基于围岩稳定性分析的巷道支护工程实践_张晓东.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 井工开采是我国煤炭资源的主要采出方式， 井下 开采时的巷道布置是一切采掘活动的基础，据统计， 我国年均掘进、 维护井下巷道长度近 10000km， 且随 着采深的增加， 巷道支护难度愈发增大。巷道稳定畅 通是煤矿井下开采的重要前提， 而巷道支护的本质在 于控制围岩稳定性， 在实际的生产实践中， 巷道支护 设计大多采用工程类比法或经验法来完成， 随着巷道 围岩复杂程度的增加， 工程类比法及经验法已不能满 足错综复杂的围岩控制要求。 本文以山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤 矿为工程背景，在围岩稳定性分类的基础上， 对 23114 工作面运输巷围岩地质条件及生产现状进行 分析， 得到稳定性的主要控制因素， 参照分类结果完 成支护参数的设计及支护效果考察。 1工程地质概况 山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿为 1500 万 t/a 的现代化矿井， 井田范围内含有全区或局 部可采煤层 7 层，从上到下依次为山西组的 4、 5、 6、 8 煤层和太原组的 10、 12、 13 煤层。 目前主要开采煤层为 8 煤和 13 煤层 8 煤层 厚度为 3.95～8.04m，平均厚度 6.25m，煤层倾角 6.5～11.0， 平均 9.0， 属于厚煤层， 巷道以煤巷 为主，煤岩巷为辅； 13 煤层厚度 14.90～15.34m， 平 均厚度 15.19m，属于特厚煤层，巷道多布置在煤层 中。13 煤层厚度介于 5.95～16.68m，平均厚度 13.88m， 属于特厚煤层， 采用综采放顶煤工艺， 顺槽沿 底掘送， 为大断面托厚顶煤全煤巷道， 支护难度较大。 根据现场采掘接替实际， 在完成围岩稳定性分类分析 后，以 21 采区 23114 轨道巷为试验巷道完成支护参 数设计及支护效果考察， 为后期巷道支护提供参数依 据。 2围岩稳定性分类 巷道围岩稳定性的影响因素多且复杂， 很难用明确的 数值或界限来描述这种现象， 由此可知， 其失稳是一 种模糊现象。聚类分析是多元分析方法的一种， 也是 近年来发展较快的一种数学方法， 采用模糊聚类的方 法可有效的对原本模糊的巷道围岩稳定性进行聚类 分析， 形成明确的以参数为基础的科学分类。 基于围岩稳定性分析的巷道支护工程实践 张 晓 东 （山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿 ， 山西 兴县 033602 ） 摘要 在实际的生产实践中， 巷道支护设计大多采用经验法或工程类比法来完成， 这种支护设计往 往存在强度浪费、 缺乏重点等问题， 不能做到针对围岩稳定性特征的针对性支护。本文基于围岩稳定 性分析， 对巷道围岩进行分类， 确定基础支护方案， 针对不同类型巷道实现针对性支护， 并将支护设计 投入实践， 检验支护效果。实践取得了良好效果， 为围岩稳定性分类及支护设计提供参考。 关键词 围岩稳定性分析 ； 围岩分类 ； 巷道支护 中图分类号 TD322文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0004- 03 Practice of roadway support engineering based on stability analysis of surrounding rock ZHANG Xiaodong （Shanxi xishan JinXingenergyco., LTDXiegou Mine ， Shanxi Xingxian 033602 ） Abstract In the actual production practice, the roadwaysupport design mostlyuses the experience or the engineeringanalogy to complete, this kind of support design often has the strength waste, lacks the key question and so on, cannot achieve the goal support which aims at the surrounding rock stability characteristic. Based on the stability analysis of surrounding rock, this paper classifies the surrounding rock of roadway, determines the foundation support scheme, realizes the targeted support for different types of roadway, and puts the support design into practice to test the support effect. Practice has achieved good results, providing references for stability classification and support design ofsurroundingrock. Key words stabilityanalysis ofsurroundingrock ; surroundingrock classification ; roadwaysupport 4 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 2.1巷道稳定性影响因素 2.1.1 围岩强度 1 ） 岩体强度。 巷道开挖后， 围岩应力重新分布， 局 部的应力集中会导致围岩的塑性变形， 岩体强度在抵 抗塑性变形中起决定性因素。 2 ） 围岩完整性。围岩完整性直接决定围岩强度， 按结构分为整体、 块状、 层状、 碎裂、 松散五种结构状 态， 从前往后围岩稳定性依次降低。 3 ） 工程地质条件。井下地质条件复杂， 水体、 褶 皱、断层等的存在使巷道围岩受挤压而形成破碎带， 大大降低了围岩稳定性。 2.1.2 围岩应力 1 ） 原岩应力。 巷道上覆岩层的重量形成的自重应 力场及巷道周围地质构造引起的构造应力场是巷道 的两个主要作用力，巷道埋深越大自重应力越大， 构 造应力复杂程度越高，两者综合影响着围岩水平应 力， 数值越大， 支护难度越高。 2 ） 构造应力。褶曲、 断层等形成了拉应力或剪应 力集中， 巷道开挖形成了局部应力释放， 表现为围岩 水平应力集中， 可以造成冒顶、 底鼓、 两帮移近量明显 等状况。 3 ） 工程应力。 巷道开挖及工作面回采动压使得巷 道围岩形成了应力升高区和降低区， 当巷道进入动压 影响区域时， 巷道维护难度增大。 2.2模糊综合评判 综合以上分析， 巷道围岩稳定性受煤岩体地质力 学参数、 应力分布、 工程活动等多因素同时影响， 结合 斜沟矿生产实际， 选取采深 H、 直接顶厚度与采高的 比值 N （采动影响系数） 、 直接顶初次垮落步距 L、 顶 板强度 σt、 底板围岩强度 σb、 巷帮围岩强度 σc等 5 个 指标作为主要评判因素。 通过模糊化综合评判， 得出围岩稳定性分类指标 参考值见表 1。 表 1区段巷道围岩稳定性分类指标聚类参考值 Ⅰ～Ⅴ类分别代表稳定、 较稳定、 中等稳定、 较不 稳定、 极不稳定， 针对以上四种分类， 给出基础支护参 数， 见表 2。 表 2不同围岩稳定性分类情况下基础支护参数 3现场应用 13 煤平均厚度 13.88m，属特厚煤层， 23114 轨 道巷沿底掘送， 为大断面托厚顶煤全煤巷道， 支护难 度较大。根据顶底板地质力学性质， 判定为Ⅴ极不稳 定巷道， 支护参数以表 2 为基础进行优化设定。根据 生产实际， 采用锚网索加钢带联合支护， 具体支护参 数见表 3， 具体支护方案见图 1。 图 123114 轨道巷支护方案设计图 整体分类H/mNσt/MPaσb/MPaσc/MPaL/m Ⅰ2502.3352262114.5 Ⅱ3502.6629221811.8 Ⅲ4503.0827191310.7 Ⅳ5503.212111117.9 Ⅴ6503.4718876.1 稳定 性分 类 部位支护形式 锚杆锚索 直径 /mm 长度 /m 间排 距 /m 直径 /mm 长度 /m 间排 距 /m Ⅰ 顶板锚杆16- 181.6- 1.81.0- 1.2/// 帮部锚杆16- 181.6- 1.81.0- 1.2/ Ⅱ 顶板锚网 （梁 ）16- 201.8- 2.21.0- 1.2/// 帮部锚网 （梁 ）16- 201.8- 2.21.0- 1.2 Ⅲ 顶板 锚网索梁 （带 ） 18- 202.0- 2.20.8- 1.217.83- 71- 4 帮部 锚网梁 （带 ） 18- 202.0- 2.20.8- 1.2/// Ⅳ 顶板 锚网索梁 （带 ） 20- 222.2- 2.40.8- 1.017.84- 81- 3 帮部 锚网索梁 （带 ） 20- 222.2- 2.60.8- 1.017.83- 71- 3 Ⅴ 顶板 锚网索梁 （带 ） 22- 252.4- 2.60.7- 1.017.8/21.66- 100.7- 2 帮部 锚网梁 （带 ） 22- 252.4- 2.60.7- 1.017.8/21.65- 70.7- 2 5 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 表 323114 轨道巷支护参数设计 注 工作面帮采用玻璃纤维锚杆， 保护煤柱帮采用高 强度钢锚杆，两者尾部均采用规格为 600mm 180mm70mm 的木托板。 4 支护效果考察 支护效果考察采用十字布点法进行， 通过巷道表 面位移、 深部基点位移观测完成效果考察。 1 ） 巷道表面位移观测。在滞后掘进工作面 10m 的位置设置巷道表面位移观测点，通过观测， 23114 轨道巷两帮顶底移近量与两帮移近量变化数据如图 2 所示。 图 223114 轨道巷变形与掘进时间关系图 两帮累计移近量在 90mm以内， 顶底板移近量达 到 70mm。 2 ） 深部基点位移观测。在距工作面 50m 位置布 置测站， 两帮分别为 H1 测点、 H2 测点， 回采期间进 行观测，结果如图 3 所示。 当距离掘进工作面约 90m时， 各基点位移慢慢趋于平稳， 100m时深基点位 移基本稳定。 各基点总体位移量在 200～300mm以内， 多数基点位移曲线类似， 可见围岩在支护作用下表现 出整体性， 支护实践效果良好。 （a ）H1 测点深基点位移曲线图 （b）H2 测点深基点位移曲线图 图 323114 轨道巷深基点位移曲线图 5结语 1 ） 巷道围岩稳定性分类其实是一种模糊归类方 法， 在众多不确定的影响因素中选取重点因素， 通过 聚类的方式形成判定参数， 从而完成对不同稳定性的 巷道的分类支护。 2 ）巷道围岩稳定性受煤岩体地质力学参数、 应 力分布、 工程活动等多因素同时影响， 从实践结果来 看， 选取采深 H、 直接顶厚度与采高的比值 N （采动影 响系数 ） 、 直接顶初次垮落步距 L、 顶板强度 σt、 底板 围岩强度 σb、 巷帮围岩强度 σc 等 5 个指标作为主 要评判因素是合理的。 3 ）两帮累计移近量在 90mm 以内，顶底板移近 量最大 70mm， 深基点位移在 200～300mm 以内， 对于 特厚煤层全煤巷道支护来说，实践取得了良好效果， 基于围岩稳定性分类的巷道支护设计可行。 参考文献 [1] 宋平. 斜沟矿厚煤层错层位外错式沿空掘巷与支护技术 研究[D].中国矿业大学 （北京） ,2016. [2] 张海洋. 云驾岭矿深部回采巷道围岩稳定性评价及支护 技术研究[D].中国矿业大学 （北京） ,2017. [3] 蔡海兵,程桦,荣传新,宋海清,黎明镜. 复杂条件下深井马 头门围岩稳定性分析及支护结构优化[J]. 采矿与安全工 程学报,2015,32 （02） 298- 304. [5] 王卫军,袁超,余伟健,吴海,彭文庆,彭刚,柳小胜,董恩远. 深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究[J]. 煤炭学报, 2016,41 （12） 2921- 2931. 作者简介 张晓东 （1989-） ， 男， 山西大同人， 2010 年 7 月毕业于大 同大学煤炭开采技术专业， 现从事采煤技术管理工作。 （收稿日期 2018- 9- 6） 部位 支护 形式 锚杆锚索 钢带 直径 /mm 长度 /m 间排距 /m 直径 /mm 长度 /m 间排 距 /m 顶板 锚网 索带 222.60.821.6121.6 5.1m/4. 3m “W” 型 钢带 煤柱 帮 锚网木 托板 222.60.7- 1.017.8/21.65- 70.7- 2* 工作 面帮 锚网木 托板 202.10.8///* 6 ChaoXing