煤矿综放回采含水顶板工作面巷道支护技术研究.pdf

以某煤矿综放回采工作面为研究对象，基于工作面实际情况，分析当前综放回采工作面支护中存在的问题，以此为基础提出某煤矿综放回采工作面巷道支护技术方案。根据含水巷道特点，对含水巷道不等强加固支护技术与方法进行简要介绍，并结合数值模拟分析方法总结煤矿综放回采工作面围岩应力分布规律与变形规律，针对某煤矿综放回采工作面原有支护加固方案的不足提出改进方向，根据某煤矿综放回采工作面新掘巷道特点，提出顶板支护、巷帮支护等新掘巷道支护技术方案。最后，为验证新掘巷道加固控制技术方案的应用价值，在煤矿综放回采工作面中开展工程实践，分析了巷道支护效果。关键词：煤矿；综放回采工作面；巷道支护；含水巷道中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；富水顶板条件下巷道围岩支护一直是煤矿井下开采领域的重点研究方向。在渗透压和水动力的共同影响下，岩体的物理性能、化学性能以及力学作用会出现一定变化，导致岩体结构破坏、失稳等情况，导致煤矿井下安全事故 。锚杆支护作为巷道围岩支护中常用支护技术，可有效提高巷道支护效果，保障煤矿开采的持续稳定推进。但综合分析后发现，现有研究多是侧重于常规巷道支护中锚杆支护技术的应用，而对于富水顶板条件下巷道围岩支护则相对较少 。针对此种情况，以某煤矿综放回采 年第 期能源与环保第 卷工作面为例，介绍富水顶板条件下巷道支护技术方案，具有一定的应用价值。工况概况 综放回采工作面基本情况某煤矿综放回采工作面顶板和底板分别为 号和 号煤层。其中 号煤层平均埋深 ，平均厚度为 ，其直接顶围岩为 石灰岩，平均厚度为 ，单轴抗压强度和平均抗压强度分别为 、，抗拉强度和平均抗拉强度分别为 、。煤层底板为砂质泥岩，平均厚度为 ，其单轴抗压强度和平均抗压强度分别为 、，抗拉强度和平均抗拉强度分别为 、；号煤层的直接底板以砂质泥岩和泥岩为主，其中局部区域掺杂有粉砂岩和含铝泥岩，泥岩层平均厚度为 ，单轴抗压强度和平均抗压强度分别为 、，抗拉强度和平均抗拉强度分别为 、。另外，工作面轨道下山和回风下山主要设置在 号煤层范围内，胶带下山正处于施工掘进阶段，具体 条下山分布情况如图 所示。图 条下山分布示意 在水文地质方面，根据煤矿地质勘察报告显示，综放回采工作面轨道下山、回风下山以及胶带下山巷道区域均存在一定的水患威胁，水体来源主要为号煤层直接顶灰岩岩溶水和砂岩裂隙水、号煤层直接底板奥灰水为主，并存在局部区域构造水。在其他地质方面，回风下山、胶带下山以及轨道下山区域内均存在陷落柱，需要预防陷落柱在巷道掘进过程中因裂隙发育而形成上覆防水层贯通情况，存在较大的潜在安全风险。支护中存在的问题根据现场勘探调研与顶板钻孔窥视情况综合分析后确认，综放回采工作面支护中存在以下问题。（）工作面轨道下山和回风下山区域的直接顶板均为平均厚度为 的高强度灰岩，实际顶板承载能力相对较强，并且根据顶板钻孔窥视结构得知，顶板存在浅部 深度的围岩破裂情况，为提高支护效果，支护中将锚杆和拱肩锚杆长度设置为 ，锚杆长度较大，增加支护施工难度和钻孔时长，存在较为严重的支护材料浪费问题。因此，在存在后续锚索支护补强情况下，可适当缩短支护锚杆长度，调整锚杆间距和排距，提高支护效率，降低支护成本。（）设计中回风下山和轨道下山未设置锚索支护，仅配置锚杆支护，但区域内存在特殊地质构造发育情况，部分浅部结构裂隙深度较大，支护效果不显著，支护施工中留有潜在安全风险 。（）设计中所采用的轨道下山和回风下山局部支护方式和支护设计强度、刚度不符合实际要求，使得采用支护设计方案后，巷道仍存在整体变形问题，应根据现场实际对支护设计进行有效优化调整，保障巷道支护成效。（）条下山中横向支护连接采用锚杆支护，无纵向支护连接，实际支护结构无法实现纵向耦合，使整体支护体系整体性不足 。同时，锚杆支护系统设计未考虑抗压性能，使得在具体巷道支护中，若是存在围岩压力过大情况，易导致锚杆拉伸断裂或者滑移脱落等情况。（）条下山中两帮底角锚杆均采用垂直于巷道表面布置，此种布置方案不仅施工难度较大，而且对于底鼓控制存在一定不足。因此，应适当调整两帮底角锚杆施工角度，以保障底鼓控制效果。（）条下山支护系统均采用常规锚固剂进行支护，此锚固剂抗水性能不足，不适用于富水顶板锚固支护施工，长期遇水后易导致锚固失效，需在淋水 年第 期梁连峰，等：煤矿综放回采含水顶板工作面巷道支护技术研究第 卷严重段选取抗水性更强的锚固剂进行替代处理 。巷道支护技术方案 含水巷道不等强加固支护技术与方法某煤矿综放回采工作面实际工作环境极为复杂，并且同一巷道不同断面的受力条件也不尽相同，使得整个工作面围岩应力分布呈现为非均匀分布状态 。然而结合当前工作面支护系统设计实际情况来看，设计中通常忽略工作面围岩应力分布状态情况，具体设计中为方便设计和施工，大多采用等强支护设计，相关设计适用于常规支护条件，却难以满足富水顶板条件下的支护要求 。综合分析后认为，符合顶板条件下水对支护体系的影响如下。（）在巷道整体方面，受水区域的围岩结构强度持续下降，引发巷道围岩局部变形破坏问题，严重的甚至会造成整体巷道支护体系失效。在局部巷道区域方面，受水影响，部分锚杆外露端淋水，锚杆和锚索失效，易导致整体巷道结构失稳垮冒，必须给予高度重视。（）常规锚固剂抗水性能不足，易受水失效，使得锚杆和锚索锚固力下降，长久淋水会还会导致锚固失效、锚杆和锚索锈蚀等问题，支护体系整体强度下降，严重影响巷道安全稳定性。由于水对围岩结构与支护体系的综合影响及巷道失稳机理尚不明确，并且相关针对性控制措施较不完善，所以在具体研究中采用不等强动态支护技术，由此实现根据工作面实际情况，针对不同巷道采用不同的支护措施 。具体来说就是以基本支护为基础，根据特殊巷道段的特点采用加强支护措施，提高围岩强度和可锚性，并对特殊巷道段进行动态化监测分析，共同构成不等态支护技术体系。原有支护加固方案某煤矿综放回采工作面原有支护方案中针对淋水严重、顶板岩石冒顶等特殊巷道段采用常规锚杆与锚索支护工艺，但原有支护方案中存在诸多问题，应根据特殊巷道段特点采用对应的加固方案。具体方案如图 所示。采用注浆加固、锚索支护对特殊巷道段进行支护补强处理。具体方案为在特殊巷道段顶板中央区域增设 根锚索，锚索直径和长度应分别为 和 ，部分极特殊巷道段可采用 锚杆进行补强处理。新掘巷道支护技术 综放面锚杆 锚索支护参数（）锚杆长度及直径计算。图 胶带下山支护补强方案断面示意 锚杆长度计算经验公式如下：（）式中，为锚杆长度；为围岩系数，通常设置为 ；为巷道宽度。综放回采工作面胶带下山宽度为 ，根据上文中工作面围岩条件，围岩系数设置为 ，计算后确定锚杆长度为 。在预留一定安全性能情况下，确定锚杆长度为 。根据现有研究可知，螺纹钢锚杆直径与锚杆孔直径差应控制在 。工作面巷道主流锚杆钻孔直径控制在 ，综合考虑经济性、人力施工强度、现有支护材料性能等多方面因素，确定锚杆孔直径为 ，锚杆直径为 。（）锚杆间距和排距计算。锚杆支护间距和排距按照以下公式进行计算：（）式中，为锚杆间距和排距；为锚杆长度。根据公式计算可得锚杆间距和排距应控制在以内，但锚杆间距和排距设置过小会导致锚杆施工成本上升，支护强度余量过多 。具体设计中，在保障支护安全性条件下，综合考虑支护体系构建成本，最终将锚杆间距和排距设置为 。（）锚索长度及直径计算。某煤矿综放回采工作面采用大直径高预应力锚索，锚索为直径为 的钢绞线锚索。具体锚索长度计算公式如下：（）式中，为锚索长度；为锚固长度；为不稳定岩层厚度；为锚索外露长度。根据某煤矿 号煤层和 号煤层实际情况可知，工作面不稳定层厚度为 ，具体锚索外露长度为 ，锚固长度为 。由此可计算出锚 年第 期能源与环保第 卷索长度为 。综合工作面现有锚索长度进行综合分析后确定工作面巷道顶板中间区域使用锚索长度为 ，其他区域锚索长度为 。（）锚固安装方式及角度。胶带下山顶板区域存在较多的泥岩层分布情况，为保障顶板锚固支护效果，顶板锚固选取加长锚固方式。胶带下山两帮区域统一采用加长锚固，并对临近底板区域的锚固设置为倾斜 锚杆，其余锚杆采用垂直锚杆。对于锚固剂，锚索采用 和 树脂锚固剂，具体配置采用一孔两支方式 ；锚杆采用 和 锚固剂，具体配置分别为一孔一支和一孔两支。其他下山区域可采用综放回采工作面原有支护加固方案，部分特殊区域可采用胶带下山底板锚固方式。综放回采工作面新支护方案（）顶板支护。综放回采工作面顶板支护中锚杆材料左旋无纵筋螺纹钢，具体直径为 ，长度为 ，实际钻孔直径为 ，锚杆设置间排距为 ，每排设置 根锚杆。顶板锚杆托盘采用高强度拱形托盘，托盘预紧扭矩应控制在 左右。锚索采用杆体为 股直径为 的钢绞线，具体锚索顶板布置方案采用“”方案。根据每排锚索数量的不同，锚索长度也应进行动态化调整。在每排 根锚索时，将锚索长度设置为 ，相邻 根锚索间距设置为 ；在每排 根锚索时，将锚索长度设置为 ，具体锚索布设位置应为顶板中央区域。锚索排距设定为 ，预紧力设定为 。（）巷道两帮支护。综放回采工作面巷道两帮支护锚杆材料同顶板支护材料，锚杆直径为 ，长度为 ，实际钻孔直径为 ，锚杆设置间距和排距为 ，每排设置 个锚杆。巷道两帮托盘与顶板锚杆托盘相同，但最近巷道两帮顶部锚杆则采用钢筋托梁进行纵向连接，托盘预紧力设置为 。具体巷道支护体系布设方案如图 图 所示。围岩应力分布与变形规律模拟 围岩应力分布规律模拟结合工作面地质条件构建数值模型，划分为 个单元，模型底部和前后边界分布设置竖直位移约束和水平位移约束，模型顶部施加等效上覆岩层重量均匀载荷。具体模型如图 所示。煤矿综放回采工作面煤岩力学参数见表 。图 巷道支护体系布设截面 图 巷道支护体系顶板布设示意 图 网格划分模型 年第 期梁连峰，等：煤矿综放回采含水顶板工作面巷道支护技术研究第 卷表 煤矿综放回采工作面煤岩力学参数 岩性煤岩厚度 抗压强度 抗拉强度 泊松比密度（）泥岩 灰岩 号煤 灰岩 泥岩 灰岩 号煤 砂质泥岩 煤 泥岩 炭质泥岩 泥岩 号煤 泥岩 砂质泥岩 通过 分别对综放回采工作面在巷道含水率为 、条件下的巷道应力分布规律进行模拟分析，结果如图 所示。图 不同含水率条件下巷道最大主应力变化模拟结果 （）最大主应力变化规律。由图 可知，随着巷道围岩含水率的持续提升，围岩的最大主应力呈 年第 期能源与环保第 卷现出持续下降的态势，具体表现为含水率从 提升至 时，巷道最大主应力下降 ，下降 ；含水率从 提升至 时，巷道最大主应力下降 ，下降 。（）最大剪应力变化。通过数值模拟模拟结果（图 ）可知，随着巷道围岩含水率的持续提升，围岩的最大剪应力呈现出持续下降，具体表现为含水率从 提升至 时，巷道最大剪应力下降 ，下降 ；含水率从 提升至 时，巷道最大剪应力下降 ，下降 。图 不同含水率条件下巷道最大剪应力变化模拟结果 围岩变形规律通过 分别对综放回采工作面在巷道含水率为 、条件下的巷道应力变形规律进行模拟分析，分析结果如图 图 所示。（）巷道顶底板变形。随着巷道含水率的持续提升，巷道顶板变形量也在持续增长，具体表现为含水率从 提升至 时，巷道顶板变形量增长 ，提升 ；含水率从 提升至 时，巷道顶板变形量增长 ，提升 。（）巷道两帮变形量。随着巷道含水率的持续提升，巷道两帮变形量也在持续增长，具体表现为含水率从 提升至 时，巷道顶板变形量增长 ，提升 ；含水率从 提升至 时，巷道顶板变形量增长 ，提升 。（）塑性区变形量。随着巷道含水率的持续提升，巷道两帮变形量也在持续增长，具体表现为含水率从 提升至 时，巷道顶板变形量增长 ，提升 ；含水率从 提升至 时，巷道顶板变形量增长 ，提升 。工程实践分析 巷道表面位移监测巷道支护效果监测中采用十字法进行巷道表面位移采集，具体监测中采用每间隔 布置 个观测点，特殊巷道段采用每间隔 布置 个观测点进行数据采集。采用卷尺进行顶板、底板以及两帮位移量监测，数据采集精准性控制在 内，所采集的数据均需进行明确记录，数据采集周期 年第 期梁连峰，等：煤矿综放回采含水顶板工作面巷道支护技术研究第 卷图 不同含水率条件下巷道顶板变形模拟结果 图 不同含水率条件下巷道两帮变形模拟结果 为半个月 次。巷道顶板离层量监测（）布设深度。巷道顶板离层量监测采用 型离层仪，具体观测点分别深部观测点和浅部观测点 类，其中深部观测点布设深度为 ，浅部观测点的布设深度为 。在经过 个月的 年第 期能源与环保第 卷图 不同含水率条件下巷道塑性区变形模拟结果 应用观测后，确认巷道顶板深部观测点和浅部观测点的相关参数见表 。表 巷道顶板浅部和深部离层量监测数据 类别浅部观测点 深部观测点 安全区 警戒区 危险区 （）安设位置。巷道顶板离层量监测观察点安设位置应位于综放回采工作面的开口顶板区域、地质构造端前后 巷道顶板中部位置。同时，针对完好顶板段，应每间隔 于巷道顶板中部区域安设顶板离层仪。顶板离层仪必须在施工前及时安设，针对完好顶板端的离层仪设置位置应确保滞后掘进工作面 以内；针对地质构造复杂区域、巷道交叉段顶板区域的离层仪安设应实现当班打孔安装。（）安装流程。顶板离层仪安设中应采用锚杆钻机进行观测孔钻进，并严格控制钻孔深度、位置及角度，钻孔完成后对钻孔质量进行分析检验，保障数据观测精准性。（）观测方法。顶板离层仪观测采用人工读数、人工记录方式。具体观测过程中在顶板离层仪附近设置顶板离层仪牌板，此牌板主要用于观测离层仪后的数值记录。观测初始值均设置为 ，由专业综放回采工作面技术员进行观测，具体观测周期为半个月内每天观测一次，半个月至一个月间每两天观测一次，超出一个月后每周观测一次。所有观测数据均需进行详细记录，并在发现安全风险时及时进行分析处理。巷道支护效果分析（）某煤矿综放回采工作面巷道变形情况主要集中于前 。其中，顶底板于第 达到最大位移量，为 ，两帮于第 达到最大位移量，为 。顶底板和两帮实际变形速率分别为 和 。在第 后变形问题会逐步放缓，整体变形较不显著。（）某煤矿综放回采工作面巷道顶板深部离层和浅部离层均于第 达到最大值，分别为 和 。在第 后变形问题会逐步放缓，整体离层量变化较不显著。综上所述，采用煤矿综放回采工作面巷道支护技术后可有效提高综放回采工作面的支护效果，并有效控制富水条件下围岩变形、破坏问题，保障锚杆 年第 期梁连峰，等：煤矿综放回采含水顶板工作面巷道支护技术研究第 卷和锚索支护效果。结语以煤矿综放回采工作面为研究对象，通过数值模拟分析方法总结煤矿综放回采工作面围岩应力分布与变形规律，结合工作面现有支护方案存在的不足，提出对应支护方案，具体支护方案包括顶板支护和巷道两帮支护 方面内容，为验证巷道支护效果，从巷道表面位移监测、巷道顶板离层量监测 个角度进行支护效果监测，最终确定此支护方案具有较强的可行性，可在后续煤矿综放回采工作面支护中进行参考应用。参考文献（）：车育晋 东峰煤矿综放工作面回采巷道支护优化探讨 江西煤炭科技，（）：，（）：刘栋梁，金鑫，陈建强 碱沟煤矿急倾斜煤层大段高顶煤超前预裂综放工作面回采巷道支护的系统研究 山东煤炭科技，（）：，（）：高俊虎 庞庞塔煤矿大倾角煤层巷道联合支护技术研究与应用 能源与环保，（）：，（）：卓知权，黄庆享，黎兴强，等 古叙矿区 三软 煤层巷道支护技术设计及应用 矿业安全与环保，（）：，（）：王建伟 预应力桁架锚索支护技术在动压巷道中的应用 能源与环保，（）：，（）：权军军 煤矿高预应力，强力锚杆巷道支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：郭原伟，史芳，刘占新 基于 的煤矿巷道锚杆支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：隋世伟 基于极限平衡理论的大断面巷道支护技术 中州煤炭，（）：，（）：汪超，陈朋磊，刘欢欢 高应力大断面巨厚泥岩渗水顶板煤巷梯次支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：，吴如超 葛店矿倾斜煤层回采巷道支护技术优化 中州煤炭，（）：，（）：台洪斌，赵烨，张道文，等 煤矿大断面巷道超前临时支护技术研究 能源与环保，（）：，（）：，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）参考文献（）：李瑞志 厚煤层沿空巷道静态及动态叠加围岩控制技术研究 山东煤炭科技，（）：，（）：，川川 千米深井小煤柱沿空巷道围岩稳定性控制技术应用研究 济南：山东科技大学，李建建 综放沿空留巷锚注支护应用 济南：山东大学，何富连，卢恒，秦宾宾，等 特厚煤层综放沿空巷道煤柱合理宽度与巷道支护研究 煤炭工程，（）：，（）：孟祥军 基于基本顶断裂位置的综放沿空掘巷煤帮支护技术 煤炭科学技术，（）：，（）：李冠军 综放沿空动压巷道合理煤柱宽度及支护技术研究 淮南：安徽理工大学，