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锚杆支护技术在沿空孤岛留窄小煤柱中的应用与分析摘要淮北矿业集团童亭矿位于淮北平原中部,矿井于1989年11月30日正式投产,设计能力90Mt/a。
自2005年至今已施工锚杆支护巷道近万米,通过摸索、实践、总结,目前初步形成一套适应各类条件的巷道施工经验,但S1073、S10711、8212工作面均属于锚杆支护沿空留巷施工。
对于技术管理人员来说是一个新的挑战,经过大家的共同努力,制定出“锚带网”配合锚索联合支护的施工方法,取得比较令人满意的效果。
关键词沿空留巷;支护设计;锚杆支护1工程概况S1073工作面位于S107采区浅部,根据已施工的S1077风巷和S1071机巷及周边钻孔资料分析,该面内煤层结构简单。
煤厚平均在3.6米左右,黑色条痕,褐黑色,块状,半亮型煤,玻璃光泽。
该面煤层倾角为5°～16°,平均9°左右。
S10711工作面位于S107采区东部,本面煤层呈单斜构造,煤层倾角变化在5～14°之间,煤层走向与机、风巷近垂直。
该面可能存在较多的小断层,对正常掘进施工将造成一定的影响。
8212工作面位于82下采区,。
根据回采完毕的8210与8412工作面及周围钻孔资料分析,该面呈单斜结构,煤层厚度变化较大,最小0.2米,局部因原始沉积作用无煤:最大2.7米,平均在1.6米左右,煤层结构复杂,普遍含一层夹矸,局部含多层夹矸。
煤质为黑色,块状,半亮型。
该面煤层倾角为10°～18°,平均14°左右。
2沿空留巷支护设计2.1围岩支护载荷计算留巷巷道顶板载荷有直接定跨落带悬岩重量与老顶裂隙岩梁的附加载荷组成。
根据数值模拟分析,工程类比和理论计算,顶板载荷为直接顶载荷与老顶载荷之和,直接顶载荷为其本身的重量老顶的载荷以直接顶载荷的倍数估算,则顶板载荷可按如下公式Q=(4~8)M*r估算确定。
取M=3.8m,r=2500KN/m3,则Q=(0.38~0.76)MPa沿空留巷顶板悬梁载荷强度为最大0.76Mpa。
孤岛煤柱工作面沿空送巷支护技术摘要：本文讨论了孤岛煤柱工作面沿空送巷支护技术的重要性。
这种技术可以显著提高生产效率，减少维护成本，提高安全性。
论文首先分析了现有的支护技术及其优缺点，并提出了一种新的支护技术-沿空送巷支护技术。
然后，介绍了沿空送巷支护技术应用过程中需要注意的问题，如煤层支护、瓦斯抽放、行走通道和支架安装等。
最后，总结了由沿空送巷支护技术带来的好处，并重点强调了这种技术的重要性和可行性。
关键词：沿空; 送巷; 支护技术; 孤岛煤柱; 生产效率正文：沿空送巷支护技术是目前比较受重视的煤矿支护技术，特别是在孤岛煤柱工作面应用更加重要。
随着煤炭开采的深入，工作面空间狭窄，通风不能有效地维持。
因此，在安全、高效和降低维护成本的前提下，支护技术日渐成为当前开采中不可或缺的技术。
沿空送巷支护技术有效地避免了工作面结构损坏，并可以有效放置瓦斯。
具体而言，沿空送巷支护技术在当前孤岛煤柱工作面应用主要包括煤层支护、瓦斯抽放、行走通道和支架安装。
煤层支护的主要方法是采用生产钻孔将支架固定在岩石上，以便获得足够的支撑力，保证工作面的稳定。
瓦斯抽放主要是采用通风技术，通过放置专用的风机、通风管道、抽吸口和风窗来降低瓦斯压力，保证安全生产。
行走通道的建设主要包括山脊支撑、悬带和折曲等，以及对行走通道的安全维护。
本文探讨了沿空送巷支护技术的重要性。
该技术可以显著提高生产效率，降低维护成本，提高安全性，提高开采的经济效益。
本文总结了孤岛煤柱工作面沿空送巷支护技术的重要性，强调了这项技术的可行性。
为了进一步提高开采生产安全性，在沿空送巷工作面上还需要引入其它技术。
首先，采用无人机技术进行工作面视频监控，以检测顶板是否出现裂纹，以及是否存在瓦斯汽化、集气等爆炸隐患。
其次，采用无线传感器技术进行瓦斯监测，以检测工作面瓦斯浓度，保证安全生产。
此外，还可以采用煤矿自动支护技术，使煤矿的开采更加安全有效，以及实现智能化煤炭开采生产。
孤岛工作面沿空掘巷控制技术针对潘二矿18227孤岛工作面进行支护设计，分析其巷道维护的特点和难点。
总结了留小煤柱沿空掘巷确定煤柱宽度的原则：能够实施安设锚杆的原则，相对有利的应力环境的原则，保证锚杆具有良好锚固性能的原则，预留巷道围岩变形的原则，有利于小煤柱自身稳定的原则，采出率高的原则；分析了不同掘巷位置的优缺点，最终确定开巷位置和煤柱宽度，并针对其巷道维护特点进行支护参数设计，取得了良好的效果。
标签：孤岛工作面沿空掘巷组合支护高预应力桁架锚索1 概述潘二矿18227工作面位于井田西四采区，走向长1512m，倾斜长180m。
工作面东起井田西四采区上山，西以F252断层煤柱为界。
7-1煤层老顶上赋存有含水的砂岩，特别是本工作面局部位于天窗区下方，顶板砂岩富水性强，可能会顺裂隙带导入顶板岩层或巷道。
该工作面为孤岛工作面，工作面上、下相邻阶段均为采空区：上邻阶段为2010年3月收作的18127工作面，下邻阶段为2011年2月收作的18327工作面。
另外，该工作面顶板上覆2009年3月收作的8煤层18228工作面采空区。
7煤层与8煤层间距15m左右，最近距离仅10m。
本工作面与上分阶段7煤层18127采空区煤柱宽度9.5m，18127采空区内的积水可能会渗透到煤柱中。
2 施工巷道特点2.1 孤岛面上、下顺槽经受双重支承压力的作用与破坏孤岛面上、下顺槽均沿采空区边缘掘进。
巷道所处位置处的煤体在掘进前已受到相邻阶段采空区边缘固定侧向支承压力的作用，煤体已经发生破坏或较大变形。
巷道掘进后，采场边缘侧向固定支承压力重新分布，巷道两侧煤体中产生新的应力集中与分布。
而在本工作面回采时，在原来支承压力的作用下，两巷及其巷帮煤体都将受到新的工作面超前支承压力的作用与影响，巷道的变形和破坏将会更加严重。
由于是两侧沿空，任何一侧巷道的严重变形或破坏将危及工作面的生产、通风与安全。
相比于单侧沿空掘巷的工作面，孤岛面沿空巷道支护的稳定性及安全性要求更高。
收稿日期:2022 06 12基金项目:内蒙古自治区高等学校科学研究资助项目(NJZY21387)作者简介:陈㊀飞(1988-),男,山西原平人,工程师,从事煤矿开采技术工作㊂doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.02.006孤岛工作面沿空掘巷小煤柱留设及围岩控制技术研究陈㊀飞(山西焦煤霍州煤电隆博煤业有限公司,山西临汾㊀042100)摘㊀要:为了充分提高煤炭资源回收率,保证沿空留巷围岩稳定性㊂文章以2106孤岛工作面沿空掘巷小煤柱护巷及围岩控制为背景,采用FLAC 数值模拟㊁现场实测等方法,确定了2106工作面轨道巷留设8m小煤柱护巷技术,并针对开采技术条件提出了合理的支护方案,经现场实测,采用8m 小煤柱以及与之相适应的支护方案后,巷道围岩变形量控制在较小范围,支护系统能充分发挥作用,完全能够保障巷道的整体稳定性㊂关键词:孤岛工作面;沿空掘巷;小煤柱;巷道支护中图分类号:TD822.3㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1005 2798(2023)02 0025 04Study on Small Coal Pillar Setting and Surrounding Rock Control Technology of Gob -side Entry Driving in Isolated Island Working FaceCHEN Fei(Shanxi Coke Huozhou Coal Power &Longbo Mining Industry Co.,Ltd.,Linfen ㊀042100,China )Abstract :In order to fully improve the recovery rate of coal resources and ensure the stability of surrounding rock of gob -side entry re-taining.Based on the gob -side entry protection with small coal pillar and surrounding rock control of 2106isolated island working face,the technology of 8m small coal pillar protection in track entry of 2106working face is determined by FLAC numerical simulation and field measurement,according to the technical conditions of mining,a reasonable supporting scheme is put forward.After field measure-ment,the deformation of the surrounding rock is controlled in a small range by using 8m small coal pillar and supporting scheme,the support system can fully play its role,and can fully guarantee the overall stability of the roadway.Key words :isolated island working face;gob -side entry drining;small coal pillar;roadway support㊀㊀近年来,越来越多的矿区开始使用小煤柱护巷技术,在提高煤炭资源回采率的同时也带来了一些新的问题,其中最为突出的是煤柱留设宽度的确定和小煤柱巷道围岩稳定性问题[1-3]㊂煤柱留设尺寸太小,会导致巷道围岩出现大变化,增加巷道维护成本[4-5]㊂因此,只有将煤柱留设尺寸与巷道支护有机地结合起来,才能保证小煤柱巷道围岩稳定㊂国内外学者对沿空留巷小煤柱护巷技术也进行了大量的研究,李洪彪等[6]针对大埋深 三软 孤岛工作面沿空掘巷小煤柱巷道支护难题,提出了掘进和回采期间不同的支护方案,有效地降低了巷道围岩变形㊂李俊星[7]对近距离煤层沿空掘巷煤柱合理留设宽度进行了研究,提出了回采期间采用水力预裂技术卸压,有效地保证了巷道围岩稳定性㊂张鹏鹏等[8]基于采空侧基本顶断裂力学模型及围岩极限平衡理论,确定了综放开采沿空掘巷小煤柱宽度范围㊂由于煤矿地质条件的复杂性,不同的地质条件,煤柱留设宽度会出现不同情况㊂文章以某矿2106孤岛工作面沿空掘巷小煤柱留设为背景,运用FLAC 数值模拟软件对不同煤柱宽度条件下巷道围岩稳定性及应力分布特征,确定合理的小煤柱宽度,并根据实际开采技术条件,确定科学的支护方案,保证矿井安全生产㊂521㊀工程概况㊀㊀某煤矿主采2号煤层,该煤种主要为特低灰-中灰㊁特低硫-中硫㊁中热值-特高热值的焦煤,是国内稀缺的优质煤炭资源㊂经过多年的开采已经接近枯竭,因此决定在开采剩余资源中采用小煤柱护巷技术以提高资源回收率㊂2号煤层全层厚度2.2~3.8m,平均3.10m,煤层倾角3~5ʎ,2号煤层顶板以泥岩㊁细砂岩为主,粉砂岩次之,底板以泥岩㊁细砂岩为主,砂质泥岩次之㊂2106为孤岛工作面,工作面长度为167m,有效推进长度为1360m.决定在该工作面回采巷道采用小煤柱护巷以进一步提高资源回收率㊂2106轨道巷为大巷回收工作面留设小煤柱沿空掘进巷道,断面形式均为矩形,巷道宽为4.5m,巷道高为3.1m.工作面巷道布置示意如图1所示㊂图1㊀2106工作面巷道布置示意2㊀小煤柱宽度合理尺寸的确定2.1㊀模型的建立为了研究不同煤柱宽度下2106工作面沿空掘巷围岩屈服破坏及受力特征,利用FLAC 数值模拟软件建立了数值模型㊂模型尺寸X ˑY ˑZ =260m ˑ180m ˑ86m,模型四周边界施加位移约束,按均布载荷施加在模型边界㊂分别模拟2106工作面回采过程中,煤柱宽度为4m㊁6m㊁8m㊁10m㊁15m 和20m 情况下,分析沿空巷道围岩屈服破坏及受力特征㊂2.2㊀数值模拟结果分析图2为不同煤柱宽度情况下,沿空巷道屈服破坏特征㊂从图中可以看出,随着煤柱宽度的增加,沿空巷道屈服破坏逐渐增加㊂煤柱宽度为4m 和6m 时,明显看出巷道顶板及煤柱帮屈服破坏严重,此时的煤柱承载能力低,受工作面回采的影响,随时面临煤柱失稳的情况㊂当煤柱宽度增加到8m 时,巷道屈服破坏特征明显有所好转,顶板深处破坏基本消失,煤柱帮部破坏也控制在较小的范围内,此时的煤柱宽度已经具备了一定的承载能力,配合合理的支护措施,完全可以保证巷道围岩稳定性㊂当巷道宽度继续增加时,虽然巷道整体屈服破坏有所缓解,但是从提高资源回采率方面来说,8m 煤柱更加合适㊂图2㊀不同煤柱宽度下巷道煤柱帮屈服破坏特征图图3为不同煤柱宽度煤柱内部垂直应力峰值特征,对于煤柱而言,峰值越大越不利于煤柱稳定性㊂煤柱宽度为4m 时,垂直应力峰值为24.2MPa;煤柱宽度为6m 时,垂直应力峰值为25.6MPa;煤柱宽度为8m 时,垂直应力峰值为20.8MPa;煤柱宽度为10m 时,垂直应力峰值为27.2MPa;煤柱宽度为15m 时,垂直应力峰值为29.3MPa;煤柱宽度为20m 时,垂直应力峰值为30.1MPa;显然煤柱宽度为8m 时,有利于煤柱稳定性㊂62图3㊀不同煤柱宽度煤柱内部垂直应力峰值特征图综上所述,考虑在保证巷道围岩控制及煤柱稳定性前提下,最大限度地提高资源回收率,根据数值模拟结果,2106工作面沿空掘巷小煤柱留设宽度应取8m为宜,该结果与理论计算相同㊂3㊀巷道围岩控制技术3.1㊀影响巷道支护因素分析根据2106孤岛工作面轨道巷实际开采技术条件分析,影响巷道支护主要因素为:1)㊀沿空巷道处于非等压应力环境,巷道两帮受到侧向应力无法达到平衡㊂由于轨道巷属于沿空小煤柱掘巷,巷道一帮为实体煤层,另外一帮则是小煤柱,在巷道掘进过程中两帮受力不平衡㊁不对称,巷道处于复杂的应力状态,顶板锚杆㊁锚索会受到强烈的剪切破坏,导致巷道围岩稳定环境变差㊂2)㊀轨道巷位置煤层由于相邻工作面回采的影响,煤体内部受到损伤破坏,产生较多的裂隙,在轨道巷掘进过程中,裂隙会进一步扩展㊁延伸,导致巷道煤帮成型差,稳定性差,甚至巷道局部出现超宽现象,不利于巷道维护㊂3)㊀孤岛工作面影响㊂由于临近孤岛工作面回采完毕后会在煤柱内部集聚较大能量的侧向应力,当巷道掘进开始后,侧向应力快速释放,会导致巷道发生严重的变形破坏㊂3.2㊀巷道支护技术根据影响2106轨道巷支护因素分析,在留设小煤柱条件下,在巷道支护设计时应采取以下对策: 1)㊀巷道顶板采用全长锚固形式㊂为了应对巷道不对称受力导致顶板支护锚杆产生不对称支护,在巷道支护设计时,顶板锚杆应采用全长锚固支护形式㊂2)㊀巷道两帮采用非对称支护㊂为了缓解巷道非对称应力环境,避免煤柱帮发生强烈位移,巷道两帮支护设计时应采用非对称支护形式,实体煤帮锚杆采用玻璃钢支护,煤柱帮应采用金属螺纹钢锚杆支护,且间排距要较实体煤帮更加密集㊂3)㊀顶帮锚杆采用整体组合支护㊂将顶板㊁巷帮锚杆通过钢带和金属网形成一个整体支护结构,不仅可以缓解不对称应力对于巷道围岩影响,而且有利于控制巷帮变形,掘进过程中易成型,提高巷道整体稳定性㊂3.3㊀巷道支护方案根据2106轨道巷开采技术,在对影响巷道支护因素及支护对策分析的基础上,运用巷道围岩支护理论对巷道支护方案进行了设计,如图4所示㊂图4㊀轨道巷支护设计图(mm)具体参数如下:1)㊀顶锚杆:采用HRB335左旋无纵筋螺纹钢锚杆,规格为D22mmˑL2400mm.每排布置6根,由中间向两边均匀布置,锚杆间距为800mm,排距为800mm,靠近两帮的锚杆与帮的距离为250mm.靠近两帮的顶锚杆与顶板垂直方向向外呈10ʎ夹角㊂2)㊀帮锚杆:煤柱帮锚杆采用HRB335左旋无纵筋螺纹钢锚杆,规格为D20mmˑL2400mm,布置5根,间排距为600mmˑ800mm,要求与所在部位巷道轮廓线垂直布置,靠近顶板的锚杆距顶板250mm 呈10ʎ仰角布置,靠近底板的锚杆距底板450mm呈10ʎ俯角布置㊂实体煤帮锚杆采用玻璃钢锚杆,规格为D20mmˑL2400mm,布置4根,间排距为800mmˑ800mm,要求与所在部位巷道轮廓线垂直布置,靠近顶板的锚杆距顶板250mm呈10ʎ仰角布置,靠近底板的锚杆距底板450mm呈10ʎ俯角布置㊂3)㊀锚索:采用D17.8mm的低松弛预应力左旋钢绞线,长度为6300mm.锚索打设与顶板方向垂直,锚索布置在两排钢带梁中间,布置形式为五花型呈三二三布置,排距为1600mm,3根间距为1200mm,2根间距为1600mm.724)㊀经纬网:顶帮均采用5mm钢筋焊接而成,网孔为100mmˑ100mm,经纬网规格为L2800mmˑB1000mm,顶部采用2张经纬网对接,中部搭接100mm,帮部预留400mm,帮部采用1张经纬网进行搭接㊂同1排内金属网搭接采用双股16号铁丝,按间距200mm连接,连接扣必须拧紧,且连接扣不小于3匝,网茬必须统一转向煤帮㊂5)㊀钢带梁:顶钢带均采用W型钢带专用材料,按照锚杆间距通过截割㊁打孔等工序加工制作而成,其中,顶钢带规格为L4300mmˑB200mmˑH3mm,帮采用A3圆钢加工焊接而成,规格为L2800mmˑB55mm.顶帮钢梁必须托压住网,搭接齐整㊂4㊀工程验证为了验证2106工作面沿空掘巷8m小煤柱留设以及支护方案的合理性,特在2106工作面沿空掘巷进行工业试验㊂现场采用 十字布点法 监测巷道表面位移,选用锚杆测力计监测顶锚杆以及煤柱帮锚杆受力情况,监测结果如图5和图6所示㊂图5㊀巷道围岩移近量监测结果图由图5可知,巷道掘进后,随着时间的推移,围岩变形量逐渐增加,最终稳定㊂巷道掘进30d后,围岩开始逐渐趋于稳定㊂稳定后顶板变形量控制在210mm,两帮变形量控制在235mm,帮部变形明显高于顶板,但是巷道围岩变形量控制在较小的范围内㊂图6㊀锚杆受载荷监测结果图由图6可知,随着时间的推移,锚杆载荷逐渐增加,最终也趋于稳定㊂明显可以看出,巷道掘进完成20d后,顶㊁帮锚杆载荷趋于稳定状态,稳定后的顶锚杆承受载荷为106kN,帮锚杆承受载荷为101kN,帮锚杆承受载荷较正常巷道偏大㊂结合巷道围岩移近量和锚杆受载荷特征可知,掘进30d 后,巷道基本能达到稳定状态,巷道围岩变形量小,支护系统能充分发挥作用,在该条件下,选择8m小煤柱护巷和该支护方案能够保障巷道的整体稳定性㊂5㊀结㊀语1)㊀通过FLAC数值模拟不同煤柱宽度下巷道屈服破坏及受力特征,煤柱宽度为8m时,巷道围岩屈服破坏处于合理状态,煤柱受到垂直应力最小,能够保障围岩稳定性㊂2)㊀通过对影响巷道支护因素及支护对策进行了分析,确定了小煤柱沿空掘巷支护方案㊂3)㊀对8m小煤柱留设及支护方案情况下,轨道巷围岩变形量及锚杆受载荷情况进行了监测,结果显示,稳定后顶板变形量控制在210mm,两帮变形量控制在235mm,顶锚杆承受载荷为106kN,帮锚杆承受载荷为101kN,掘进30d后,巷道基本能达到稳定状态,巷道围岩变形量小,支护系统能充分发挥作用㊂参考文献:[1]㊀赵科研.大同煤田特厚煤层小煤柱开采研究与应用[J].煤,2021,30(12):36-37,40.[2]㊀张明鹏.窄小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究[J].煤炭技术,2020,39(5):12-14.[3]㊀张世国,李中伟.特厚煤层小煤柱沿空掘巷支护技术研究[J].煤炭工程,2021,53(7):55-58.[4]㊀高青松.突出煤层小煤柱沿空掘巷的巷道布置研究与实践[J].煤,2021,30(5):61,64.[5]㊀于㊀斌,姚强岭,王少卿,等.侧向支承应力作用下6.0m小煤柱巷道加固技术研究[J].煤炭工程,2021,53(3):73-77.[6]㊀李洪彪,杨㊀睿,焦义伟,等.大埋深 三软 孤岛工作面沿空掘巷小煤柱巷道支护技术[J].煤炭技术,2019,38(5):19-21.[7]㊀李俊星.近距离煤层沿空掘巷煤柱合理留设宽度研究[J].煤,2021,30(4):25-27.[8]㊀张鹏鹏,郝兵元,王㊀凯,等.综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究[J].煤炭科学技术,2018,46(5):40-46.[本期编辑:路㊀方]822023年2月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈㊀飞:孤岛工作面沿空掘巷小煤柱留设及围岩控制技术研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第32卷第2期。
