“三软”煤层回采巷道的中空注浆锚索支护

毕业武， 范秀利

(黑龙江科技大学 安全工程学院 哈尔滨 150022)

“三软”煤层回采巷道的中空注浆锚索支护

毕业武， 范秀利

(黑龙江科技大学 安全工程学院 哈尔滨 150022)

为解决“三软”煤层回采巷道围岩大变形灾变关键问题，以大雁矿区雁南煤矿典型 “三软”煤层回采巷道为研究背景，采用FLAC3D数值模拟方法，分析中空注浆锚索支护与锚网索带支护条件下回采巷道围岩位移与应力分布规律。中空注浆锚索相比锚网索带支护，巷道顶底板最大位移量减少53.5 mm，降低了26.6%，巷道两帮最大位移量减少80 mm，降低了33.3%；最大水平应力降低0.7 MPa，最大垂直应力降低0.7 MPa。针对现场工程实际确定最佳支护方式，给出最优支护技术参数。工业试验表明：中空注浆锚索支护控制巷道变形量由原来1 129 mm减小到265 mm，经济技术效果显著。该研究可以为类似条件下“三软”巷道支护提供一种新的围岩控制方式。

“三软”煤层； 回采巷道； 中空注浆锚索； FLAC3D

0 引 言

我国煤矿每年巷道掘进中有10%以上属于“三软”煤层回采巷道[1-2]，随着煤矿地质、环境和开采条件复杂化，“三软”煤层回采巷道围岩控制日趋困难，具体表现为巷道变形速度快，收敛变形量大，围岩控制困难，巷道返修率高，甚至有些巷道由于断面过度收敛无法使用而报废。大雁矿区雁南煤矿28-2煤层是典型的“三软”煤层，其回采巷道围岩灾变问题较为突出，即巷道断面收敛过度，返修率高，不仅严重制约正常生产，同时对施工安全造成很大威胁。当前，锚网索带联合支护已成为大雁矿区回采巷道主要支护方式。实践表明，“三软”煤层条件下，该支护方式不具有适应性。因此，大雁矿区“三软”煤层回采巷道复杂性、难控性，已成为困扰该矿安全、高效生产的重大问题，探求适应该矿“三软”煤层回采巷道围岩控制方式，是该矿工程上亟待解决的关键技术问题之一。

近年来，一些专家学者在“三软”煤层回采巷道围岩控制方面取得了一定的研究成果。杨鹏[3]、叶平[4]等采用理论分析、工业性试验及矿压监测相结合的方法，研究了“三软”煤巷围岩控制技术，提出了“锚杆锚索+金属网+W型钢带+喷浆+可缩支架”联合支护方式、预应力锚索复合支护技术、锚网喷索+锚注联合支护技术。张建华[5]、杜强[6]、邓鹏海[7]等在分析“三软”煤层巷道围岩特征的基础上，指出“三软”煤层回采巷道支护关键是允许巷道围岩变形，合理确定最佳二次支护时机，通过巷道围岩加固提高巷道围岩承载能力为围岩控制重点。笔者[8]针对大雁矿区典型“三软”煤层回采巷道实际地质及开采技术条件，开展了“三软”煤层回采巷道围岩灾变机理研究。基于已有研究成果，结合现场实际，提出中空注浆锚索支护技术，以大雁矿区雁南煤矿28-2煤层某工作面回采巷道为研究对象，采用数值模拟与工业试验相结合的方法，揭示锚网索带与中空注浆锚索两种支护方式下的围岩位移、应力分布规律，确定大雁矿区“三软”煤层回采巷道最佳支护方式，给出最优支护技术参数，以期为解决大雁矿区“三软”煤层回采巷道围岩控制问题提供一条切实可行的技术途径。

1 “三软”煤层回采巷道支护模拟

为进一步研究中空注浆锚索支护技术适应性，文中采用FLAC3D数值模拟软件对比分析大雁矿区原锚网索带支护同新型中空注浆锚索支护条件下回采巷道围岩活动规律。

1.1 数值模拟模型的建立

以大雁矿区“三软”煤层28-2煤层回采工作面及回采巷道作为研究对象，建立数值模拟模型[9]，回采巷道支护形式与参数如工业试验部分所述；数值模拟整体模型为y向1/2对称模型，整体模型尺寸：x(-50，150)，y(-50，100)，z(-50，400)；回采巷道尺寸：x(0，4)，y(0，100)，z(0，3)；x(196，200)，y(0，100)，z(0，3)；煤层开挖尺寸：x(0，200)，y(0，100)，z(0，6)。煤岩体采用理想弹塑性模型，拉剪复合破坏准则，煤岩物理力学参数如表1所示。边界条件：模型四个侧面和底面法向位移约束，竖直z向为岩体自重，水平两向侧压力系数均为1.4；上下回采巷道同时掘进，每推进5 m支护一次，开挖支护至y=50 m，一次性推进至y向模型边界，即y=100 m；然后煤层回采，回采步距5 m，回采至y=50 m，一次性回采至y向模型边界即y=100 m；回采巷道模型如图1所示。

1.2 数值模拟结果与分析

(1)巷道围岩位移

采用FLAC3D数值模拟软件模拟了中空注浆锚索补强支护与原锚网索带两种支护条件下围岩位移分布特征，在采煤工作面回采期间，截取两种支护条件下距离回采工作面一定距离回采巷道剖面。

表1 煤层及顶底板岩层力学参数

图1 回采巷道数值模拟模型

对比分析围岩控制效果，围岩位移分布特征模拟结果如图2所示。

a 锚网索带支护

b 中空注浆锚索支护

由图2可知，两种支护条件下巷道围岩位移呈非均匀性、非对称性分布，左帮位移量明显大于右帮位移量，顶板位移量明显大于底板位移量；锚网索带支护巷道围岩最大位移量分布于巷道顶板及左上帮，巷道左下帮及右帮位移次之，底板位移量最小，巷道顶底板最大位移量达到201 mm，两帮最大位移量达到240 mm；中空注浆锚索支护巷道围岩最大位移量分布于巷道顶板及左上帮，巷道左下帮及右帮位移次之，底板位移量最小，巷道顶底板最大位移量达到147.5 mm，两帮最大位移量达到160 mm；由两种支护方式巷道围岩最大位移量对比可知，中空注浆锚索支护巷道顶底板最大位移量降低了53.5 mm，降低率为26.6%，巷道两帮最大位移量降低了80 mm，降低率为33.3%。

(2)巷道围岩应力

采用FLAC3D数值模拟软件模拟中空注浆锚索与原支护锚网索带两种支护条件下围岩应力分布特征，在回采工作面回采期间，截取两种支护条件下距离回采工作面一定距离回采巷道剖面，对比分析围岩控制效果，围岩应力分布特征如图3、4所示。

由图3可知，两种支护条件下巷道顶底板围岩水平应力分布不均匀，巷道两帮围岩水平应力分布比较均匀；两种支护条件下巷道围岩最大水平应力分布于顶底板深部位置，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩最大水平应力达到27.3 MPa，锚网索带支护条件下巷道围岩最大水平应力达到28.0 MPa，可见，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩应力集中程度小于锚网索带支护；两种支护条件下巷道两帮围岩水平应力明显小于顶底板围岩水平应力；中空注浆锚索支护条件下巷道围岩水平应力明显小于锚网索带支护条件下巷道围岩水平应力，并且中空注浆锚索支护条件下巷道围岩水平应力分布更趋于均匀性。

a 锚网索带支护

b 中空注浆锚索支护

由图4可以看出，两种支护条件下巷道围岩垂直应力分布比较均匀，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩垂直应力分布更趋于均匀性；两种支护条件下应力集中区分布于巷道两帮深部位置，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩最大垂直应力达到24.7 MPa，锚网索带支护条件下巷道围岩最大垂直应力达到25.4 MPa，可见，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩应力集中程度小于锚网索带支护；两种支护条件下巷道顶底板围岩垂直应力明显小于两帮围岩垂直应力；整体上看，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩垂直应力小于锚网索带支护。

a 锚网索带支护

b 中空注浆锚索支护

综合分析上述模拟结果可知，中空注浆锚索支护条件下巷道围岩位移较小，围岩受力状况较好，可见，中空注浆锚索支护技术更具有适应性。

2 工业试验

2.1 工程概况

大雁矿区雁南煤矿28-2煤层某回采工作面为典型“三软”煤层，回采巷道断面形状为矩形，上顺槽净宽3.8 m，净高3.0 m，下顺槽净宽4.0 m，净高3.0 m，下顺槽距地表400 m，垂直应力为10 MPa，最大水平应力为14 MPa；煤层平均厚度为6.15 m，平均采高为3.0 m，直接顶厚度为1.83 m，基本顶厚度为4.60 m，底板岩层厚度为7.0 m，顶底板岩性及特征如图5所示。

图5 “三软”煤层综合柱状分析

2.2 支护方式及参数优化

(1)原支护方式

锚杆锚索布置如图6所示，雁南煤矿28-2主采煤层一直沿用锚网索带联合支护方式，其支护技术参数如下：巷道顶底板及两帮锚杆长度均为2.2 m，直径均为22 mm等强螺纹锚杆，间排距均为0.8 m×0.8 m，锚索采用直径为17.8 mm、长度为6 m的高强度高延伸率预应力钢绞线，间排距为1.6 m×1.6 m，每根锚杆使用1卷树脂锚固剂，每根锚索使用2卷树脂锚固剂，锚杆预紧力不低于50 kN，锚索预紧力不低于100 kN。

a

b

(2)优化后支护方式与参数

在原锚网带支护方式基础上，采用中空注浆锚索补强支护，根据现场实际工程地质条件，通过理论计算及工程类比[10]，中空注浆锚索支护技术参数优化如下：注浆锚索布置两排锚杆中间位置，直径为22 mm、长度为6 m，每根注浆锚索使用4卷MSK2835锚固剂锚固，注浆锚索预紧力大于110 kN，间排距为1.6 m×2.4 m，注浆锚索布置如图7所示。

a

b

(3)支护效果分析

试验矿井每年约掘进5 000 m巷道，其中约3 000 m巷道变形量超过20%，需要翻修，翻修量占掘进工程量的60%，严重影响该矿安全高效生产。采用中空注浆锚索支护技术后，现场矿压监测表明，回采巷道变形量由原来的平均围岩收敛量1 129 mm减小为平均265 mm，如图8所示。并减少巷道翻修工程量，按每米翻修费用1 500元计算，每年预计可节约翻修费用约450万元。

图8 注浆锚索支护前后巷道位移对比

综上所述，中空注浆锚索能够提高支护结构的整体性和承载能力，达到较好的巷道围岩控制效果；该技术充分发挥锚索支护的主动性及整体效能，一次完成巷道支护，避免巷道二次支护和翻修，减少了巷道翻修工程量，降低工人劳动强度，提高了施工速度，节约支护成本，提高经济技术效益，保证了巷道的稳定性和矿井的安全生产。

3 结 论

(1)针对大雁矿区雁南煤矿软岩地质条件，提出“三软”煤层回采巷道全断面中空注浆锚索支护技术。该技术可以保证巷道稳定性和矿井安全生产。

(2)锚网索带支护巷道顶底板最大位移量达到201 mm，两帮最大位移量达到240 mm；中空注浆锚索支护巷道顶底板最大位移量达到147.5 mm，两帮最大位移量达到160 mm；对比分析可知，中空注浆锚索支护巷道顶底板最大位移量降低53.5 mm，降低了26.6%，巷道两帮最大位移量降低80 mm，降低了33.3%。

(3)中空注浆锚索支护巷道最大水平应力为27.3 MPa，锚网索带支护巷道最大水平应力为28.0 MPa；中空注浆锚索支护巷道最大垂直应力达到24.7 MPa，锚网索带支护巷道最大垂直应力为25.4 MPa，即中空注浆锚索支护条件下巷道围岩应力明显小于锚网索带支护。

(4)中空注浆锚索支护技术是适应“三软”煤层软岩地质条件的一项新型技术，现场工业试验得出，采用中空注浆锚索支护巷道围岩收敛量平均为265 mm，原锚网索带联合支护围岩收敛量平均为1 129 mm，减小巷道变形量在70%左右，经济技术效果显著。

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(编校 李德根)

Support research of hollow grouting anchor cable in three soft coal seam mining roadway

BiYewu,FanXiuli

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper aims to address a large deformation disaster of the surrounding rocks occurring in "three soft" coal seam mining roadway. The study building on the typical case of "three soft" coal seam mining roadway in Yan'nan mine belonging to Da'yan mining area involves adopting numerical simulation method by FLAC3Dto analyze the law behind the displacement and stress distribution of mining roadway surrounding rock under the condition of hollow grouting anchor cable support and anchor net cable belt support. The comparative analysis suggests that compared with anchor net cable belt support, the hollow grouting anchor cable support provides a 53.5 mm decrease (26.6%)in maximum displacement of roof and floor of mining roadway; an 80.0 mm decrease ( 33.3%) in the maximum displacement of two sides of mining roadway; a 0.7 MPa decrease in the maximum horizontal stress; and a 0.7 MPa decreases in maximum vertical stress. It follows that the hollow grouting anchor cable support can offer both the best support method and the optimum support parameters designed for the practical engineering. The industrial field test proves that hollow grouting anchor cable support affords a remarkable economic and technology effect by decreasing the roadway surrounding rock deformation from original 1 129 mm to about 265 mm. The study may provide a new control method for surrounding rocks of "three soft" roadway support under similar conditions.

“three soft” coal seam; mining roadway; hollow grouting anchor cable; FLAC3D

2016-10-16

毕业武(1978-)，男，黑龙江省安达人，讲师，硕士，研究方向：矿井围岩控制与灾害防治、矿山应急救援、爆破安全等，E-mail：biyewu@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.002

TD322

2095-7262(2016)06-0596-05

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