巷道掘进支护控制措施研究_成培峰.pdf

202313技术应用与研究120Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究120Modern Chemical Research当代化工研究巷道掘进支护控制措施研究成培峰（晋能控股集团泽州天安煤业有限公司 山西 048000）摘要：本文将xx煤矿巷道掘进支护情况作为分析对象，在对巷道原支护进行分析的基础上，得出原支护方案最大的弊端是巷道顶板出现了较大的离层变形问题。针对该问题及巷道支护需求采用理论分析和现场勘察的方式，重点对锚杆设置的数量、锚索布置的方式进行了优化，有效提升了巷道围岩支护的稳定性，相对于原巷道支护方案取得了更好的支护效果，巷道围岩稳定性增加明显，为煤矿井下开采提供了更为可靠的安全环境。关键词：巷道；快速掘进；支护控制；锚索布置中图分类号：TD327.2 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.040Research on Control Measures for Tunnel Excavation SupportCheng Peifeng(Zezhou Tianan Coal Industry Co.,Ltd.,Jinneng Holding Group,Shanxi,048000)Abstract：This article takes the excavation and support situation of xx coal mine roadway as the analysis object.Based on the analysis of the original support of the roadway,it is concluded that the biggest drawback of the original support plan is that there is a significant deformation prob-lem of the roadway roof.In response to this issue and the demand for tunnel support,theoretical analysis and on-site investigation were adopted,with a focus on optimizing the number of anchor bolts and the arrangement of anchor cables.This effectively improved the stability of tunnel surrounding rock support,achieving better support effects compared to the original tunnel support plan.The stability of tunnel surrounding rock increased signifi-cantly,providing a more reliable and safe environment for underground coal mining.Key words：roadway；rapid excavation；support control；anchor cable arrangement虽然我国能源结构正在进行深度调整，但是煤炭资源作为我国战略性安全能源的地位没有变，特别是近两年来，对煤炭资源的需求量在明显增加。在煤矿开采的过程中，高质量的掘进支护是保证煤矿正常开采的关键。特别是随着掘进效率的增加，对巷道支护提出了更高的要求，传统的巷道支护在一些方面表现出了较大弊端。因此，结合巷道掘进实际，采取针对性的支护控制措施，对于提升煤矿生产实效较为关键。1.工程概况图1 巷道原支护示意图xx煤矿当前的生产能力为每年200万吨，矿井开采多年，矿井周边的老窑较多。从当前该煤矿采取的开采方式来看，仍旧沿用的是传统的采掘方式，不能满足煤矿开采需求，急需对煤矿开采工艺技术进行升级改造，特别是急需对煤矿掘进和支护工艺进行优化提升。同时，从煤矿当前开采情况来看，浅部煤炭资源已经开采殆尽，下一步开采深度将进一步增加，随着开采深度的增加，井下开采环境将日趋复杂，巷道支护难度也随之提升。将xx煤矿xx回风巷道作为分析对象，巷道设计为断面矩形，宽度为5.2m，高度为3.5m。图1为巷道原支护示意图。从现场勘察来看，巷道顶板和两帮的围岩主要是砂质泥岩、粉砂岩，巷道底板围岩主要是粉砂岩。2.巷道稳定性分析在采取上述支护方案后，对巷道围岩变形情况进行了全面分析，重点对巷道围岩表面位移情况、顶板出现的离层情况及锚杆锚固力的实际情况进行了连续观测分析，并绘制了数据曲线，见图2所示。图2 巷道顶底板、两帮的相对收敛曲线图从图2可看出，在巷道开掘之后，不论是两帮还是202313技术应用与研究121Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究121Modern Chemical Research当代化工研究顶板、底板均随着时间的变化，出现了不同程度的变形。但是巷道最终均达到了稳定状态，两帮稳定性相对于顶板、底板靠前达到。巷道两帮产生的位移量相对于顶底板的变形量要小。在稳定情况下，两帮的变形量达到了40mm，顶板、底板的变形量最终达到50mm。在本次研究时，对顶板产生的离层量进行了观测，变化曲线见图3所示。从图中可以得到，在本次检测的4个位置中，顶板产生的离层量的演变基本达到了相同的状态，均随着时间的延长，离层量随之提升，最终达到了稳定状态。产生最大离层的是1#点，3#点产生的离层量是最小的。在达到了稳定之后，1#点的离层量在32mm，3#点的离层量在18mm。图3 巷道顶板离层量变化曲线图在本次测量过程中，巷道两帮、顶板的锚杆锚固力整体的变化情况和巷道围岩位移变化情况大致相似，随着时间的不断延长，锚固力逐渐提升，最终达到稳定状态。同时，顶板锚杆锚固力相对于两帮要大。从巷道围岩变形情况、锚杆锚固力变化情况来看，巷道原来采取的支护方案及技术可以达到巷道支护工作的需要，但是从顶板产生的离层量相对较大，增加了巷道支护安全风险。特别是在当前这种掘进和支护模式下，巷道整体的掘进支护速度相对较慢，需要对巷道支护方案进行针对性的优化和提升，更好提升巷道掘进和支护质效。3.巷道快速掘进和支护方案优化分析因为xx回风巷道整体的围岩较为松软，在部分区段出现了明显的破碎，特别是巷道围岩中有软弱的夹层存在。所以，在对巷道顶板进行支护时，本次选择使用锚杆、锚索及护表构件相互配合的复合支护方案，对两帮进行支护时，设计采用锚杆与护表构件相互配合的支护方式。在这种支护方案下，仅需对巷道支护方案进行针对性的优化和提升，重点是对锚杆、锚索支护的间排距进行优化。在对方案进行优化后，重点从3个方面进行了提升。首先，对于同一排支护的锚杆，选择使用1m长的槽钢连接，提升锚杆支护的整体性，锚杆支护稳定性则随之增加。其次，在对锚索进行支护时，在锚杆支护的中间位置打设锚索，锚索之间的距离设计为2m。对于巷道顶板两侧的锚索，为了拓展锚索的支护方位，设计锚索沿着竖直方向30方向进行布置。最后，在巷道两帮的位置在每一排设置四根锚杆，相对于原来方案，锚杆的尺寸、型号等相同，间排距设计为1m。4.巷道支护方案优化后数值模拟分析为了验证巷道围岩支护方案优化后，围岩整体稳定性情况，本次选择FLAC3D软件，对巷道围岩变形情况进行模拟分析。图4是本次构建的回风巷道模型。图4 巷道围岩有限元模型为了更好提升数值模拟的精准性，需要针对性的设置不同围岩的基本属性，本次数值模拟时，选择的不同围岩物理属性见表1所示。表1 不同围岩物理属性表参数覆岩砂质泥岩细砂岩煤层中砂岩中细砂岩弹性模量/GPa28.412.638.25.8442.938.2泊松比0.340.390.380.420.360.42黏聚力/MPa16.7216.3520.265.8822.2626.59内摩擦角/30.6023.7035.4215.5032.3336.50密度/(kgm-3)254020002560156026602760抗拉强度/MPa2.522.533.821.354.215.39通过数值模拟得到了巷道围岩在水平方向与垂直方向的巷道位移变形云图，见图5所示。水平方向主要表示的是巷道两帮出现的位移情况，垂直方向主要表示的是巷道顶板、底板出现的位移情况。图5 巷道围岩水平和垂直方向位移云图从图5能够看出，巷道围岩出现的位移主要在巷道周边，在方向相同的情况下，随着与巷道距离的不断接近，变形量随之增加。反之，则变形量不断减少。导致问题出现的原因主要是在对巷道围岩开挖之后，202313技术应用与研究122Modern Chemical Research当代化工研究202313技术应用与研究122Modern Chemical Research当代化工研究围岩原有的力学平衡被打破，导致围岩出现了变形，逐步进入到新的平衡状态。虽然巷道围岩变形量有增加的趋势，但是对围岩采取支护方式后，巷道围岩变形量得到了针对性控制。从图6可以看出，在巷道围岩再次达到平衡状态后，巷道围岩的变形量最大达到了46mm，从巷道围岩两帮、顶板及底板出现的变形来看，变形量最大的位置在巷道的顶板，同时，巷道底板出现的变形量是最小的。从巷道两帮出现的变形来看，最大的变形达到了30mm，其中右帮位置出现的位移量是最大，左帮的变形量相对较小。图6是巷道围岩锚杆支护轴向应力变化情况。从图中可看出，不论是两帮还是顶板的锚杆，均有着较大的轴向应力，最大的数值达到了160MPa。通过分析巷道两帮、顶板锚杆出现的轴向力，随着时间变化情况来看，在支护的初级阶段，轴向拉应力均在较快的时间内实现了有效提升。导致这种情况出现的原因主要是，在初步阶段，巷道围岩出现了较大的变形，围岩整体的稳定性相对不足，导致锚杆承受的拉应力非常大。同时，在逐步进入到全新的平衡状态后，巷道围岩变形量得到了针对性的控制，最终达到了稳定状态，锚杆承受的轴向拉应力的增加速度也不断减缓，最终也达到了较为稳定的状态。图6 巷道围岩锚杆承受应力云图5.优化方案整体工作效果分析通过采取数值模拟的方式，对优化之后的方案进行分析，相对于原先的支护效果，整体的支护效果明显增加。同时，将优化之后的方案，全面应用到巷道掘进和支护中，并对煤矿围岩变形量、锚固力及顶板离层量进行了分析，各项数据如表2所示。表中的各项数值均是巷道在稳定情况下，最终的最大数值。从表2可看出，在对巷道采取全新的支护方案后，巷道围岩的各项指标相对于先前的变化规律相对一致，在巷道开挖后，各项指标随之提升，最终进入到稳定状态。但是各项指标相对于之前均有所下降，尤其是巷道顶板离层量相对于先前有了较为明显的下降。从表2可知，通过改进提升巷道支护方案，围岩整体的稳定性提升较大。3个方面的数据均有下降，顶板离层下降量超过了1/3，所以，在对支护方案进行优化后，能够更好的确保巷道的安全性。表2 巷道支护方案优化前后各项数据对比表稳定性指标围岩位移量/mm顶板离层量/mm锚杆锚固力/MPa顶底板两帮顶板两帮优化前474131.6156137优化后443821.7187168变化量339.93131从经济的角度来看，在原先的支护方案下，巷道掘进和支护的总费用在1600元/米左右。在对支护方案进行优化后，因为锚杆、锚索的支护间距相对于先前有所下降，因此，成本提升，大约在1650元/米。但是从整体的支护方案来看，后者取得的效果更为稳定，极大的降低了巷道后期使用过程中的维护成本。因此，从经济的角度来考量，在对巷道支护方案进行优化后，整体成本并没有增加，处于持平的状态。所以，本次在对巷道快速掘进支护技术进行优化和提升后，巷道围岩稳定性明显增加，有效提升了煤矿安全水平，安全效益明显提升。在经济效益方面，两者大致持平，获得了更佳的安全环境，有利于提升煤矿开采效率。从该角度来分析，能够为煤企带来更大的经济效益。6.结束语通过本次分析，重点得到了3个方面的结论：（1）从当前深部巷道的掘进支护来看，仍旧选择使用传统的巷道掘进和支护方式，已经不能满足巷道掘进和支护需求。特别是本次xx巷道在原支护情况下，顶板出现了较大的离层，导致巷道掘进和支护均存在较大的安全隐患，需要对支护技术方案进行针对性的优化和提升。（2）从原巷道支护情况来看，通过对巷道支护方案进行优化提升的方式，锚杆通过槽钢连接，增加了锚杆支护的稳定性和整体性。同时，对锚索支护方式进行优化，增加了锚索支护数量，选择使用数值模拟软件，对巷道优化之后的支护方案进行模拟，发现整体的支护效果相对较好，可以在工程实践中应用。（3）通过将优化之后的巷道支护方案应用到工程实践来看，相对于原巷道支护方案取得了更好的支护效果，巷道围岩稳定性明显增加，为煤矿井下开采提供了更为可靠的安全环境。【参考文献】1张迪.基于CO2相变致裂的高瓦斯煤层增透消突快速掘巷技术研究J/OL.中国矿业:1-9.2梁高峰,雍振杰,李治.大直径盾构中间风井双向快速始发施工技术研究与应用J.云南水力发电,2023,39(02):140-144.【作者简介】成培峰（1985-），男，山西晋城人，本科，助理工程师，研究方向：采煤、顶板、煤质、科技创新。