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兗州礦區煤巷錨網支護安全技術研究

文檔作者：朱敬，李付臣，孔德順文檔來源：充州煤業股份有限公司		點擊數：	更新時間： 2022年12月09日
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煤礦現代化 2015年第2期 總第125期
兗州礦區煤巷錨網支護安全技術研究
朱敬，李付臣，孔德順
(充州煤業股份有限公司鮑店煤礦，山東鄒城273513)
摘要煤巷支護中主要采用棚式支架、錨網、錨索、錨注等支護方式，在復雜地質狀況下支護的安全
與否往往很難能夠預先得到判定，結合鮑店煤礦實際情況，從現代化信息化施工的要求出發，需要研
究一個圍巖穩定性判定的預警系統，實現巷道圍巖穩定狀態的預先判定。運用反分析理論來反演巷道
巖體的力學特性參數，再結合數值分析軟件和理論計算來獲得巷道圍巖穩定性判斷的具體指標和參
數，結合待判定巷道的前期位移、應力及頂板離層的監測資料，能夠在實際生產使用中來提前判定巷
道圍巖所處的狀態，從而實現煤巷的安全支護。
關鍵詞煤巷；支護；力學特性；分析；警戒值
中圖分類號：TD353．5 文獻標志碼：B 文章編號：1009—0797(2015)02—0044—04
目前國內外在煤巷支護中主要采用棚式支架、
錨網、錨索、錨注等支護方式，在復雜地質狀況下支
護的安全與否往往很難能夠預先得到判定，巷道圍
巖的穩定性評價一直是巷道信息化施丁的一個重點
研究方向，它符合現代化的施工要求。而如何實現信
息化施工存在很多困難，往往在巷道支護領域，當巷
道失穩破壞時我們才會被動采取措施來補救，這就
帶來了大量的人力和財力浪費。因此實現圍巖穩定
評價，將會促進巷道支護技術水平的提高，改善礦井
生產和安全條件，為礦井生產和安全服務。
從鮑店礦區的具體狀況看，依據巷道圍巖的實
際監測資料，運用反分析理論來反演巷道巖體的力
學特性參數，再結合數值分析軟件和理論計算來獲
得巷道圍巖穩定性判斷的具體指標和參數，結合待
判定巷道的前期位移、應力及頂板離層的監測資料，
能夠在實際生產使用中來提前判定巷道圍巖所處的
狀態，達到了信息化施 r 的要求。
合理的支護結構與參數的應用可大大節約支護
成本和減少巷道的維修量，降低維護成本，同時對兗
州礦區其他各礦具有十分顯著的示范作用。
1 鮑店煤礦地應力現狀
鮑店煤礦井田位于兗州煤田向斜的中部，井田
構造類型為簡單型。主要含煤地層為下二疊統山西
組和上石炭統太原組，煤系和煤層沉積穩定，為華北
型含煤巖系。井田內無巖漿侵入，煤質較穩定。
根據鮑店煤礦生產要求和井下地質條件，選擇
四個地應力測點，應用應力解除法對十采南部泄水
巷、三采軌道上山、乏軌與總回聯絡巷和北翼輔助皮
帶巷道，進行地應力檢測。
(1)依據鮑店煤礦礦井地質條件及采掘情況，布
置的四個原巖應力測點，其位置分別在十采區、三采
· 44 ·
區、五采區和一采區，通過對四個地應力測點的測量
結果為：最大主應力盯 大小為15．42～24．15MPa，其
方位角為97。～130。； 中問主應力盯 大小為
6．57～11．85MPa，方位為210。 254。；最小主應力
盯 大小為5．29～9．45MPa，其方位分布較分散。
(2)四個測點的第一主應力均為最大水平主應
力，最大水平主應力的值為15．42～24．15MPa，十采區
最大水平主應力值為最大，一采區最大水平主應力
的值為最??； 四個測點的最大水平主應力方位角在
97。～130。。各測點的最大水平主應力大小及方向
洋見表1。
表1 最大水平主應力大小及方向
(3)實測最小水平主應力值為l5．42～24．15MPa，
最大水平主應力一般為最小水平主應力的2．55～2．88
倍，即盯 =2．55～2．88盯 。水平應力對巷道掘進的
影響具有明顯的方向性。鮑店煤礦井下原巖應力的
實際狀態和分布特點，最大主應力為水平應力，水平
應力的平均方位為88．9。，水平應力大于垂直應力。
2 地應力分布特點及規律
2．1 鮑店煤礦原巖應力的特點如下
原巖應力場的第一主應力為水平應力。七采區
最大水平主應力為17．60MPa，方位NE79．6。；t采區
最大水平主應力為23．04MPa，方位NE98．1。。實測
得到的最小主應力也為水平應力。七采區最小水平
主應力為6．56MPa，方位NE2．3。，十采區最小水平主
應力為8．85MPa，方位NE6．9。。同一測點上的最大
水平應力與最小水平應力在方位上基本垂直。垂直
煤礦現代化 2015年第2期 總第125期
應力隨深度線性增加，其值與按上覆巖層容重和埋
深計算的垂直應力基本相符。最大水平應力普遍大
于垂直應力，最大水平主應力為垂直應力的
1．33～2．11倍。實測的最大水平主應力為最小水平主
應力的2．60～2．68倍，即盯 =2．60—2．68 El" 。
(2)通過實測表明，影響鮑店煤礦井下巷道的穩
定性主要為水平應力。方向呈正交關系的最大水平
主應力分量 和最小水平主應力分量13" 在量
值上通常相差非常較大(盯 =2．60～2．68 13" )，這
使得水平應力對巷道頂、底板影響具有明顯的方向
性。當巷道軸向與最大水平主應力平行時，受水平應
力影響最小，對頂底板的穩定最有利。
2．2 反演分析
(1)地應力在支護中應用十分廣泛。煤巷錨桿支
護設計常用方法分為三類：第一類是工程類比法，第
二類是理論計算法，第三類是計算機數值模擬和相
似材料模擬分析法。
(2)地應力資料是確定巖體原巖應力的重要保
證，根據礦區地應力特點可知，地應力垂直方向的大
小基本等于巷道上覆巖層的重量，而水平應力受地質
構造等因素的影響呈現出了強烈的方向性，因而在建
立數值計算模型的時候，就需要根據巷道的方向和地
應力最大方向之間的關系來模擬巷道所處地應力的
影響，因而確定地應力的大小具有重要的意義。
根據鮑店煤礦歷年來的地應力測試資料，并進行
了分析，地應力的分析能夠在建立數值計算模型的時
候確定模型中各個單元所處的原巖應力狀態，從而模
擬巷道在支護狀態下所受的真實應力影響，這樣計算
得到的結果與實際監測結果才具有可比性，能夠保證
計算的精度。根據巷道的布置方位和地應力測試的結
果，可以模擬出巷道圍巖所處的應力狀態。
3 巷道圍巖力學參數的反分析
采用反分析的方法對巷道圍巖力學參數進行分
析，反分析是一種以監測數據來反求力學參數的方
法，能較為準確的獲得所需結果。
(1)運用正交試驗來確定反演參數：反分析參數
的選取時應注意不能選取過多的參數，如果參數反
演過多會造成反分析不準確的現象，這就需要根據
現場的地質情況來建立數值計算模型，設計正交試
驗，找出影響沿空煤巷應力或位移的主要力學參數，
以減少反演參數個數，提高反演的精確度。
(2)根據需要反分析的參數數目選擇合理的監
測數據：根據上面步驟選出來的反演參數來選擇合
理的監測數據，在選擇監測數據的數目的時候應該
遵循的原則是所選的監測數據的個數應該大于等于
要反演的力學參數個數，保證反演的Jl~ 1]進行。
(3)正交實驗的再應用：重新設計正交設計或均
勻正交設計，并選擇合理的待反演力學參數的范圍，
這樣能使反演結果能加精確。
(4)運用Matlab神經網絡進行反演：根據設計的
正交試驗或均勻正交設計計算結果，以現場監測的數
據資料為輸入參數，以計算得到圍巖力學參數為輸出
參數建立神經網絡進行反演，得到穩定的神經網絡。
(5)反演力學參數：將現場監測的應力或位移等
數據代入到神經網絡中去，可以得到真實的現場圍
巖力學參數。
(6)將得到的力學參數代入到建立的數值模型
中去，將計算值如實際監測值進行比較，從而評價反
演參數的正確性，如果參數不合理，則重復以上步
驟，知道參數達到足夠的精度為止。
3．1 運用正交試驗選取反演參數
由于進行反分析時，要求現場檢測的數據數目
和待反演的力學參數的數目相差不能太大。如果選
取的監測數據過多則會造成反分析過程的紊亂，所
以在反分析的過程中，要對監測數據的數目進行壓
縮、取舍。選擇那些影響巷道變形的主要力學參數，
進行反分析試驗。通過對地質柱狀圖的分析，將巖層
主要巖性劃分為中砂巖和粉砂巖。
本文采用正交試驗來進行待反演參數的選取。
正交試驗的基本概念是利用正交表來安排與分析多
因素試驗的一種方法。它是通過在試驗因素的全部
水平組合中，挑選出部分有較強代表性的水平組合
進行試驗。它的基本特點是：用部分試驗來代替全面
試驗，通過對部分試驗的分析、了解來模擬全面試
驗。能夠通過部分實驗獲得最優水平的組合。
3．2 運用人工神經網絡進行反分析
根據上面通過正交試驗得到的結果，將前八組
試驗的位移值作為人工神經網絡的輸入層，同時將
前八組所對應的中砂巖、粉砂巖及煤層的彈性模量
作為目標輸出層。第九組試驗成果作為檢驗神經網
絡訓練的精度。整個網絡一共有三層，輸入層有三個
輸入點，分別是頂板位移和一幫位移和的標準化處
理、兩幫變形的標準化處理以及頂板與兩幫位移之
比的標準化處理。輸出層也有三個輸出點，分別為中
砂巖、粉砂巖及煤層的彈性模量。為了消除量綱對實
驗結果的影響以及許多傳遞函數，如logsigmoid(1函
數其輸出值介于0和1之間，所以首先需要對數據
進行標準化處理，然后進行分析
錨桿在巷道周圍形成了一個高應力的支護圈，
形成的梁拱作用很好的保證了巷道的使用穩定性，
這與錨桿的支護機理相符，也說明了用數值軟件分
· 45·
煤礦現代化 2015年第2期 總第125期
析現場工程實際問題的可行性，對計算結果進行分
析并整理，以便應用MATLAB軟件的神經網絡工具
箱對參數進行反演。
3．3 確定圍巖參數
三個巖(煤)層計算所得的各個參數差別較小，其
中粉砂巖彈性模量計算數值差別稍大，根據正交試驗
得到的結果可知：粉砂巖的彈性模量對計算最終變形
量的影響較小，所以滿足工程使用要求，對兩種計算
方法得到的各個圍巖參數進行平均，可得到十采區各
巖(煤)層的各項物理力學指標參數，具體結果見表
2，變形警戒值計算可依據此表中各項參數進行。
表2 圍巖力學參數
通過查詢應力云圖可以發現以下幾個特點：
(1)開采造成的應力等值線表明留設3m的保護
煤柱較為合理，此處沿空煤巷處于應力降低區，給支
護帶來較大的好處，且能夠取得很好的經濟技術效
果，驗證了保護煤柱留設距離的合理性。
(2)通過對未受開采影響的巷道應力云圖和受
開采影響的巷道開采云圖對比發現：開采對沿空巷
道造成的應力集中系數為3．479，可見開采造成的次
生應力較大，此應力是造成巷道失穩的主要原因。
(3)通過查詢支護錨桿和錨索的應力可以發現：
巷道右幫(遠離采空區的一幫)幫部錨桿的應力較
大，這是因為開采造成沿空巷道保護煤柱產生應力
卸載，而右幫所處應力區較高，因而在實際支護中要
考慮以上因素。
為了驗證計算結果的正確與否，在103 E 05運
輸順槽建立監測斷面，監測巷道的頂板下沉量和兩
幫的收斂變形，監測結果見圖1。
圖1 103 05運輸順槽斷面收斂位移圖
從圖1中可以得到，巷道的兩幫收斂變形為
659mm，頂板下沉量為334mm，在數值計算模型中建
立測線對巷道的兩幫收斂變形和頂板下沉量進行監
測，對比實際監測結果和模型計算結果之間的誤差。
· 46 ·
4 巷道圍巖穩定評價指標警戒值的確定
根據鮑店煤礦十采區工作面及順槽的礦壓觀測，
3上層煤偽頂不發育，直接頂為中等穩定的2類頂
板，老頂為強烈來壓的Ⅲ級老頂，巷道在掘進時，受掘
進影響范圍為50m，成巷影響距離短，在影響范圍內
頂底移近速度平均10mm／d，最大12mx~d，兩幫移近
速度平均8．1mm／d，最大為42mm／d，累計頂底移近量
為124ram，兩幫移近量195mm，掘出50m后巷道趨
于穩定，穩定期內圍巖變形小于lmm／d。礦壓顯現不
明顯，整體性較好。主要應力表現為大地靜力場型。
根據反演的力學參數和現場的工程實際情況，
建立正算數值計算模型，根據巷道允許收斂位移量
及支護結構的正常工作情況來確定錨網支護系統是
否安全工作，對于現場的復雜地質狀況如斷層等采
用將圍巖弱化的方式來實現，以錨網支護系統對應
的受力情況來判斷實際支護的工作狀態，從而建立
起巷道收斂位移的警戒值，這對于安全評價系統的
建立具有非常重要的意義。
5 經濟與社會效益分析
通過研究，明確了煤巷圍巖類別的影響因素，從
而為煤巷圍巖的合理分析提供了合理的技術指導；
針對煤巷圍巖力學特性參數獲取較難的情況，基于
煤巷變形監測資料對煤巷圍巖的力學特性參數進行
了反分析，得出了能夠反應實際的煤巷圍巖的力學
特性參數；運用數值分析軟件計算出巷道變形警戒
值，對巷道圍巖失穩的判定提供了很好的參考作用；
最后運用數學方法對新掘巷道的變形預測更實現了
提前知曉巷道后期變形。能夠幫助工程技術人員提
前做好事故的預防方案，并且面對突發事故能夠迅
速處理，從而大大降低了安全事故發生的概率，減小
了巷道失穩后再修復帶來的巨大經濟損失。
5．1 經濟效益
(1)位移監測經濟效益：以一條1000m的巷道為
例，需設置20個測點，則需要一個人持測槍丁作一
天，測槍單價為500元／個，人 費每天200元，假如
使用本評價系統，則可以節省16個測點，則每天節
省人工費160元；
(2)錨桿錨索經濟效益：以一條1000m的巷道為
例，如設置lO個錨桿監測斷面和10個錨索監測斷
面，每個錨桿監測斷面設置5個錨桿測力計，每個錨
索監測斷面設置3個錨索測力計，則共需要錨桿測
力計5O個，錨索測力計30個，共需費用4萬元，假
如使用本系統，則需錨桿測力計和錨索測力計各一
個，可節省3．9萬元，每天節省人工開支195元；
煤礦現代化 2015年第2期 總第125期
(3)頂板離層經濟效益：以一條1000m的巷道為
例，需設置20個測點，每個測點需頂板離層儀一個，
共需20個儀器，共花費4000元，使用本系統后，設
置一個測點即可，可節省0．38萬元，每天節約人工開
支190元；
(4)斷層破碎帶經濟效益：以每米計算，根據統
計斷層破碎帶比不過斷層破碎帶多花費8元錢，假如
使用本系統后，則可以根據位移監測資料來有針對性
的采取支護措施，假如監測資料表明不采取加強措施
可以滿足要求，則可以節約人工費和支護費用。
采用本安全評價系統后，每個月可以節省人工
開支1．66萬元，可以節省購買儀器費用4．28萬元，
斷層破碎帶可節約8元／(m·d)。
5．2 社會效益分析
結合鮑店煤礦3 煤巷錨網支護的具體情況，從
圍巖分類、失穩警戒值、分級預警、變形預測等方面
人手對煤巷錨網支護進行了深入的分析，通過編程
實現了自動化判斷，說明了煤巷錨網支護安全評價
系統的開發技術可行、安全可靠、經濟合理。為鮑店
煤礦錨網支護信息化施工提供了一條行之有效、多
快好省的技術途徑。煤巷錨網支護系統具有成本低、
效果好、能提前預警等優點，為礦井的高產高效及減
小被動補救代價起到了積極的推進作用，該系統將
大量的計算工作交由計算機處理，節省了大量的人
力和物力資源，改善了煤巷錨網支護失穩后再采取
補救措施的被動局面，為本礦區及國內類似條件下
煤巷錨網支護信息化施工問題提供了一條很好的技
術途徑，因此具有很好的社會效益。
煤巷錨網支護安全評價系統的開發能夠對煤巷
錨網支護提供很好的指導作用，針對鮑店煤礦3 煤
巷具體的錨網支護參數，通過收集巷道的前期變形
監測數據，對巷道的穩定性給出了提前判斷，具有顯
著的經濟效益和社會效益。
參考文獻：
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作者簡介：
朱敬(1979一)，男，兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦生產技
術科工程師。2004年畢業于遼寧工程技術大學礦物資源工程專
業。2010年取得山東科技大學礦業工程領域工程碩士學位。
(收稿日期：2015—3—13)
(上接第43頁)
證錨索極限抗拉載荷與錨固段粘錨力的匹配性；關
于錨索參數，需要深入分析錨索長度、錨索位置以及
排距，一般情況下，錨索多設置于巷道中線位置，如
果載荷體過高則可以適當將其靠近兩幫，避免出現
載荷不合理的問題。此外，為了保證支護效果，在條
件許可的情況下可以適當增加預緊力，預緊力與預
緊力擴散是一種典型的主動支護因素，對于支護效
果有著決定性的問題，就目前來看，我國很多煤礦巷
道都存在著斷面大以及巷道沿煤層掘全高的問題，
為此，就需要適當增加支護預緊力，保證頂板錨桿預
緊力矩可以大于400N·m，幫錨桿預緊力矩在300N·
m 以上，保障頂和幫錨索預緊力在250kN以上。
5 結論
總而言之，巷道斷面與巷道圍巖穩定性之間有著
密切的關系，在巷道斷面的增加之下，圍巖變形問題
會越來越嚴重，為此，必須要采取相關的支護措施。目
前，錨桿與錨索是現階段下達斷面最為常用的支護模
式，對于大斷面巷道，需要使用強力錨桿、高預緊力的
設計理念。對于高煤幫巷道，考慮到其塑性區分布范
圍較大，就需要使用高預緊力的錨桿進行支護，控制
好錨桿長度，避免煤體出現擴容離層的問題。
參考文獻：
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發應用【D】．中國礦業大學(北京)，2010．
作者簡介：
張勇利(1981一)，男，漢族，陜西三原人，畢業于河北建筑
科技學院采礦工程專業，本科，現在山西潞安集團五陽煤礦。
(收稿日期：2015—2—4)
· 47 ·

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