 、宽 。根据该工作面掘进地质说明书，运输巷在掘进期间会遭遇 陷落柱，陷落柱平面投影近似为圆形，半径约为 。该陷落柱内岩层较为破碎，无稳定结构，稳定性差，会影响 运输巷掘进过程中围岩稳定性与支护效果。陷落柱影响下巷道掘进数值模拟 模型建立根据西卓煤矿 工作面运输巷掘进实际情况，应用显式有限差分软件 模拟软件，模拟出运输巷掘进过程中在陷落柱影响下应力分布和位移形变，模拟过程遵循 准则。其中，模型的四周设为滚动轴承，约束法向位移，底面设为固定边界，顶部根据煤层埋深施加垂直应力 。根据西卓煤矿 工作面煤岩层分布建立模型如图所示，模型长 、宽 、高 。巷道宽 ，沿 轴方向以 为步距模拟掘进 。陷落柱设置为正方体，边界距巷道 ，边长 。煤岩层力学参数见表 ，其中陷落柱中具体参数是在原始数据的基础上乘以弱化系数。图 数值模型 表 煤岩力学参数 岩性厚度密度（）体积模量 剪切模量 黏聚力 抗拉强度 内摩擦角（）顶部岩层 砂泥岩 煤层 陷落柱 砂质泥岩 底部岩层 巷道围岩垂直应力的变化特征在数值模拟中，将巷道右帮延长线、陷落柱水平中心线的交叉点设置为坐标原点，垂直应力监测线布置在陷落柱水平中心线上，以监测巷道两帮围岩垂直应力变化情况。巷道掘进至距坐标原点 、处 轴方向的垂直应力变化，如图所示。图 巷道围岩应力位移监测和垂直应力随掘进变化特征 从图 （）可以看出，巷道两帮垂直应力在巷道顶板区域最大，并随着远离巷帮垂直应力先减小后 年第 期煤炭科技第 卷增大。巷道左侧围岩垂直应力最小值位于 处，即距离左帮 ，不受掘进工作推进的影响；沿掘进方向上，从 到 处巷道右侧应力最小值分别位于距右帮 （）、（）、（）、（）和 （）的位置处，右侧最小垂直应力均大于左侧。巷道在掘进至 、处，巷道右侧垂直应力最大值均大于掘进至 、处的应力值，并且垂直应力减小速度较快。这表明巷道开采经过陷落柱区时垂直应力增大，而且掘进影响范围也显著增大，因此在巷道掘进至陷落柱附近时应该加强支护。巷道两帮位移与塑性区的演化巷道两侧围岩位移随掘进进尺的变化情况如图所示，巷道掘进塑性区分布如图 所示。图 巷道两侧围岩位移随掘进进尺的变化 图 巷道掘进塑性区分布 由图 可知，巷道左侧围岩位移量随距巷帮距离的增加呈现逐渐减小的趋势，而巷道右侧围岩位移随距离巷帮增加呈现先减小后增大的趋势。当巷道掘进从 进尺至 处，巷道右侧围岩的最小位移分别位于距右帮 、位置，其中当巷道掘进至 、处时，距巷道右帮 处的位移量开始急剧增加，其中在掘进至 时围岩位移的增加量最大，、的增加量基本相同，掘进至 、处时位移量的变化和巷道左帮相差不大。这表明陷落柱的存在导致巷道右帮的位移量增加，从刚开始靠近陷落柱巷道时，随着巷道的继续开采，位移量呈现先增加后减小的趋势，靠近陷落柱处应加强巷道右帮的支护，以加强安全开采。由图 （）可知，未经过陷落柱时巷道左右两帮的塑性区相差不大，而且塑性区域较小；随着巷道的掘进，由图 （），当开采到陷落柱时，巷道右帮的塑性范围开始增大；当巷道掘进到 时，如图 （）所示，巷道右帮的塑性区域明显增加，大于巷道左帮；由图 （），工作面远离陷落柱时，巷道右帮塑性破坏深度又开始不断减小，塑性破坏范围减小，巷道左右两帮塑性区域趋于正常，但是靠近陷落柱区域时的巷道右帮的塑性区域仍然较大。巷道掘进方向塑性区分布如图 所示。巷道采掘完后陷落柱区域中心和塑性区域 处，巷道右帮塑性区域明显多于巷道左帮。当巷道掘进经过陷 年第 期南晶晶，等：陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践第 卷落柱时，巷道右帮的塑性区域增加，巷道岩石强度降低，导致巷道容易发生偏移。因此，应在经过陷落柱区应加强巷道右帮的支护。图 巷道掘进塑性区分布 巷道支护方案 未受陷落柱影响巷道支护方案西卓煤矿 运输巷采用锚网、锚索、喷浆作为永久支护，最大控顶距为 ，最小 。巷道支护方案如图 所示。图 顶板帮部锚杆锚索布置示意 （）顶板支护。锚杆采用杆体为 号左旋无纵筋螺纹钢筋，直径 ，长度 ，锚杆垂直顶板，每排 根锚杆，间排距均为 ，采用两支树脂药卷锚固剂，钻孔直径 ，锚固长度 。顶板采用钢筋网护顶，网格为 ，规格为 ，联网间距 。顶板锚索使用高强度低松弛预应力钢绞线，直径 ，长度 ，钻孔直径 ，锚固长度 ，每排布置 根，排间距 。（）帮部支护。帮部支护锚杆形式和规格、锚固方式与顶部支护相同，锚杆角度垂直巷帮，每排每帮根锚杆，间排距 。帮部支护锚网采用钢筋网 铁丝网双网支护，钢筋网孔规格为 ，网片规格为 ；铁丝网网格为 ，规格为 ，联网间距 。帮部支护锚索材料、锚索托板与顶部支护相同，长度 ，钻孔直径 ，采用两支 树脂药卷锚固，锚固长度 ，排距 。（）喷浆。采用 型喷射混凝土机，喷射混凝土厚度 ，喷射混凝土强度 。喷浆支护距离掘进面最大距离不超过 。受陷落柱影响巷道支护方案 运输巷在经过陷落柱期间，避免出现较大变形可通过缩短锚杆锚索支护间排距、执行架设 型钢棚支护和加长锚杆锚索等方法，改进支护、维护围岩稳定，避免顶板冒落、片帮等事故的发生。（）型钢棚支护。增加 型钢棚支护，可以有效地加强围岩的支护能力，减小巷道两帮的移近 年第 期煤炭科技第 卷量，保证安全开采。使用锚网索喷加 型钢全断面支护，采用 节支架，净宽 、净高 ，支护棚距 。棚与棚之间采用 的扁钢配合拉杆螺栓进行连接，棚腿基础深度 ，连接数量 道。型钢棚梁后身帮、顶不实处采用 的半圆木背板进行背实背牢，保证 型钢梁贴近巷道围岩，确保有效控制经过陷落柱期间出现较大变形对采掘的影响。（）缩短锚杆、锚索支护排距。运输巷经过陷落柱附近时，可采取缩短锚杆、锚索支护排间距来增强支护作用，以加强围岩的稳定性。在原设计基础上，顶板和帮部锚杆排间距改为 ，顶板每排 根锚杆，帮部每排每帮 根锚杆顶板锚索排间距改为 ，每排布置 根，排距 。（）加长锚杆锚索。增加锚杆、锚索的长度可增强巷道的支护效果。在原设计基础上，顶板和帮部均采用 左旋无纵筋 号螺纹钢筋，长度 ，锚固方式采用树脂加长锚固，锚固长度 。顶板锚索钢绞线长度增加为 ，锚固长度增加为 ，帮部锚索钢绞线长度增加为 ，锚固长度增加为 。根据数值模拟分析，并结合现场实际情况，为节省成本，可以仅对巷道右帮使用改进的支护方案。围岩控制效果在锚网支护的煤巷采用 型（丁字型）顶板离层仪监测顶板下沉量，沿顶板中心线安装。采用十字布点法监测巷道收敛变形，在每个测站断面的顶、底板和两帮各布置 个测点。测点安设方法如下：在测点处钻直径 、深 垂直围岩表面的钻孔，将直径 、长约 的木桩打人孔内，木桩端部安设环形钩和平头测钉，作为测量基点。监测周期为 周，选择的监测点为沿掘进方向与陷落柱中心点交界处和前后各 处，共个点。监测数据见表 。表 煤巷变形 周次 深部 浅部 两帮移近量 深部 浅部 两帮移近量 深部 浅部 两帮移近量 巷道经过陷落柱时采用缩短锚杆锚索支护间排距、执行架设 型钢棚支护、加长锚杆锚索联合支护，锚网、锚索、喷浆作为永久支护。监测期间位于掘进方向与陷落柱中心交界处监测值较大，深基点刻度值为 ，浅基点刻度值为 ，两帮移近量为 。距掘进方向与陷落柱中心交界处 处监测值较小，深浅基点刻度值分别为 、，两帮移近量为 。距掘进方向与陷落柱中心交界处 处监测值与 处相近，深浅基点刻度值分别为 、，两帮移近量为 。预警指标深浅基点分别为 、，两帮 ，因此所有监测点的监测值均小于预警指标，且变化较小，这表明巷道稳定、变形较小，巷道支护效果良好，改进的支护方案达到预期目标。结论（）通过 数值模拟和分析发现，巷道围岩靠近陷落柱侧，垂直应力变化明显，围岩变形量和围岩塑性区域增加，围岩的稳定性降低。（）针对陷落柱导致围岩变形特征，改进原锚网、锚索、喷浆作为永久支护方案，提出了缩小锚索支护间排距、架设 型钢棚、加长锚杆锚索的联合支护方案。（）通过顶板离层仪监测发现，采用改进的联合支护方案，巷道两帮的移近量、深部与浅部位移量均在预警指标允许范围内，表明改进方案对围岩控制效果较好，能保证过陷落柱期间巷道的稳定，实现 年第 期南晶晶，等：陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践第 卷了预期目标。参考文献（）：姬剑中 面回风顺槽过陷落柱安全开采技术实践 江西煤炭科技，（）：，（）：陈帅 回采巷道过陷落柱破碎带联合支护技术研究 山东煤炭科技，（）：，（）：侯艳峰 掘进巷道过背斜构造内陷落柱巷道支护技术研究 煤矿现代化，（）：，（）：李斌，周起谋，刘虎生 煤层开采推过陷落柱矿压显现规律数值模拟研究 煤炭与化工，（）：，（）：，赵云虎，魏军强 综采工作面过大陷落柱技术与实践 煤炭技术，（）：，（）：马卫波 大断面巷道过陷落柱期间的技术研究与实践 煤炭与化工，（）：，（）：，李浩男 厚煤层回采巷道掘进过陷落柱围岩控制技术研究 煤炭与化工，（）：，（）：武双忠 掘进巷道过陷落柱破碎围岩控制技术研究 山西冶金，（）：，（）：，彭海巍 下山斜巷过陷落柱区支护技术应用 机械管理开发，（）：，（）：田强，董传宝，李金桥 掘进巷道过陷落柱支护方式优化 山东煤炭科技，（）：，（）：刘根民，齐德明 煤矿巷道掘进过陷落柱施工技术研究 凿岩机械气动工具，（）：，（）：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）程卫民 矿井粉尘防治理论与技术 北京；煤炭工业出版社，王惠风，陈殿赋 掘进工作面粉尘综合治理技术与实践 矿业安全与环保，（）：，（）：李雨成，高军军，赵勉，等，基于 的新型风幕控尘装置的模拟研究及其应用 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