重复强采动影响下孤岛工作面回采巷道围岩控制技术研究--中国期刊网

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重复强采动影响下孤岛工作面回采巷道围岩控制技术研究

发表时间：2021/4/27 来源：《基层建设》2020年第33期作者：李东华

[导读] 摘要：近年来，随着煤层开采深度的增加，深井动压巷道支护已经称为制约矿井高产高效的主因之一。

        天安煤业股份有限公司河南平顶山 467000
        摘要：近年来，随着煤层开采深度的增加，深井动压巷道支护已经称为制约矿井高产高效的主因之一。戊9-10-22290工作面为六矿三水平二采区最后一个孤岛工作面，其风巷在采掘服务期间将会受到上覆丁5-6、戊8及下伏五矿己组工作面回采影响，采掘时空关系异常复杂，常规支护手段难以控制围岩变形。本项目结合理论分析和数值模拟方法，采用高强度、高刚度、高预紧力的锚固配合桁架锚索和适时精准卸压技术，对该巷道支护参数进行优化设计，有效控制该巷道围岩的变形，保证巷道在服务期间的正常使用。课题研究成果将在平顶山矿区得到全面推广应用，并对煤矿深部动压巷道支护具有重要的指导意义。
        关键词：深部动压；巷道支护；孤岛工作面
        一、背景简介
        在我国，目前对深井动压巷道围岩控制的研究较少，常常采用浅部开采的经验来处理深井动压巷道的维护问题，不能针对具体的深井动压巷道围岩变形特征、围岩稳定性分类进行控制，很大程度上具有盲目性，导致有些巷道维护效果不佳，有些巷道支护参数偏于保守。平煤股份六矿戊9-10-22290工作面风巷外段，深入调研动压巷道支护的成功及失败经验，结合理论分析和数值模拟方法，采用高强度、高刚度、高预紧力的锚固配合桁架锚索和适时精准卸压技术，对该巷道支护参数进行优化设计，有效控制该巷道围岩的变形，保证巷道在服务期间的正常使用。
        根据现有煤巷锚杆支护技术的研究成果和大量的现场实践经验，提出以下五种改善锚索加强支护性能的方法。
        一是在锚索让压管，在锚索锁具和半球型垫片之间安装让压管，一般可使锚索适应围岩的变形量增大20～50mm。
        二是滞后掘进迎头安装锚索是避免锚索因围岩变形过大而破断的一种十分有效的方法。从支护原理上看，这种方法类似于软岩支护中二次支护或新奥法，即以锚杆支护为一次支护和临时支护，防止围岩松动冒落，并允许围岩产生较大变形。当围岩变形趋于稳定时，再使用钢筋混凝土碹或加大喷层等刚性强力支护，保证围岩稳定。与这一支护原理不同的是滞后安装锚索不是在围岩趋于稳定时再安装锚索，而是以围岩在锚杆支护作用下能安全自稳的阶段为滞后时间，其目的是在锚索安装前最大限度地释放围岩的变形。安装锚索的滞后时间的确定是以顶板不失稳为前提，而不是以围岩是否趋于稳定来确定。
        三是合理安排锚索的位置，根据多数情况下顶板中部下沉量大，两侧下沉量小的特点，将锚索布置在顶板下沉量较小的位置，同时通过锚梁网及锚索上的托梁作用，将顶板中可能冒落的松动岩石悬吊住。这也是防止锚索因顶板变形过大而破断的有效方法。
        四是锚杆锚索有关构件的和谐性，锚杆、锚索的构件与预紧力及变形量相适应，锚索的变形量较小，可采用加木托盘或专用螺母的方法实现；杆体极限抗拉强度及延伸率要相互和谐，即上述指标能够实现二者的共同承载，而不是锚索的预紧力较大，将下部岩体悬吊在上部岩体上，待锚索变形破断之后单独由锚杆承载的恶劣工况。
        五是钢带、金属网的作用，W钢带支护能够将孤立的有效压应力行程彼此连接，形成有效的压应力带，显著提高了锚杆对无锚杆区域的围岩的支护作用，支护系统的整体效果明显。金属网能够防止碎裂岩块垮落，将锚杆之间非锚固岩层载荷传给锚杆，由于碎石的碎胀作用和传递力的媒介作用，使巷道深部围岩仍然保持三向应力状态，大大提高了岩体的残余强度。
        二、应对措施
        根据戊9-10-22290工作面风巷外段采掘形势和围岩结构特点，该巷道的围岩控制方案为：高预应力高强锚杆、顶板桁架锚索支护，预留断面、煤帮深孔爆破卸压。

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        包括以下几点：
        ①采用科学的设计方法，以确定合理有效的锚杆支护参数
        在煤巷锚杆支护中应用快速发展的数值模拟方法，可以方便地改变锚杆参数，分析不同参数对围岩稳定性的影响程度及敏感性，开展多方案选优，这是一种基于数值模拟的锚杆设计方法，与初期的工程信息反馈相结合，可以获得理想的结果，即锚杆支护系统设计方法。
        根据工程需要确定合理的巷道断面形状及大小，应用煤巷锚杆系统设计方法，进行支护选型和支护参数形式，以保证最大限度地控制围岩变形和技术经济上的优越性。
        ②采用高强锚杆支护系统，并选择合理的锚固形式
        回采巷道受动压影响时维护十分困难，一般应采用高强锚杆、锚网梁组合支护、桁架锚杆组合支护，以及锚杆锚索组合支护，形成群锚效应维持巷道围岩，特别是顶板的围岩稳定性较差时，适当加强梁、网的强度及韧性，以形成高强锚固体系，以适应巷道围岩的剧烈变形。
        ③采用高预应力锚杆
        在复杂困难条件下，往往通过增加锚杆强度与密度来提高支护效果，导致锚杆支护密度过大，支护系统的作用不能充分发挥，支护效果也不理想，而且影响巷道施工速度。目前，国内开发了大扭矩扳手等，使高预应力锚杆的实现成为可能。锚杆支护真正实现主动、及时支护，实现从低强度、高强度到高刚度、高预应力支护的跨越。
        ④顶板桁架锚索
        采用顶板桁架锚索，增加顶板中的压应力，提高顶板的承载能力，减轻煤帮所承受的载荷。
        ⑤预留断面
        戊9-10-22290工作面风巷外段受采掘影响大，支承压力复杂，即使采用强力锚杆支护，围岩也将发生一定的变形，为此，要保证回采巷道断面收缩后仍能保证巷道的使用，必须采用预留断面，根据分析，按预留断面15%考虑。
        ⑥煤帮深孔爆破卸压
        松动爆破钻孔直径42mm，长度5000mm，沿着两帮布置，钻孔间排距1.5m，每排两孔，采用T-320型水胶炸药，爆速4400m/s，密度1.2g/cm3，药卷直径35mm，长度为350mm，钻眼直径42mm，每孔一卷。
        爆破卸压时机：超前五矿己组工作面50m，即待其支承压力尚未传递到戊9-10-22290工作面风巷外段时，开始实施。
        具体围岩控制参数如下：
        （1）顶板锚杆：采用高强锚杆锚网梁组合锚杆支护，直径22mm，长度2.6m，采用一支MSCKb2335树脂锚固剂和两支MSKb2335树脂锚固剂，铺设菱形金属网、M钢带，以主动加固顶板，顶角锚杆倾斜安装，形成结构效应；
        （2）两帮锚杆：采用高强锚杆锚梁网组合锚杆支护，直径22mm，长度2.6m，采用一支树脂-MSCKb2335和一支树脂-MSKb2335锚固，并铺设菱形金属网、M钢带，以保证巷道两帮煤体的完整性，并采用加长锚固方式以保证破坏煤体的锚固效果。
        （3）锚索：在高强锚杆支护系统的基础上，进一步在顶板和两帮增加锚索加强支护，采用三支树脂-MSCKb2335和三支树脂-MSKb2335锚固，使锚杆、锚索协同作用，以提高围岩的稳定性。锚索直径φ21.6mm，长度L6500mm，锚固长度2.0m。间排距1.4m。
        （4）组合桁架：将顶帮锚索用16A槽钢组合起来，形成桁架梁结构，增强动压条件下，顶帮的抗变形能力。
        三、应用效果
        通过集成先进的回采巷道锚杆支护技术并采用合理的施工工艺，提高巷道围岩稳定性，从而减少返修率，加快掘进速度，有利于工作面早日投产。
        通过应用本项目的研究成果，不仅能极大地提高矿井的深井动压巷道支护安全性，节省大量的巷道返修费用方面的支出，为企业带来直接的经济效益；而且能使企业创造出安全、高效的生产环境，有助于塑造良好的企业形象，具有积极的社会效益，具有广泛的推广价值。