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掘進巷道過陷落柱措施及支護技術研究

文檔作者：韓晉生文檔來源：山西焦煤西山煤電西銘		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月03日
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總第232期
2022年第8期
機械分析與設計
掘進巷道過陷落柱措施及支護技術研究
韓晉生
（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西太原030052）
摘要：針對掘進工作面過陷落柱穩(wěn)定性差的問題，以西銘礦49403工作面皮帶巷為基礎，對掘進卷道過陷落柱技
術措施進行研究。結果表明，陷落柱與煤層交界處將形成一個塑性破碎區(qū)，該區(qū)域圍巖內(nèi)部發(fā)育有大量節(jié)理裂隙，
采用超前注漿技術，對工作面前方煤體圍巖進行加固，提高圍巖整體性，同時對過陷落柱區(qū)域及前后5m范圍圍巖支
護方案進行優(yōu)化，提高巷道穩(wěn)定性。
關鍵詞：掘進巷道陷落柱注漿技術支護方案
中圖分類號：TD353
引言
隨著煤層賦存條件的復雜化，礦井開采煤層范圍
內(nèi)發(fā)育有大量構造1-2)。陷落柱是煤層中常見的一種
構造，在我國許多礦井開采煤層內(nèi)均有分布，為合理
地開采煤炭資源，多數(shù)礦井布置工作面時盡量避免回
采過程中揭露陷落柱，將工作面巷道布置在陷落柱
內(nèi)，導致巷道掘進過程中通過陷落柱[3]。掘進巷道遇
陷落柱，不僅影響巷道掘進效率，還造成銜接緊張等
問題，同時，陷落柱周圍巖體結構復雜，內(nèi)部節(jié)理裂隙
中含有較多水源，掘進過程中易導致突水等事故發(fā)
生。本文以西銘礦49403工作面皮帶巷地質條件為基
礎，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實踐方法，對掘進巷
道過陷落柱措施以及巷道支護優(yōu)化方案進行了研究。
149403工作面概況
西銘礦49403工作面開采煤層為9號煤，煤層厚
度平均為2.85m，傾角平均為5°，煤層結構一般。工
作面傾斜長度為180m、走向長度為980m，埋深為
131~392m，平均為260m。根據(jù)地質資料，該工作面
內(nèi)賦存有11個陷落柱，皮帶巷掘進過程中將揭露
X,582、X,588陷落柱，陷落柱參數(shù)如表1所示。X,582
陷落柱影響皮帶巷長度約為25m，X,588陷落柱影
響長度約為39m，由于影響長度較小，巷道掘進過程
中直接通過該陷落柱。工作面頂板情況如圖1所示。
2陷落柱區(qū)圍巖結構特征
2.1陷落柱圍巖應力場特征
根據(jù)已有研究成果可知，陷落柱的產(chǎn)生是由于地
下水侵蝕作用下對巖體產(chǎn)生損傷，導致巖層完整性被
破壞，部分區(qū)域缺失后由其他巖層充填形成的充填體。
表149403工作面陷落柱參數(shù)
編號位置
X,582 X=4.393.428,
Y=3.761195
X.588 X=4 193 317,
Y=3761499
收稿日期：2022-01-04
作者簡介：韓晉生（1983一)，男，河北井經(jīng)人，大專，畢業(yè)于太原理工大學采礦工程專業(yè)，研究方向為采煤。
機械管理開發(fā)
Mechanical Management and Development
文獻標識碼：A
3.68
砂質泥巖6.63
泥巖4.75
9號煤2.85
圖149403工作面頂板柱狀圖
陷落柱往往處于構造應力集中區(qū)域，并且受力極不均
勻，因此巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律性差。為有效分析
陷落柱承載受力特征，將陷落柱視為一受力規(guī)則、性
質均一的圓體，由巖石彈塑性理論可知，陷落柱應力
分布圖如圖2所示[7]。從圖2中可以看出，圓體邊緣
側向應力最大值為2rH,其中r為巖層容重，H為煤層
埋深。由于煤體極限承載能力往往低于該側向應力，
并且在地應力場的疊加作用下，陷落柱與巖層交界處
將形成一個塑性破碎區(qū)，該位置發(fā)育有大量節(jié)理裂
隙，因此在臨近陷落柱影響區(qū)域時，需加強圍巖支護
強度，采取措施提高圍巖整體性。
2.2圍巖內(nèi)部結構窺視
由于在陷落柱前后區(qū)域圍巖破碎程度較高，為確
認巖層內(nèi)部結構特征，采用鉆孔窺視方法對陷落柱前
方10m范圍內(nèi)頂板巖層進行了分析，下頁圖3為鉆
彈性應力
升高區(qū)
工工工工工
省落柱原巖應力區(qū)
描述長軸/m短軸/m面積/m
皮帶巷掘進期間揭露29
皮帶巷掘進期間揭露42
Total 232
No.8, 2022
D0I:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2022.08.055
文章編號：1003-773X(2022)08-0128-02
名稱厚度/m 柱狀圖
石灰?guī)r
灰黑色，粉砂質膠結，節(jié)理發(fā)育
半光亮型，塊狀條帶狀，瀝青光澤
塑性
破碎區(qū)
18 443
35 1200
巖層情況
灰色，節(jié)理發(fā)育一般
深灰色，半光亮型，瀝青光澤
塑性應力
降低區(qū)
圖2陷落柱周圍應力分布圖
2022年第8期
孔窺視圖，鉆孔深度為10m。從圖3中可以看出，孔內(nèi)
2.4m處頂板破碎，存在空洞；孔內(nèi)3.5m處存在多條
縱向裂隙，裂隙長度約為39mm；孔內(nèi)5.1m處頂板破
碎，存在空洞。綜合分析可以看出，鉆孔內(nèi)有大量構造
發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差。
3-1 孔內(nèi) 2.4 m 3-2孔內(nèi) 3.5m
圖3鉆孔窺視圖
3圍巖控制技術研究
針對49403工作面皮帶巷過陷落柱危巖體，采用
超前注漿技術對工作面前方煤體圍巖進行加固，同時
對巷道支護方案進行了優(yōu)化，從而實現(xiàn)掘進巷道快速
過陷落柱。
3.1超前注漿加固技術
注漿技術通過改變圍巖特性，提高巖體之間膠結
程度，并對其內(nèi)部節(jié)理裂隙進行充填，從而加固巖體
強度，提高圍巖穩(wěn)定性。超前注漿鉆孔將根據(jù)加固區(qū)
域分別設計參數(shù)，注漿鉆孔布置如圖4所示。從圖4
中可以看出，巷道迎頭煤體1~5號鉆孔主要對頂板圍
巖進行加固，使頂板能夠形成穩(wěn)定的自然拱，減弱巷
道掘進對深部圍巖的影響；6、7號鉆孔對巷道兩幫煤
體進行加固，提高煤體強度，增大其支撐頂板能力；8、
9號鉆孔對巷道兩底角底板進行加固，防止巷道出現(xiàn)
底鼓現(xiàn)象。
單次注漿難以實現(xiàn)一次性加固圍巖效果，因此根
據(jù)該巷道陷落柱影響長度，確定單次循環(huán)加固長度為
15m，1~5號鉆孔距離頂板0.5m，間距1m;6、7號鉆
孔距離兩幫0.5m，底板1.5m，間距4m;8、9號鉆孔
距離底板0.3m，兩幫0.5m，間距4m，鉆孔參數(shù)如表
2所示。注漿材料選用超高水A、B加固材料，水灰比
為0.7：1,注漿泵壓力為10~15MPa。
3.2巷道支護方案
巷道掘進過陷落柱期間，對支護參數(shù)進行調(diào)整，
1號2號5001009
6號
0OST
8號500
圖4起超前注漿鉆孔布置圖（單位：mm）
韓晉生：掘進巷道過陷落柱措施及支護技術研究
20
2.3.4 16
6.7 18
8.9 18
并采用架棚支護方式控制圍巖，提高圍巖穩(wěn)定性。該
方案在陷落柱前方5m處開始使用，直至出陷落柱區(qū)
域5m后再更改為原巷道支護方案，巷道支護方案如
圖5所示。頂板錨桿布置排距由1100mm調(diào)整為3-3孔內(nèi) 5.1 m 1050mm，錨索由2-0布置調(diào)整為3-0布置，頂板由
金屬網(wǎng)支護優(yōu)化為鋼筋網(wǎng)+塑料網(wǎng)聯(lián)合支護。棚梁采
用12號工字鋼，頂梁長度為4500mm，上腿長度
為1400mm，下腿長度為1600mm，搭接長度為100
mm，工字鋼棚排距為1000mm。棚與圍巖之間用背板
充填密實。
SKF22-1/1 720×7 4
錦桿
MSCLW-50022×2 400
強力錯桿
BHW-280-4-
W鍋帶
金屬網(wǎng)·超料網(wǎng)
2號工字
圖5過陷落柱巷道支護斷面圖（單位：mm）
3.3實踐效果
工作面更改圍巖控制方案后，巷道掘進效率相較
于過去有了較大提升，掘進日進尺由2m提升至3m，
同時對過陷落柱區(qū)段圍巖變形情況進行了監(jiān)測，監(jiān)測
時間為30d。監(jiān)測期間，巷道頂板下沉量最大為86
mm，兩幫移近量最大為67mm，并且陷落柱前后區(qū)域
頂板無明顯下沉現(xiàn)象，巷道圍巖穩(wěn)定。
3號4號
4.000
4.000
· 129·
表2爆破參數(shù)
孔號鉆孔深度/m鉆孔直徑/mm外插角/°
1、5 30
30
30
30
SHW-280
5號4結論
本文以西銘礦49403工作面皮帶巷條件為基礎，
采用理論分析、窺視監(jiān)測、現(xiàn)場實踐方法，對掘進巷道
7號過陷落柱技術措施進行了研究，主要結論如下：
1)陷落柱與煤層交界處由于煤體極限承載能力
低于構造應力，在地應力場的疊加作用下，將形成一
9號個塑性破碎區(qū)，該區(qū)域圍巖內(nèi)部發(fā)育有大量節(jié)理裂
隙，需加強圍巖支護強度，采取措施提高圍巖整體性。
2)采用超前注漿技術，對工作面（下轉第134頁）
傾角°
10 5
0 5
7 0
7 0
回
機械管理開發(fā)
· 134· jxglkibjb@126.com
以內(nèi)；將優(yōu)化后的搖臂部署到采煤機工程實踐中，經(jīng)
過現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)效果良好，不僅降低了結構的加工制
作成本，還提升了其服役使用壽命。
參考文獻
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Force Analysis and Structural Optimization of Rocker Arm of Coal Mining Machine Based on
(Xigou Coal Mine, Shanxi Xishan Jinxing Energy Co., Ltd., Xing County Shanxi 033602)
Abstract: The force model of the rocker arm of MG200 coal mining machine was established based on Pro/E and Ansys sofware, and the
force conditions when the angle between the rocker arm and the horizontal surface was-20°0°20and 55were studied.The
results showed that therocker arm shell showed a significant stress concentration at 55°with a maximum stress of155.6 MPa,
exceeding the allowable material stress of138 MPa.The optimised rocker arm was applied to the coal mining machine and was found to be
effective in field use, with an increase in service life of more than 15%.
Key words: finite element method; coal mining machine; rocker arm structure; static analysis; structuraloptimisation
(上接第129 頁）
前方煤體圍巖進行加固，提高圍巖整體性，同時對過
陷落柱區(qū)域及前后5m范圍圍巖支護方案進行了優(yōu)
化，提高巷道穩(wěn)定性。
參考文獻
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Research on Measures and Support Technology for Over Trapped Columns in Roadway
(Ximing Mine, Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power, Taiyuan Shanxi 030052)
Abstract: In view of the problem of poor stability of thetrap column at the digging face,the technical measures of the digging roadway over
the trap column were studied based on the conditions of the belt lane at the 49403 working face of Ximing Mine. The results showed that a
plastic fracture zone willbe formed at the junction of the trap column and the coal seam, and a large number of joints and fssures are
developed in the surrounding rock in this area.
Key words: roadway excavation; trap column; grouting technology, support scheme
(上接第131頁)
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(Yang Coal Group Shouyang Jingfu Coal Co.,Ltd., Shouyang Shanxi 045400)
Abstract: In order tofurther ensure the safety and transport eficiency of the coal mine transportation system, the ground hoisting winch is
used as the research object, and the winch drive system model is constructed by means of parametric design. Based on the constructed
model, the stress and fatigue life of the planetary drive wheel system and the circular bevel gear system are evaluated respectively, which
lay the foundation for the subsequent structural optimization design of the winch drive system.
Key words: gound hoisting winch planetary drive wheel system; circular bevel gear system fatigue life; stressconcentration
第37卷
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Simulation Analysis of Safety and Reliability of Ground Winches
Wang Qiju

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