高应力复合顶板巷道全锚索支护技术实践.pdf

2023年第3 期江西煤炭科技83高应力复合顶板巷道全锚索支护技术实践刘晓龙（山西铺龙湾煤业有限公司，山西大同0 3 7 10 0）摘要：针对铺龙湾矿高应力复合顶板8 10 3 运输巷围岩变形量大的问题，采用现场钻孔窥探得到顶板岩层性质及破坏特征，提出采用全锚索支护方式提高围岩稳定性。根据数值模拟巷道顶帮全锚索支护后应力分布情况，确定全锚索支护参数，通过现场监测支护后道围岩可知，全锚索支护能够有效解决高应力复合顶板条件下巷道围岩变形大的问题。关键词：复合顶板；全锚索支护；破坏特征；应力分布中图分类号：TD353Practice on Full-cable Support Technology in Roadway with High-stress Compound RoofAbstract:Aiming at the large surrounding rock deformation in 8103 transport lane with high-stress compound roof in PulongwanColliery,the paper presents the application of the full-cable support method according to the roof strata properties and failurecharacteristics through on-site drlling peeping,including the stress distribution after full-cable support through numericalsimulation and the support parameters,whose field application monitoring shows it can effectively solve the problem of largesurrounding rock deformation under high-stress compound roof.Key words:compound roof;full-cable support;failure characteristics;stress distribution随着我国大多数老矿井开采深度的逐渐加深，地质条件越发复杂，部分巷道掘进后顶板由厚度不均、层理发育的软硬复合岩层组成，这类顶板易出现离层，发生冒落等事故，严重制约巷道的安全掘进-2 。复合顶板支护是当前矿井支护的重点和难点，常规的锚杆、锚索支护不足以保证巷道围岩的稳定性3-4。众多学者对复合顶板支护进行了大量研究，提出采用锚网索联合支护、锚注支护等方式提高顶板支护强度，但这些支护方式支护效率低、施工成本高，影响巷道的掘进速率5-8 。因此，针对复合顶板特点，本文提出采用全锚索支护，不仅保证了顶板的稳定性，还提高了矿井经济效益。1工作面概况铺龙湾矿8 10 3 运输巷位于八一采区东部，北部间隔2 5m为8 10 1工作面，西部为盘区大巷，东部为F，断层，南部为8#煤层实煤区，上部为5#煤已采510 3 工作面采空区，层间距为18.3 2 4.6 m。巷道沿8#底板掘进，平均煤厚6 m，平均倾角3.5。煤层顶板由泥岩、中粒砂岩及细中粒砂岩等岩层组成复合顶板，受采动影响，局部裂隙较为发育，易破碎垮落，需加强支护，提高围岩的稳定性。文献标识码：ALiu Xiaolong(Shanxi Pulongwan Coal Industry Co.,Ltd.,Datong,Shanxi 037100)2巷道原支护效果8103运输巷原采用锚杆、锚索支护方式，支护参数如表1所示，支护如图1所示。表18 10 3 运输巷原支护参数支护参数支护材料直径长度/mmXmm锚杆(顶板)$20X2400锚杆（两帮）$16X1 600锚索17.89 300锚索锚杆10FT00巷道中心线100100图18 10 2 运输巷原支护由于未考虑巷道复合顶板的特性，原支护后巷道受动压影响，围岩出现不同程度变形破坏，通过钻孔窥探得到巷道后方10 0 m顶板破坏情况，文章编号：10 0 6-2 57 2（2 0 2 3)0 3-0 0 8 3-0 3间排距/mmXmm1000X10001.200X1 0001800240010004400460084如图2 所示。(a)1.15 m(c)2.63 m图2 8 10 3 运输巷顶板窥探情况由图2 可知，8 10 3 运输巷原支护不足以保证围岩的稳定性，顶板上方1.15m、1.8 2 m、2.6 3 m、3.57m窥探结果表明，复合顶板岩层出现了明显离层，并沿着垂直方向扩展为纵向裂隙。若巷道仍采用原支护方式，受采动影响，顶板会出现大范围变形破坏,甚至可能发生冒落等事故，严重影响施工人员安全。3全锚索支护方案设计3.1模拟方案8103运输巷原支护不足以保证围岩稳定性，根据复合顶板的特性，提出采用全断面锚索支护。采用FLAC3D模拟巷道全锚索支护效果，分析不同锚索预紧力及排距时围岩应力分布情况。建立8 0 mX30mX68m的力学模型，垂直方向施加2 0 MPa应力，材料参数如表2 所示。表2 8 10 2 运输巷材料力学参数弹性泊松密度岩层模量比/kg.m3/GPa/MPa老顶细-3.60.252600中粒砂岩老顶中粒3.20.2626001.2砂岩直接顶泥岩0.70.3226000.15直接顶砂质1.0泥岩直接顶泥岩0.70.3226000.158煤0.150.3613500.06直接底泥岩0.70.3226000.15老底砂质1.0泥岩江西煤炭科技3.2模拟结果分析(1)顶板锚索参数8103运输巷顶板锚索间排距为12 0 0 mmX2000mm时，预紧力分别为10 0 kN、150 k N、200kN、2 50 k N工况下应力分布情况，如图3(a)(d)所示。/MPa(b)1.82 m0.00-0.01-0.02-0.03-0.04(a)100kN(b)150kN(c)200kN(d)250kN-0.05-0.06-0.07(d)3.57 m-0.08-0.09-0.10(e)3.0m图3顶板锚索支护应力分布模拟/MPa0.000-0.005-0.010-0.015-0.020-0.025-0.030-0.035-0.040-0.045-0.050图4两帮锚索支护应力分布模拟由图3(a)(d)可知,顶板采用锚索支护后，锚索两侧压应力最大，相邻锚索间的压应力较两侧有所减小。随着预紧力的增加,相邻锚索间压应力范围及峰值也相继增大，当预紧力增加至2 0 0 kN后，相邻锚索间压应力开始逐渐贯通，应力相互叠加。抗拉内摩内聚力强度擦角/MPa/1.37.66.42.40.326000.20.326002023年第3 期(f)2.5m(g)2.0m(a)100kN(b)150kN(c)180kN(d)200kN(e)3.0m(02.5m(g)2.0m(h)i.5m图3(e)(h)为顶板锚索预紧力2 50 kN时，排距分别为1.5m、2.0 m、2.5m、3.0 m 情况下应力分布情况。当锚索排距为1.5m时，相邻锚索间46的压应力贯通，应力相互叠加，最小叠加高度为锚44索长度的2/3 左右；当锚索排距增加至2.0 m时，相邻锚索间的压应力叠加区域逐渐减小，最小叠36加高度已减小至锚索长度的1/3 左右；当锚索排3.2382.4361.6342.4360.23.2(h)1.5m距继续增加至2.5m后，相邻锚索间的压应力已无叠加区域。(2)两帮锚索参数8103运输巷锚索两帮间排距为950 mmX1500mm38时，预紧力分别为10 0 kN、150 k N、18 0 k N、2 0 0 k N工况下应力分布情况,如图4(a)(d)所示。2023年第3 期位置顶板SKP22-1/1720-6300两帮SKP17.8-1/1860-5300锚固剂托盘由图4(a)(d)可知,两帮锚索应力分布情况与顶板基本一致，锚索两侧压应力最大，相邻锚索间的压应力较两侧有所减小。随着预紧力的增加，相邻锚索间压应力范围及峰值也相继增大，当预紧力增加至150 kN后,相邻锚索间压应力开始逐渐贯通，应力相互叠加。图4(e)(h)为两帮锚索预紧力2 50 kN时，排距分别为1.5m、2.0 m、2.5m、3.0 m 清苦下应力分布情况。当锚索排距为1.5m时，相邻锚索间的压应力贯通，应力相互叠加，最小叠加高度为锚索长度的2/3 左右；当锚索排距增加至2.0 m时，相邻锚索间的压应力叠加区域逐渐减小，最小叠加高度已减小至锚索长度的1/2 左右；当锚索排距继续增加至2.5m后，相邻锚索间的压应力已无叠加区域。由模拟结果可知，锚索预紧力是维持巷道稳定的重要因素，提高预紧力可有效增加锚固区围岩的刚度和强度。为保证8 10 3 运输巷围岩稳定性，设计全锚索支护参数时顶板和两帮预紧力应分别大于2 50 kN、150 k N。根据围岩强度确定锚索排距，当围岩强度高、稳定性较好时设计锚索间排距不大于2.0 m；当围岩强度低、稳定性较差时设计锚索间排距不大于1.5m。4全锚索支护参数8103运输巷原锚杆、锚索支护不足以保证围岩稳定性，根据模拟结果及巷道地质条件，提出采用全锚索支护，支护参数如表3 所示，支护如图5所示。巷道中心线一10100图588103运输巷全锚索支护江西煤炭科技表3 8 10 3 运输巷全锚索支护参数型号间排距1 200 mm1 200 mm950 mmX1 200 mm“两长一短”三支树脂300 mX300 mm16 mm5工程实践8103运输巷采用全锚索支护后，通过布置测点对支护效果进行检验，支护前后超前和滞后工作面50 m左右巷道围岩变形量如表4所示。表48 10 3 运输巷支护前后围岩变形量最大顶板最大底板最大两帮移支护状态变形量/mm变变形量/mm近量/mm超前工作面50 m140滞后工作面50 m120滞后工作面10 0 150 m80由表4可知，受采动影响，超前和滞后工作面50m左右巷道围岩变形量相对较大，滞后工作面100150 m 左右围岩基本处于稳定状态。相邻工作面回采时巷道最大顶板、底板及两帮变形量分别为0.14m、0.6 m、1.3 m。因此，巷道采用全锚索支护后围岩变形量较原支护有明显减小，稳定性得到提高，支护后巷道基本不需要返修，不仅保证巷道围岩稳定，还节约了维护成本，提高了矿井经济效益。6结论1)8103运输巷为高应力复合顶板巷道，采用现场钻孔窥探表明，巷道顶板出现了明显离层，并沿着垂直方向扩展为纵向裂隙，原锚杆、锚索支护后围不足以保证巷道稳定性，为保证巷道稳定性，提出采用全锚索支护方式。2)采用数值模拟巷道顶帮全锚索支护后压应力分布情况，得到全锚索支护参数，并通过现场监错素测支护后巷道围岩变形验证支护效果，根据监测结果可知，8 10 3 运输巷全锚索支护能够有效解决18高应力复合顶板条件下巷道围岩变形大的问题，不仅保证了巷道围岩稳定性，还节约维护成本，大大提高了矿井经济效益。22.0022004400460085预紧力备注大于2 50 kN靠帮侧锚索距帮0.3 5m大于150 kN距顶底分别0.3 m、0.4m600500200100参考文献：1】高凤伟.高应力软岩复合顶板回采巷道全锚索支护技术研究J.北京：煤炭工程，2 0 2 1,53(8)：56-6 0.(下转8 9 页)130011005002023年第3 期108(edw)64出20051015监测天数5m钻孔（运输巷）108(edW)6420051015202530 3540 45监测天数图3煤体应力监测曲线江西煤炭科技5m钻孔（回风巷）(a)202530354045(c)(edw)200510 1520253035 40 45监测天数89.9m钻孔（回风巷）(b)12(edw)10864200510 1520 25 3035 40 45监测天数9m钻孔（运输巷）10864(d)1#支架6050(NI)403020100178180182184186188190192194196198200202参考文献：1】陈鹏.矿压观测仪器现场安装实践J.江西煤炭科技，2022,174(2):4-6.2吕谦.厚煤层放顶煤高效开采工艺参数的研究J.山西冶金,2 0 2 2,45(1)：148-149,3 2 6.3高丽军.大倾角综合放顶煤开采方法及管理J.北京：矿业装备，2 0 2 2(1)：13 8-13 9.4王文俊.大倾角松软厚煤层放顶煤开采覆岩移动规律研究J.长治：煤，2 0 2 1,3 0(2)：3 5-3 7.5李宇珂.厚煤层综采放顶煤开采工艺参数设置分析J.(a)(NI)4020100178180182184186188190192194 196198200202距开切眼距离（m）图4支架载荷变化曲线北京：当代化工研究，2 0 2 0(9)：13 5-13 6.6陈忠辉，傅宇方，唐春安.岩石破裂声发射过程的围压效应 武汉：岩石力学与工程学报，1997,16(1)：65-71.作者简介：孙华奇（197 8 一），男，河南周口人，2 0 13 年毕业于东北财经大学行政管理专业。收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 85#支架6050(b)(N）403020100178180182184186188190192194196198200202距开切眼距离（m）编辑：彭呈喜8#支架6050(c)距开切眼距离（m）(上接8 5页）2李金奎，王浩.深部巷道复合顶板全锚索一次支护研究.北京：采矿与岩层控制工程学报,2 0 2 0,2(3)：14-2 2.3李南.木瓜煤矿回采巷道复合顶板协同支护技术应用J.江西煤炭科技,2 0 2 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