安山煤矿回采巷道支护参数优化研究.pdf

第4 6 卷第8 期2023年8 月采矿与井巷工程安山煤矿回采巷道支护参数优化研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.8Aug.2023罗南洪1，张玉虎1，杜超杰，段江飞2（1.陕西涌鑫矿业有限责任公司安山煤矿，陕西榆林7 1 9 4 0 0；2.陕西涌鑫矿业有限责任公司，陕西榆林7 1 9 4 0 0）摘要：针对安山煤矿3-煤层回采巷道存在支护密度大、强度低以及经济指标不合理等问题，以3-1 煤层1 3 3 1 1 2 胶运顺槽为研究对象，进行巷道支护参数优化。通过岩石力学实验、数值模拟、支护参数理论计算及钻孔窥视等手段优化1 3 3 1 1 2 胶运顺槽巷道支护参数，采用高强度、高刚度、高可靠性锚杆，同时适当降低支护密度，确定最佳的支护参数。现场工程实践表明，采用新的支护参数能满足回采巷道在服务期间安全使用要求，且经济及社会效益显著。该研究能有效指导后期矿井开采过程中巷道支护设计，为实现高产高效、本质安全型矿井打下坚实的基础。关键词：锚杆支护；支护参数优化；钻孔窥视；数值模拟中图分类号：TD353Study on support parameter optimization of miningLuo Nanhong,Zhang Yuhu,Du Chaojie,Duan Jiangfei?(1.Anshan Mine,Shanxi Yongxin Mining Co.,Ltd.,Yulin 719400,China;2.Shanxi Yongxin Mining Co.,Ltd.,Yulin 719400,China)Abstract:Aiming at the problems of high support density,low strength and unreasonable economic indicators in No.3-1coal seam mining roadway of Anshan Mine,No.133112 transportation roadway of No.3-l coal seam was taken as theresearch object to optimize the roadway support parameters.By means of rock mechanics experiment,numerical simulation,theoretical calculation of support parameters,and drilling peeping,the support parameters of No.133112 transportationroadway wwere optimized.Optimal support parameters were determined.The field engineering practice showed that the newsupport parameters met the requirements of safe use of the mining roadway during the service period,and its economic andsocial benefts were significant.This research could effectively guide the design of roadway support in the later mine miningprocess,and laid a solid foundation for the mine to achieve high-yield,high-efficiency,and intrinsically safe mines.Key words:bolt support support parameter optimization;borehole peeping;numerical simulation文献标识码：Broadway in Anshan Mine文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 8-0 0 3 5-0 3在井下工作面开采中，巷道是工作面开采及井田开拓的重要通道，矿井每年巷道掘进量达几千米。如果巷道支护参数不合理，会导致支护密度过大、上下隅角无法及时跨落造成顶板安全隐患等-3。为解决以上问题，本文以安山煤矿3-煤层133112胶运顺槽为研究对象，采取理论分析、岩石力学实验、数值模拟手段，得出最佳锚网支护参数，推动安山煤矿实现安全高效绿色高质量发展。责任编辑：任伟D0I:10.19286/ki.cci.2023.08.009作者简介：罗南洪（1 9 7 8 一），男，重庆永川人，工程师。引用格式：罗南洪，张玉虎，杜超杰，等.安山煤矿回采巷道支护参数优化研究 J1.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（8）：3 5-3 7，7 8.1概况1.1巷道概况安山煤矿隶属于陕西涌鑫矿业有限责任公司，地处陕西省榆林市庙哈孤矿区东南部，行政区划隶属府谷县管辖。井田面积54 km，设计生产能力1.20Mt/a，服务年限50 a，采用平碉开拓方式。矿井地质构造简单，煤层倾角平缓，可采煤层5层，自上而下依次为2-2、3-1、4-2、5-1 和5-2 煤，目前352023年第8 期正开采3-1 煤层。1 3 3 1 1 2 胶运顺槽布置于3-1 煤层中，巷道埋深约6 0 m，矩形断面S掘=宽高=5.4 2.8=15.12 m。1.2133112胶运顺槽原支护参数133112胶运顺槽顶板锚杆采用20mm2200mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1 0 0 0 mm1100mm，每排6 根，锚杆锚固力为1 0 0 kN，预紧力矩1 0 0 Nm；顶板锚索采用17.8mm6000mm钢绞线，间排距2 4 0 0 mm3300mm，锚索预紧力为1 0 0 kN，采取“1-2-1”布置。岩性抗压强度/MPa抗拉强度/MPa剪剪切强度/MPa粉砂岩42.68泥岩30.642.2钻孔窥视煤矿井下围岩结构的钻孔窥视仪器主要为电子钻孔窥视仪，其工作原理是钻孔摄像头将光线转变成电子房号，然后将图像显示于监视器上进行观察。采用钻孔窥视仪对巷道松动圈范围的测量可以确定合理可靠的支护方式，并为支护参数的选择提供依据。本次采用CXK12（B）矿用钻孔成像仪，对1 3 3 1 1 2 胶运顺槽顶帮围岩松动圈进行观测。如图1 可知，巷道顶板岩体中发育各种横向、纵向、斜交节理与裂隙，有些裂隙张开度较大。从顶板钻孔孔口向上0.3 m范围内，岩体以横向裂隙为主。0.3 1.6 m，岩体纵横微裂隙发育。1.6 m以后无裂隙及节理发育，钻孔孔壁光滑，没有肉眼可见的裂隙及节理，岩体完整度较高。由以上分析可知，巷道顶板松动圈范围在1.6m以内，该结果为巷道锚杆（索）支护中各参数设计提供有力数据支撑。2.3回采巷道支护参数理论计算掘锚杆支护是通过围岩体内部的杆体，改变围岩本身的力学状态，提高围岩强度，从而在巷道岩体内形成一个完整稳定的承载圈，达到维护巷道的目的。因此，根据相关锚杆支护理论，计算锚杆的各项支护参数。(a)0.3 m处图1 观测结果Fig.1 Observation results36煤炭与化工2巷道支护参数优化2.1岩石力学实验煤层顶板物理力学参数是数值计算、相似模拟、顶板分类和现场安全生产管理的基础性工作，是巷道支护设计的基础。通过采集安山煤矿3-煤层采掘工作面煤岩样，在实验室内加工并进行力学参数测试。将测试结果运用至实际工程中，为后续巷道支护设计及相关数值模拟提供各项参数 4-5。岩石力学参数见表1。表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters内摩擦角/(）内聚力/MPa弹性模量/CPa4.677.533.946.31(b)1.5 m处(c)1.6 m 以后第4 6 卷323.97292.27LLi+L2+L3B+Htan(45-0/2)式中：L为锚杆总长度，mm；Li 为锚杆外露长度(托板厚度+螺母厚度+mm，此处顶锚杆取50 mm），mm；L为锚杆有效长度，mm；L,为锚固端长度，取7 0 0 mm；1 3 3 1 1 2 工作面回采巷道矩形布置，巷道掘高为2.8 m，掘宽为5.4 m，所以B取值为5.4 m，H 取值为2.8 m；f 顶为顶板岩石普氏系数，取值为2.6；为两帮围岩的内摩擦角，取值为4 8。可计算出，Lz=1 442mm。则L2192mm，取值锚杆长度为2 2 0 0 mm，可基本满足支护要求。锚杆间距按式（3）计算：DLI2式中：D为锚杆间距，mm；L为锚杆长度，mm，则 D1 200 mm。KL2Y式中：中为锚杆排距，m；G 为锚杆设计锚固力；k为安全系数，取值2；Lz为锚杆有效长度，取值为1 4 4 2 mm；为容重，取值2 3 KN/m。根据式（4）可得出锚杆排距1025mm，取值1 0 0 0mm。针对巷道围岩特点，采用锚索进行加强支护，锚索长度：La=Lal+La+LsLa=D,10TDT式中：La为锚索长度，m；La 为锚索外露长度；La为锚索有效长度，取3 m；L为锚索锚固长度，3.993.72G(1)(2)(3)(4)(5)(6)罗南洪等：安山煤矿回采巷道支护参数优化研究m；N为锚索锚固力，kN；选取17.8mm的锚索，预紧力设计为1 50 kN；D 为锚索直径，mm；T为锚固剂与岩石之间的粘结强度，取1 0 N/mm。根据式（5）及式（6）的计算结果，最终选取锚索长度为6 m。表2 为锚杆（索）支护设计各参数。2.4数值模拟2.4.1数值模拟方案为了评价目前3-1 煤回采巷道支护参数的合理性，在3-煤回采巷道原支护方案的基础上，依据“三高一低”支护理念，结合现场实际情况及理论计算结果，提出两种新的支护方案，本次分别对方案a（原支护方案，锚杆20mm2200mm，间排距1 0 0 0 mm1100mm，锚杆锚固力为1 0 0 kN；项目规格/mm锚杆 20 2 200锚索17.8 6 000FLAC3D5.00Cabhte2023年第8 期锚索17.8mm6000mm，间排距为2 4 0 0 mm3300mm，锚索预紧力为1 0 0 kN）、方案b（锚杆20mm2200mm，间排距1 1 0 0 mm1000mm,锚杆锚固力为1 0 0 kN；锚索17.8mm6000mm，间排距2 4 0 0 mm3300mm，锚索预紧力为1 50kN）和方案c（锚杆22mm2400mm，间排距1000mm1200mm，锚杆锚固力为1 50 kN；锚索18.9mm6000mm，间排距2 4 0 0 mm3600mm，锚索预紧力为2 0 0 kN）进行数值模拟分析。2.4.2结果分析采用FLAC3D数值模拟软件模拟上述3 种支护方案，分析不支护方案下巷道围岩变形应力云图及位移云图，为选取最佳巷道支护参数提供依据。垂直应力云图如图2 所示，垂直位移云图如图3 所示。表2 支护参数设计Table 2 Design of support parameters间排距/mm1 000 1 1002.4003300FLAC3D5.00锚固力/kN100预紧力/kN预紧力矩/Nm150150FLAC3D5.00(a)方案aFLAC3I5.(b)方案b图2 垂直应力云图Fig.2Cloud diagram of vertical stressFLAC3D5.00(c）方案cFLAC3D5.00-Displae(a)方案a图2 中，巷道开挖后浅部围岩应力得到释放，在顶底板形成应力拱，应力拱随着深度的增大，其应力值也随之增大，逐渐达到原岩应力水平。原方案a两帮最大垂直应力位于帮部1.5m深处，最大应力约为7.57 MPa。通过与方案b和方案c对比可知，顶板应力释放区应力由原来的0.0 4 3 7 MPa减小至0.0 3 3 3 MPa和0.0 2 3 5MPa，两帮峰值应力及(b)方案b图3 垂直位移云图Fig.3 Cloud diagram of vertical displacement所在位置也均有所减小。图3 中，在原方案a下，巷道中部下沉量最大，巷道顶板最大下沉量约为51.8mm，下沉范围在顶板0 3 m；相比支护方案a，方案b和方案c的顶板最大下沉量分别为4 5.2mm和2 7.7 mm，较原方案a顶板下沉量分别减少6.6mm和2 4.1 mm。综合对比方案b和方案c，方（下转第7 8 页）37(c)方案c2023年第8 期水阵地的套管口上部安装上T字形过滤装置，套管口外围打木垛，保护已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面进风顺槽通尺3 46 m处排水阵地的套管口不被堵死，老空水能够顺利进行疏放。2431-法兰盘；2-133钻孔；3-安尔；4-肋条；5-108钢管；6-截止阀门；7-岩墙；8-压力表图3 孔口装置示意Fig.3 Schematic of orifice device0.1m32钢管挡板图4孔口测压装置示意Fig.4 Schematic of orifice pressure measuring device2.2疏放效果分析通过在已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面底板瓦斯抽采巷中向已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面进风顺槽通尺3 46 m处排水阵地施工顶板钻孔，并对孔口装置进行保护，实现了对已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面和顶板已1 5-3 1 0 3 0、已1 5-3 1 0 5 0 工作面采空区积水的有效疏放，共计疏放出老空区积水5 6 8 5 3 m。在已1 6-1 7-3 1 0 3 0 工作面（上接第3 7 页）案c控制围岩变形效果明显。2.5效益分析方案c增加了锚杆的长度和直径，减小了锚杆支护密度，同时增加锚杆(索）的锚固力及预紧力。方案c支护材料费用为3 9 0.9 元/m。1 3 3 1 1 2 工作面辅运顺槽掘进长度按照大约1929m计算，增加锚杆（索）排距后，可少施工锚杆钻孔约1 0 0 0 个，锚索钻孔约7 0 个。按人力成本1 0 元/根（锚杆）、2 0 元/根（锚索）计算，再加上机器耗损等，可节约人力成本约1 40 0 0 元。3 结 语以安山煤矿3-1 煤层回采巷道为工程背景，采取岩石力学实验、钻孔窥视、理论分析、数值模拟等方法，优化支护参数。巷道顶板围岩采取高强度、高刚度锚杆，保证了巷道在服务期间满足安全78煤炭与化工回风巷掘进期间揭露了该埋管引水钻场，现场显示钻场内木垛和孔口管口T字形过滤装置均处于完整的正常状态，仍然可以将水引至已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面底板瓦斯抽采巷，实现了已1 6-1 7-3 1 0 3 0 工作面回8风顺槽的安全掘进。560.2m7截止阀门第46 卷3结语此次在平煤十二矿已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面底板瓦斯抽采巷向工作面最低点施工钻孔，进行预埋管引水，共计疏放出老空区积水5 6 8 5 3 m，消除了已1 6-1 7-3 1 0 3 0 工作面回风巷掘进期间的老空水威胁，实现了已1 6-1 7-3 1 0 5 0 工作面回采结束后形成的采空区积水有效疏放，保证了相邻的了已1 6-1 7-3 1 0 3 0 工作面回风巷的安全掘进。参考文献：1 董书宁，虎维岳.中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素 J.煤田地质与勘探，2 0 0 7（5）：3 4-3 8.2李文平，乔伟，李小琴，等.深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向 J.煤炭学报，2 0 1 9，44（8）：2 43 7-2.448.3陈江峰，黄玉峰，熊法政.承压水导升过程中微裂隙扩张分析 J.地质与勘探，2 0 1 7，5 3（1）：1 5 7-1 6 3.4黄庆林，姚依林，孟亮亮，等.水压对岩体的破坏作用及深部巷道底板增压突水试验研究 J.中州煤炭，2 0 1 5（5）：19 23.5李博.浅埋煤层覆岩活动规律与顶板水涌出关系数值模拟研究 D.西安：西安科技大学，2 0 1 9.6狄胜同，贾超，张少鹏，等.华北平原鲁北地区地下水超采导致地面沉降区域特征及演化趋势预测 J1.地质学报，2020,94（5):1 6 3 8-1 6 5 4.使用要求。通过优化支护参数，减少了锚杆的排距，从而降低工人劳动强度，提高了掘进速度。根据经济社会效益分析，选取最佳支护方案，可满足巷道回采期间围岩稳定性要求。参考文献：1康红普.我国煤矿巷道围岩控制技术发展7 0 年及展望 J岩石力学与工程学报，2 0 2 1，40（1）：1-3 0.2张明磊，张益东，季明，等.基于模糊可拓综合评价方法的巷道支护参数优化 J.采矿与安全工程学报，2 0 1 6，3 3(6):972-978.3吴昕.深井高应力巷道支护参数优化研究 J煤炭科学技术，2 0 1 4,42（7)：1 4-1 7.4马建兴，马强.岩石力学实验课的教学改革研究 J.实验室科学，2 0 1 1，1 4（2)：3 2-3 4.5李化敏，李回贵，宋桂军，等.神东矿区煤系地层岩石物理力学性质 J.煤炭学报，2 0 1 6，41（1 1）：2 6 6 1-2 6 7 1.6康红普，司林坡，苏波.煤岩体钻孔结构观测方法及应用J.煤炭学报，2 0 1 0，3 5（1 2)：1 9 49-1 9 5 6.