軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

1.項目背景

該項目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領(lǐng)先水平。

軒崗礦區(qū)主采煤層屬于典型松散破碎煤層，礦區(qū)內(nèi)劉家梁煤礦、焦家寨煤礦、梨園河煤礦、石湖礦、程家溝礦和同生同基礦主采煤層平均厚度為2 m～16 m，其中5#主采煤層巷道頂煤厚度最高約為13 m，屬于典型托松散頂煤巷道。長期以來該類型巷道支護采用工字鋼棚、U 型鋼棚的被動支護為主。由于頂煤松散破碎且厚度大，巷道在受多次采動影響后，圍巖變形劇烈、支護體破斷、失效現(xiàn)象頻發(fā)。雖然曾對該種條件下的巷道進行過主動支護試驗，但效果并不理想，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)原因在于：①現(xiàn)有錨網(wǎng)支護施工工藝與軒崗礦區(qū)托松散頂巷道的實際生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀不相符；②煤體松散破碎，錨桿（索）錨固質(zhì)量低下，錨固效果衰減嚴重；③錨網(wǎng)支護參數(shù)單一，參數(shù)設(shè)計缺乏科學依據(jù)；④各礦存在區(qū)段（沿空）煤柱留設(shè)不科學的問題，煤柱尺寸多為25 m～35 m，其尺寸設(shè)計并未考慮順采及沿空掘巷等正常情況、對采對掘及孤島工作面等非正常情況。因此，根據(jù)軒崗礦區(qū)各礦井的地質(zhì)與開采條件，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、實驗室實驗及現(xiàn)場工業(yè)性試驗等方法，深入系統(tǒng)地研究托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護關(guān)鍵技術(shù)及科學合理的巷道煤柱留設(shè)尺寸意義重大。

2.研究內(nèi)容

（1）托松散頂煤巷道地質(zhì)力學評估

通過對軒崗礦區(qū)主采煤層進行煤體堅固性系數(shù)測定、巷道頂板巖層探測、頂板巖石力學性能測試、松動圈測試等手段進行巷道圍巖地質(zhì)力學評估，結(jié)果表明巷道頂煤厚度大、松散破碎，堅固性系數(shù)0.3左右，頂?shù)装寰鶠檩^軟的砂質(zhì)泥巖或泥巖，并含有軟弱夾層，回采巷道屬于典型托松散頂煤巷道。因此，采用積極主動的支護形式、改善錨網(wǎng)施工工藝、提高頂煤的整體性以及錨桿（索）錨固質(zhì)量是控制該類型巷道圍巖變形的根本途徑。

（2）托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護施工工藝及錨固增效技術(shù)研究

結(jié)合軒崗礦區(qū)主采煤層的實際地質(zhì)條件及礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，形成了適用于托松散頂煤巷道的錨網(wǎng)支護施工工藝，實現(xiàn)了松散煤體快速注漿、錨固孔成孔護壁、錨桿（索）錨固增效方法及配套機具的研發(fā)，為托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護的成功實踐提供了有力支撐。

（3）托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護參數(shù)設(shè)計

基于塊體巖梁理論對軒崗礦區(qū)各礦托松散頂煤巷道穩(wěn)定性進行了分析，依托地質(zhì)力學評估基礎(chǔ)信息，建立了計算機數(shù)值模型，分析了不同托頂煤厚度時巷道圍巖力學特征。采用理論分析及數(shù)值模擬方法進行錨網(wǎng)支護參數(shù)差異化設(shè)計。

（4）托松散頂煤巷道煤柱尺寸留設(shè)

通過理論分析方法研究了軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及煤柱的力學特征，確定了多種情況下沿空巷道煤柱及區(qū)段煤柱的尺寸范圍，利用數(shù)值模擬方法確定了最優(yōu)煤柱尺寸以及支護參數(shù)。確定軒崗礦區(qū)各礦托松散頂煤巷道沿空巷道煤柱留設(shè)尺寸為8 m～12 m，區(qū)段巷道煤柱留設(shè)尺寸為18 m～22 m，在保證巷道安全基礎(chǔ)上，較大程度地降低了煤柱尺寸，提高了煤炭資源回收率。

3.主要研究成果

（1）適用于托松散頂煤巷道的錨固孔成孔裝置研發(fā)與錨網(wǎng)支護施工工藝

結(jié)合軒崗礦區(qū)主采煤層的實際地質(zhì)條件及礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，研發(fā)了適用于松散破碎煤體的錨固孔成孔方法及裝置，提出了分區(qū)掘進及時支護的錨網(wǎng)支護施工工藝，有效解決了托松散頂煤巷道成形差、錨網(wǎng)支護難以施工的難題（圖1）。

圖1 分區(qū)掘進及時支護的錨網(wǎng)支護施工工藝

（2）錨桿（索）錨固增效與錨固力防衰減關(guān)鍵技術(shù)

揭示了錨網(wǎng)施工過程中錨固劑分布不均、錨固劑流失及錨固力衰減機理，研發(fā)了錨索錨固增效構(gòu)件，優(yōu)化了錨桿端部形狀，設(shè)計了單翼楔形擴孔機具（圖5），提出了圍巖快速注漿方法，開發(fā)了可重復使用的注漿封孔裝置，改善了現(xiàn)有注漿工藝，提高了施工效率，降低了巷道維護成本。

（3）托松散頂煤巷道煤柱尺寸優(yōu)化理論分析與穩(wěn)定控制

研究了多種情況下托松散頂煤巷道煤柱力學特征及巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，優(yōu)化了煤柱尺寸，提出了基于應(yīng)力轉(zhuǎn)移的煤柱巷道穩(wěn)定性控制方法（圖2、圖3）。

圖2 沿空掘巷煤柱尺寸理論計算模型

圖3 沿空掘巷煤柱尺寸設(shè)計數(shù)值模型

4.應(yīng)用效果

項目從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研、試驗設(shè)計與優(yōu)化、關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)、施工工藝設(shè)計到現(xiàn)場應(yīng)用，緊密聯(lián)系生產(chǎn)現(xiàn)場實際，有效解決了軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護技術(shù)難以實施的瓶頸問題，成功進行了托松散頂煤沿空巷道及區(qū)段煤柱尺寸的優(yōu)化及穩(wěn)定控制，保障了礦區(qū)內(nèi)托松散頂煤巷道的安全施工，降低煤炭資源損失，技術(shù)經(jīng)濟效益突出。通過本項技術(shù)成果的成功應(yīng)用，優(yōu)化了托松散頂煤巷道煤柱尺寸，煤柱尺寸較大幅度的縮減極大程度降低了煤炭資源的浪費，提高了煤炭資源回收率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益17517 多萬元。項目提出了適用于托松散頂煤巷道的錨網(wǎng)支護施工工藝，實現(xiàn)了軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護技術(shù)的成功應(yīng)用，有效解決了巷道成形差、錨網(wǎng)支護難以施工的難題，該技術(shù)工藝為其他條件類似礦井提供了成功的經(jīng)驗。