煤矿破碎围岩巷道支护机理和加固特性研究.pdf

2024年第1期新疆钢铁总第169期煤矿破碎围岩巷道支护机理和加固特性研究王浩，赵伟（枣庄矿业（集团）付村煤业有限公司，山东 济宁 277605）摘要：开采深度的增加以及开采范围的扩大使得高应力条件软岩支护问题较为突出，且围岩力学特性差异和支护力学特性使得破碎围岩巷道极易发生变形失稳，具有较大的安全隐患。因此，研究基于传统巷道支护方式弊端，以平煤高突矿井进行案例工程分析，对其提出“被动支护+主动支护+主动加固”方案和底角加固设计思路，旨在提高巷道支护的稳定性。结果表明，研究通过高强度锚杆设计、注浆加固等措施对高应力破碎围岩巷道进行支护加固。结果表明，加固设计方案下，巷道断面的顶板和两帮的变形情况有所控制，且其在断面1和断面2上的最大锚杆轴力为80.29 KN和81.33 KN，极大提高支护结构的稳定性和承载能力。对高应力条件下的破碎围岩巷道进行锚注加固及支护加固等改进能有效满足作业条件需要，维护了巷道的稳定性。关键词：煤矿；围岩巷道；支护机理；加固特性DOI：10.20146/ki.1672-4224.2024.01.013中图分类号：TD322文献标识码：A文章编号：1672-4224（2024）01-0040-03Research on the Support Mechanism and Reinforcement Characteristics of Coal Mine Broken Surrounding Rock TunnelsHao Wang,Wei Zhao(Zaozhuang Mining(Group)Fucun Coal Industry Co.,Ltd.,Jining,Shandong 277605)Abstract:The increase in mining depth and the expansion of mining range have made the problem of high stress soft rock support more prominent,and the differences in surrounding rock mechanical properties and support mechanical properties makethe fractured surrounding rock roadway prone to deformation and instability,posing significant safety hazards.Therefore,basedon the drawbacks of traditional roadway support methods,a case study of a flat coal high outburst mine was conducted to propose a passive support+active support+active reinforcement scheme and a bottom corner reinforcement design concept,aiming to improve the stability of roadway support.The results indicate that the study provides support and reinforcement for highstress fractured surrounding rock tunnels through measures such as high-strength anchor rod design and grouting reinforcement.The results show that under the reinforcement design scheme,the deformation of the roof and two sides of the tunnel section is controlled,and the maximum anchor rod axial forces on section 1 and section 2 are 80.29 KN and 81.33 KN,greatly improving the stability and bearing capacity of the support structure.Improvements such as anchor injection reinforcement andsupport reinforcement can effectively meet the needs of working conditions and maintain the stability of fractured surroundingrock tunnels under high stress conditions.Key words:coal mine;surrounding rock roadway;support mechanism;reinforcement characteristics作者简介：王浩，男，25岁，本科，助理工程师，枣庄矿业（集团）付村煤业有限公司。E-mail：引言在我国经济高速发展的时间周期内，以煤炭为主的能源消费结构仍占据较大的比重，煤炭消费需求的增加也相应带动矿产开采规模的扩大。煤矿开采深度的增加会使得巷道围岩构造应力发生变化，岩层压力带的转移以及围岩自身压力的增加会致使其发生变形、失稳情况，加大了巷道支护管理难度和成本1。岩石性质、覆岩层压力、内部构造特性等都会受到开采作业强度和形式的影响，且深部岩体所处环境较为复杂，加之受膨胀效应和时间效应的叠加，原有巷道支护形式难以满足围岩变形现状2-3。以往巷道支护中的高翻新率会影响到煤矿的开采作业，其中闫小卫学者针对高应力软岩巷道问题，提出将注浆、支护、喷浆等进行结合的联合返修方案。结果表明，该方法能有效减少顶底板位移情况，控制围岩变形4。煤矿巷道支护所涉及的部件主要包括锚杆、锚梁、喷浆、U型钢等，如何选择合适的支护措施需综合考虑矿山围岩地理环境情况、岩性、开采深度及规模等。平煤高突矿井随生产采区深度的下延，致使岩体破碎情况明显，围岩稳定40新疆钢铁总第169期2024年第1期性存在较大隐患，因此，研究基于巷道破碎围岩机理，对该煤矿进行支护及加固措施分析，旨在帮助其提高巷道稳定性的同时确保经济性和有效性，减少事故发生的安全隐患。1煤矿破碎围岩巷道支护技术及加固措施1.1工程概况研究区域地处平顶山东部，开采深度已到深部，最大深度已到地下1000 m，埋深远超过500 m，其煤顶板为复合构成，地质岩层为二叠系，煤层厚度在3 m以上，倾角大于20，节理发育的砂质泥岩和巷道围岩表现出较差的稳定性，受风化效果影响明显，具有松散软弱特性。受地质条件及山体压力等因素影响，巷道围岩变形较为严重，且部分地段出现锚杆索断裂等情况。该矿区的下山部分受上覆盖岩层的压力效果明显，使得原有支护方式难以满足工程要求，其中棚式支护段出现断损下沉现象，U型钢支架存在明显的扭曲变形、局部失稳。对巷道围岩的实际勘察发现，不同岩层的支护手段虽有不同，但其均未能较好满足维稳要求，锚网喷支护的网层剥离和底板岩层泥化现象、支架金属网的折断撕裂、坑木的消耗等都极大程度影响到了巷道表面的完整性。原定巷道的修复仍以钢架为主，支架受力问题使得其整体支护结构的承载能力下降。该煤矿采区工程的巷道间距为30 m，整体设计长度中的支架破坏程度明显，经济成本和人力成本支出较大，加重了巷道支护成本。且该巷道围岩较为破碎，裂隙的不断发育使得其抗压强度较低，顶板岩石较为柔软，且较易吸水，致使围岩内挤和内扩情况明显，因此需进行加固处理。1.2巷道支护及加固设计煤矿破碎围岩巷道支护的本质就是借助合理的设计施工，实现其加固稳定，地质构成、岩性特性、开采形式等因素都会引起围岩破碎和失稳。在对破碎围岩巷道进行控制时需遵循一定的力学环境条件和原则，对出现小范围松动和大范围松动的区域采取不同的支护手段，以使得围岩处于平衡状态。依据技术可行性和经济效应，高应力巷道的支护形式设计应充分考虑其与围岩的相互作用，设计合理的支护强度来减少围岩的变形情况。研究依据该煤矿巷道自身的承载力，从三个方面进行支护设计，即将被动支护形式（金属型钢支架等）、主动支护（锚喷支护等）及加固形式（锚杆注浆加固）相结合来实现巷道支护设计，其中金属型钢支架与锚喷支护相结合，能保证支架受力均匀。针对围岩松动较大的部分，需要借助可收缩性U型钢支架和盆网来进行初次支护，减少空顶的出现。随后针对巷道断面暴露的围岩，以充填和注浆来进行封闭，浆液能为围岩的流动起到预加固作用，进而提高其整体性，实现锚喷与锚注相结合的支护结构。针对变形较大的巷道，则首先需要对巷道进行注浆以使得松散的围岩得以胶结，随后借助螺纹钢锚杆、金属网、喷射混凝土等进行支护，在刷大断面后进行二次加固设计。以矩形断面进行支护设计，对煤层顶板进行锚网和锚索支护，以锚杆加紧预力，预应力锚索直径为15.24 mm，排距为2000 mm，锚杆直径和长度分别为20 mm和2200 mm，以900 mm间排距进行每排5根锚杆设置，锚固长度大于1000 mm，进而达到减少顶板变形效果。图1为顶板支护钢筋结构。图1 顶板支护钢筋结构随后在煤层帮部进行断面扩大，以锚网实现对应角和底角的支护，通过布设锚索搭建桁架结构二次加固顶板。在巷道底角处增设注浆锚杆和全长锚杆对破碎煤体进行加固和支护，锚杆孔径为 50mm，且其孔口距巷道底板距离和角度为100 mm和30，锚杆直径和长度为20 mm和2000 mm。同时通过对煤层围岩松动圈的大小设计来将锚杆在受力过程中等拉应力进行转换，进而以组合拱形的结构来为支护结构提供稳定。图2为顶帮注浆锚杆内部结构情况。图2 顶帮注浆锚杆内部结构情况2破碎围岩巷道加固应用效果分析围岩裂隙的发育和长期外力作用会使得岩体承载力下降，使其趋于表现出蠕变和流变特性，最终导致巷道支护结构损害。研究提出将优化后的支护方案应用在破碎围岩段部分，并布设测量站对巷道在施工过程中的变形情况进行分析。观测站的数据测量和记录则按照每周一次的频率记录。对监测断面部分巷道的位移下沉情况进行分析，其412024年第1期新疆钢铁总第169期结果如图3所示。图3中，随着测试时间的增加，巷道断面的顶板和两帮数值变化明显，其中顶板的下沉变形曲线在后期得到了有效控制，平均下沉量为56.34 mm，后期达到60 mm的变形量。而帮部在测试时间为60天时的位移量为 28.17 mm。对研究提出方案下的锚杆进行轴力分析，其结果如表1所示。表1 锚杆轴力情况表1中，在监测断面1中，改进加固方案下的锚杆轴力分别达到了 78.43 KN、78.22 KN、77.97 KN、77.35 KN和80.29 KN，两种方案下的锚杆轴力差值均在1 KN以上，最大值达到了7.05 KN。监测断面2中，加固方案能有效提升锚杆轴力，其在五个锚杆上的轴力数值均超过了75 KN，且两种方案下的锚杆轴力差值最大达到了 8.35 KN。上述结果表明，巷道改进加固方案能有效提高锚杆轴力的支撑力，有效减少了原始设计方案对巷道的不稳定情况。3结论研究对高应力破碎围岩巷道进行支护加固，并通过高强度锚杆设计、注浆加固等措施来提高巷道的稳定性和安全性。对研究提出的加固方案进行实践应用分析，结果表明，随着测试时间的增加，巷道断面的顶板和两帮数值变化明显，其中顶板的下沉变形曲线在后期得到了有效控制，平均下沉量为56.34 mm，数值基本趋于稳定状态，两帮在后期的稳定位移量基本为 28.17 mm。锚注加固及支护加固相结合的形式能极大提高支护结构的稳定性和承载能力。且监测断面结果显示出，改进加固方案下的锚杆轴力数值基本在75 KN以上，其分别在断面1 和断面 2 上的最大锚杆轴力为 80.29 KN 和 81.33KN，与原始设计方案的最大差值分别为7.05 KN和8.35 KN，有效提高锚杆轴承的支撑力，具有较好的支护效果。实践证明，联合支护结构能有效缓解支架荷载，且研究提出的基于破碎围岩巷道的支护及加固措施能有效提高稳定性，达到加固效果。参考文献1 杨东启，刘建庄，王盛川等.深井破碎围岩巷道协同支护技术研究与应用 J.煤炭工程，2023，55（01）：32-36.2 张爱卿，吴爱祥，王贻明等.复杂破碎软岩巷道支护技术及分区分级支护体系研究 J.矿业研究与开发，2021，41（01）：15-20.3 梁旭超，马振乾，祖自银等.破碎煤岩巷道注浆加固材料实验及应用研究 J.中国矿业，2021，30（05）：149-154+160.4 闫小卫.高应力软岩巷道大变形机理及返修支护技术研究J.工矿自动化，2021，47（06）：116-123.图3 巷道断面监测结果监测断面1锚杆项目改进加固方案原始加固方案差值监测断面2锚杆项目改进加固方案原始加固方案差值178.43KN72.16KN6.27KN177.22KN75.12KN2.10KN278.22KN73.58KN4.64KN276.38KN74.33KN2.05KN377.97KN76.11KN1.86KN378.51KN70.16KN8.35KN477.35KN74.06KN3.29KN481.33KN75.24KN6.09KN580.29KN73.24KN7.05KN577.16KN73.12KN4.04KN42