轩岗矿区托松散顶煤巷道锚网支护关键技术研究与应用

1.项目背景

该项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际领先水平。

轩岗矿区主采煤层属于典型松散破碎煤层，矿区内刘家梁煤矿、焦家寨煤矿、梨园河煤矿、石湖矿、程家沟矿和同生同基矿主采煤层平均厚度为2 m～16 m，其中5#主采煤层巷道顶煤厚度最高约为13 m，属于典型托松散顶煤巷道。长期以来该类型巷道支护采用工字钢棚、U 型钢棚的被动支护为主。由于顶煤松散破碎且厚度大，巷道在受多次采动影响后，围岩变形剧烈、支护体破断、失效现象频发。虽然曾对该种条件下的巷道进行过主动支护试验，但效果并不理想，经调研发现原因在于：①现有锚网支护施工工艺与轩岗矿区托松散顶巷道的实际生产技术现状不相符；②煤体松散破碎，锚杆（索）锚固质量低下，锚固效果衰减严重；③锚网支护参数单一，参数设计缺乏科学依据；④各矿存在区段（沿空）煤柱留设不科学的问题，煤柱尺寸多为25 m～35 m，其尺寸设计并未考虑顺采及沿空掘巷等正常情况、对采对掘及孤岛工作面等非正常情况。因此，根据轩岗矿区各矿井的地质与开采条件，采用现场调研、理论分析、数值模拟、实验室实验及现场工业性试验等方法，深入系统地研究托松散顶煤巷道锚网支护关键技术及科学合理的巷道煤柱留设尺寸意义重大。

2.研究内容

（1）托松散顶煤巷道地质力学评估

通过对轩岗矿区主采煤层进行煤体坚固性系数测定、巷道顶板岩层探测、顶板岩石力学性能测试、松动圈测试等手段进行巷道围岩地质力学评估，结果表明巷道顶煤厚度大、松散破碎，坚固性系数0.3左右，顶底板均为较软的砂质泥岩或泥岩，并含有软弱夹层，回采巷道属于典型托松散顶煤巷道。因此，采用积极主动的支护形式、改善锚网施工工艺、提高顶煤的整体性以及锚杆（索）锚固质量是控制该类型巷道围岩变形的根本途径。

（2）托松散顶煤巷道锚网支护施工工艺及锚固增效技术研究

结合轩岗矿区主采煤层的实际地质条件及矿井生产现状，形成了适用于托松散顶煤巷道的锚网支护施工工艺，实现了松散煤体快速注浆、锚固孔成孔护壁、锚杆（索）锚固增效方法及配套机具的研发，为托松散顶煤巷道锚网支护的成功实践提供了有力支撑。

（3）托松散顶煤巷道锚网支护参数设计

基于块体岩梁理论对轩岗矿区各矿托松散顶煤巷道稳定性进行了分析，依托地质力学评估基础信息，建立了计算机数值模型，分析了不同托顶煤厚度时巷道围岩力学特征。采用理论分析及数值模拟方法进行锚网支护参数差异化设计。

（4）托松散顶煤巷道煤柱尺寸留设

通过理论分析方法研究了轩岗矿区托松散顶煤巷道矿压显现规律及煤柱的力学特征，确定了多种情况下沿空巷道煤柱及区段煤柱的尺寸范围，利用数值模拟方法确定了最优煤柱尺寸以及支护参数。确定轩岗矿区各矿托松散顶煤巷道沿空巷道煤柱留设尺寸为8 m～12 m，区段巷道煤柱留设尺寸为18 m～22 m，在保证巷道安全基础上，较大程度地降低了煤柱尺寸，提高了煤炭资源回收率。

3.主要研究成果

（1）适用于托松散顶煤巷道的锚固孔成孔装置研发与锚网支护施工工艺

结合轩岗矿区主采煤层的实际地质条件及矿井生产现状，研发了适用于松散破碎煤体的锚固孔成孔方法及装置，提出了分区掘进及时支护的锚网支护施工工艺，有效解决了托松散顶煤巷道成形差、锚网支护难以施工的难题（图1）。

图1 分区掘进及时支护的锚网支护施工工艺

（2）锚杆（索）锚固增效与锚固力防衰减关键技术

揭示了锚网施工过程中锚固剂分布不均、锚固剂流失及锚固力衰减机理，研发了锚索锚固增效构件，优化了锚杆端部形状，设计了单翼楔形扩孔机具（图5），提出了围岩快速注浆方法，开发了可重复使用的注浆封孔装置，改善了现有注浆工艺，提高了施工效率，降低了巷道维护成本。

（3）托松散顶煤巷道煤柱尺寸优化理论分析与稳定控制

研究了多种情况下托松散顶煤巷道煤柱力学特征及巷道围岩矿压显现规律，优化了煤柱尺寸，提出了基于应力转移的煤柱巷道稳定性控制方法（图2、图3）。

图2 沿空掘巷煤柱尺寸理论计算模型

图3 沿空掘巷煤柱尺寸设计数值模型

4.应用效果

项目从基础数据调研、试验设计与优化、关键设备研发、施工工艺设计到现场应用，紧密联系生产现场实际，有效解决了轩岗矿区托松散顶煤巷道锚网支护技术难以实施的瓶颈问题，成功进行了托松散顶煤沿空巷道及区段煤柱尺寸的优化及稳定控制，保障了矿区内托松散顶煤巷道的安全施工，降低煤炭资源损失，技术经济效益突出。通过本项技术成果的成功应用，优化了托松散顶煤巷道煤柱尺寸，煤柱尺寸较大幅度的缩减极大程度降低了煤炭资源的浪费，提高了煤炭资源回收率，实现经济效益17517 多万元。项目提出了适用于托松散顶煤巷道的锚网支护施工工艺，实现了轩岗矿区托松散顶煤巷道锚网支护技术的成功应用，有效解决了巷道成形差、锚网支护难以施工的难题，该技术工艺为其他条件类似矿井提供了成功的经验。