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沿空留巷动压区锚索主动支护技术研究

2024-07-03 5 上传者：管理员

摘要：为解决车集煤矿深部工作面高矿压条件下沿空留巷变形严重问题，根据2611工作面生产地质资料，采用经验计算和FLAC3D数值模拟等方法开展矿压分析、大直径锚索主动支护数值模拟，由结果可知，车集煤矿2611工作面锚杆+普通锚索+大直径锚索加强支护手段支护效果远优于其他支护形式。通过工程实践：2611下巷沿空留巷动压段超前支承压力影响范围约50 m，工作面后约150 m，沿空留巷切顶卸压大直径锚索主动支护技术，适用于车集煤矿深部工作面沿空留巷支护，能够有效控制围岩应力，将巷道变形控制在合理范围内。

关键词：
主动支护
切顶卸压
大直径锚索
工作面回采
沿空留巷
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沿空留巷技术是工作面回采过程中，将实体煤一侧巷道通过强支护手段控制矿压显现保留下来，作为下一个工作面服务巷道的技术。该技术能够实现无煤柱回采，同时降低生产掘进率和局部应力集中问题，在提高矿井资源回收率、加快工作面采掘接替和降低矿井动力灾害等方面具有重要意义。但是沿空留巷也存在应力集中、巷旁支护、动压区过载等难题，往往造成巷道变形过大，导致后期维护量剧增，因此，需要采用有效的支护手段，加强巷道稳定性。沿空留巷按照是否采用巷旁填充可分为切顶卸压沿空留巷和巷旁充填沿空留巷。不管哪种方式，都需要解决由于回采破坏导致的煤岩体失稳产生应力集中问题。解决沿空留巷变形问题，一方面需减少应力集中，另一方面则需加强支护，从主动和被动两方面，改善应力失衡的局面，确保沿空留巷稳定性。基于此，以车集煤矿2611工作面为例，对不同支护形式下巷道矿压显现进行数值模拟，探索沿空留巷切顶卸压大直径锚索主动支护技术方案及参数，并进行现场应用实践，为26采区深部其他工作面今后的沿空留巷工作提供依据。

1、工程概况

河南龙宇能源股份有限公司车集煤矿2611工作面示意图如图1所示。埋深814.8～920.5 m，上巷沿空掘巷，煤柱1～2 m，剩余可采长度645 m；下巷采用切顶卸压沿空留巷，剩余可采长度595 m，目前已留巷施工411 m。沿空留巷超前支护区采用锚索主动支护，动压承载区采用单体柱配合π型梁架设倾向棚支护，一梁四柱，排距0.8～2.4 m，现已架设单体π型梁棚289棚。在回采过程中，由于埋深大，造成动压区矿压显现明显，出现顶板下沉、底鼓、巷帮外鼓并破坏支护，制约沿空留巷施工效率。因此，针对传统的单体π型梁架棚加强支护存在的一系列问题，研究大直径锚索主动加强支护代替单体π型梁架棚支护中的技术问题，确保工作面超前支护及工作面后方动压段巷道稳定、安全，为工作面开采提供畅通的工作空间。

图1 2611工作面巷道布置示意图

2、沿空留巷动压承载区矿压分析

沿空留巷顶板承载关系图如图2(a）所示。工作面回采后形成“三带”，即Ⅰ冒落带、Ⅱ导裂带、Ⅲ弯曲变形带，对沿空留巷造成压力显现的主要分为A、B、C段岩梁，且主要位于Ⅱ导裂带，其中A岩梁主要作用在实体煤上，C岩梁主要作用在采空区矸石上，而B岩梁主要作用于沿空留巷及两侧的实体煤和矸石，因此想要降低沿空留巷应力水平就需要降低B岩梁组合的压力，并使实体煤和矸石承载更多的应力，就需切断应力传递途径，同时使更多的岩石填充于采空区内。为了最大程度地实现卸压，切顶深度至关重要，不充分切顶和充分切顶示意图，如图2(b）、图2(c）所示。为使工作面顶板垮落矸石充满采空区，则切顶高度

式中KA———冒落岩层的碎胀系数，KA=1.2～1.5，这里取KA=1.3;

H———煤层厚度，取H=3.11 m;

SA———老顶下位岩层触矸处的沉降值，这里取SA=0;

C———残煤厚度，取C=0。

由式（1）取切顶高度为10.0 m。

图2 切顶与不切顶沿空留巷顶板承载关系对比

由图2(c)可知：在充分切顶情况下，沿空留巷锚索及挡矸支架承受的载荷是老顶以下的岩层，厚度为4.04 m，那么利用分离岩块法计算可得，在切顶10 m条件下，巷道顶板宽度4.8 m范围的载荷Qn=2 131.2 kN/m。开展沿空留巷动压段锚索主动支护验算可得，切顶高度为10 m，采用直径φ28.6的锚索，能满足沿空留巷的加强支护要求。

3、锚杆锚索预紧力对支护效果的影响分析

3.1 锚杆和锚索预应力设计

预应力的大小对锚杆支护效果具有决定性作用。预应力过低，导致锚杆支护产生的附加应力值小，形成的有效压应力区范围小、孤立分布，不能连成整体。高预应力下，锚杆支护产生的附加应力场应力值大、范围广，有效压应力区几乎覆盖整个顶板，形成有机整体，充分发挥锚杆的主动支护作用。

为使锚固区不产生明显离层和拉应力区，锚杆预紧力设计一般为杆体屈服载荷的30%～60%,MG400锚杆的屈服强度为400MPa，顶板和帮锚杆直径φ22mm的锚杆屈服强度为152 kN，预紧力取60 kN。根据我国煤矿巷道条件、现有锚索规格及张拉设备，锚索预紧力一般应为其拉断载荷的40%～70%。直径φ21.6 mm锚索的整根钢绞线承载力为681 kN，预紧力取200 kN，直径φ28.6 mm锚索的整根钢绞线承载力为1 194 kN，根据现场的施工条件，预紧力取300 kN。

3.2 锚杆锚索预紧力对支护效果影响的数值模拟分析

采用FLAC3D软件进行数值模拟计算，数值模拟模型以2611工作面的采掘地质条件为基础，分别计算2611工作面回采过程中单独锚杆支护、锚杆+普通锚索支护和锚杆+普通锚索+大直径锚索加强支护等条件下的支护效果。模型中对2611下巷侧的模型单元进行细化，模型尺寸为长×宽×高=467 m×250 m×205 m，共730 800个单元，模型中煤岩物理力学参数参照地质报告和相关煤岩力学参数报告。

锚杆+普通锚索+大直径锚索预应力场分布云图，如图3所示，由图3可知：系统平衡后大直径锚索预紧力会由设计300 kN降至280 kN，普通锚索预紧力约150 k N，而锚索附近和远离锚索的锚杆预紧力分别为40 kN和50 k N，说明大直径锚索预紧力远大于普通锚索、锚杆。锚杆垂直顶板和两帮时，预应力场相互连接与叠加，形成厚度较大、分布均匀的压应力区，锚杆预紧力在顶板中产生的压应力最大主应力达到81 kPa，是单独锚杆支护的9倍，是锚杆+普通锚索支护的2.8倍。锚杆、锚索预紧力扩散与叠加效果较明显，大直径锚索预紧力在顶板岩层支护中起到核心作用。

图3 锚杆+普通锚索+大直径锚索预应力场分布

3.3 沿空留巷动压区大直径锚索主动加强支护数值模拟分析

为研究沿空留巷合理支护形式，对在无支护条件下巷道围岩应力和变形特征以及沿空留巷采场矿压显现规律进行数值模拟；着重对沿空留巷段围岩和超前支护区围岩矿压显现规律进行数值模拟，分析巷道围岩应力变化和分布特征、围岩塑性区变化和分布特征、围岩位移变化和分布特征。沿空留巷工作面后150 m处围岩中的垂直应力和水平应力分布如图4所示。

图4 工作面后方150 m处围岩中的垂直应力和底板水平应力分布（单位：Pa)

从图4可知：工作面受开采采场矿压的影响，巷帮所受垂直应力峰值由两帮煤层的中部向巷帮底板位置转移，即在压膜效应下，帮部垂直应力峰值的演化为底板变形提供了力学条件。巷道底板水平应力集中程度和范围随着距离工作面距离的增加而增加，后期处于稳定的高水平应力状态，工作面后方巷道底板水平应力集中是沿空留巷底鼓变形的力学原因。

4、工程实践

4.1 2611工作面下巷沿空留巷大直径锚索加强支护方案

(1）大直径锚索主动加强支护

2611下巷611P10点向里16 m以外：巷道净宽4.6 m；采用φ22 mm×2 500 mm高强锚杆支护，每排使用1片长4.35 m的6眼M钢带，配合使用150 mm×150 mm×10 mm的M托盘，锚杆间排距830 mm×800 mm，并在顶板锚杆距帮超过400 mm的右侧施工φ22 mm×2 200 mm高强锚杆，配合使用200 mm×200 mm×10 mm方托盘；顶板布置4排锚索（梁）呈“二二迈步”布置，锚索梁分别布置在巷道中心线、中心线左侧1 000 mm、右侧800 mm及右侧1 600 mm位置，锚索规格φ21.6 mm×7 200 mm；锚索梁采用16#或以上规格槽钢加工，孔距1 600 mm，锚索梁托盘规格185 mm×120 mm×20 mm。

原设计施工恒阻大变形锚索，考虑现场实际条件及计划取消沿空留巷内单体架棚支护，因此改为施工φ28.6 mm锚索加固。锚索第1排（走向）布置在巷道中心线偏向上帮侧1 900 mm（距切顶线300 mm），锚索长度11 300 mm，间距800 mm；第2排布置在巷道中心线偏向上帮侧700 mm，锚索长度9 200 mm，间距1 600 mm；第3排布置在巷道中心线偏向下帮侧300 mm，锚索长度9 200 mm，间距1 600 mm，补强后顶板锚索在钢带间的布置呈“5-4”的循环模式，大直径锚索加强支护布置图如图5所示。采用直径φ28.6 mm锚索补强支护后，沿空留巷动压承载区不再使用单体架棚支护，需超前巷道进入留巷前补打锚索加固顶板。

图5 大直径锚索加强支护布置图

(2）切顶钻孔施工、爆破及优化

使用CMM-8煤矿用液压锚杆钻车自2611下巷切眼下口向外施工约995 m，巷道顶板距工作面侧巷帮不超过200 mm位置施工切顶钻孔，孔口中心允许偏离切顶线±50 mm。

①切顶钻孔沿巷道中心线方向沿铅垂线、垂直巷道中心线方向与铅垂线夹角为10°，允许偏差不得超过±0.5°，钻孔间距500 mm，孔位落在钢带上时，可以往回调（不得超过500 mm），间距为500 mm，孔径φ52 mm，孔深10 000 mm。

②单一短孔爆破预裂切顶爆破参数及装药结构：每个切顶孔内自孔底开始安装约7 500 mm长聚能管（5根1 500 mm长双向聚能管采用特制聚能管，外径φ42 mm，内径φ36.5 mm，管长1 500 mm。聚能爆破采用煤矿许用三级水胶炸药，规格为φ35 mm×345 mm/卷，每卷400 g），自孔底开始，在前两节聚能管的上端部进行装药，安装药卷数量依次为3卷、2卷，正向爆破，每次聚能爆破切顶钻孔的个数为10～15个。

4.2沿空留巷矿压监测

2611工作面下巷采用锚杆+普通锚索+大直径锚索+切顶卸压进行支护后，挡矸柱下缩量观测数据曲线如图6所示，2022年4月20—2022年5月21日下端头1#架矿压观测数据曲线如图7所示。通过矿压监测数据分析可得沿空留巷矿压显现规律，如图8所示，工作面超前30 m、滞后80 m属于矿压显现明显的区域。矿压监测结果印证了数值模拟成果的可靠性。根据数值模拟和矿压监测结果并结合现场分析可知：工作面超前30 m、滞后80 m属于矿压显现明显的区域，是锚索补强支护重点矿压观测区域；大直径锚索主动加强型支护能代替单体π型梁架棚；大直径锚索主动加强型支护增加了工作面端头及超前支护区的工作空间，为智能工作面开采提供了畅通的工作空间。采用切顶卸压大直径锚索主动支护技术后，巷道稳定性得到保证，能够满足矿井安全高效生产需要。

图6 2611工作面沿空留巷挡矸柱下缩量情况

图7 2611工作面下端头1#架工作阻力变化

图8 沿空留巷矿压显现规律

5、结语

(1)2611下巷属于大埋深巷道，其煤层顶板组合有利于切顶留巷的施工，切顶卸压改善了巷道围岩应力条件，巷道处于低应力场环境，有利于沿空留巷围岩稳定，巷道围岩变形明显降低，顶板发生塑性破坏的区域相对较小。结合现场实际，切顶高度10 m基本能满足沿空留巷围岩控制的需要。

(2）锚杆+普通锚索+大直径锚索加强支护能在岩层顶板形成厚度大、压应力值大的岩层环境，其形成的预紧力在顶板中产生的压应力是单独锚杆支护的9倍多，是锚杆+普通锚索支护的2.8倍。超前支护采用直径φ28.6 mm的锚索进行主动加强支护，安全系数远大于传统的架棚支护；切顶高度10 m时，采用直径φ28.6 mm的锚索支护可靠性也远大于单体液压支柱配合π型梁（一梁三柱）架棚支护。

(3）通过矿压监测结合理论分析可知，2611下巷沿空留巷动压段超前支承压力影响范围约50 m，工作面后约150 m，其中工作面前30 m，工作面后80 m为重点监测和加强管理区域。

(4）沿空留巷切顶卸压大直径锚索主动支护技术适用于车集煤矿深部工作面沿空留巷支护，能够有效控制围岩应力，将巷道变形控制在合理范围内。

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基金资助:国家自然科学基金项目(51874121);

文章来源:曹庆华,刘广伟,孙志强,等.沿空留巷动压区锚索主动支护技术研究[J].煤炭技术,2024,43(07):27-31.