1、江西煤炭科技2023年第1期摘要：以新元煤矿9 1 1 0综采工作面的地质资料为背景，运用理论分析、现场监测等手段，对工作面回采过程中，区段煤柱帮锚杆的轴向受力特征进行了无损伤检测研究，得出结论如下：9 1 1 0辅运巷、9 1 1 0回风巷帮锚杆的轴向受力特征与超前支承压力的分布规律体现出了较好的一致性；9 1 1 0回风巷区段煤柱受两次采动影响，煤柱体内塑性区发育，锚杆锚固端失效风险增大；为提高回采期间区段煤柱的稳定性需采取锚索配合钢筋梯子梁的补强支护措施，同时需要提高超前支护强度。关键词：综采工作面；区段煤柱稳定性；锚杆；轴向受力；无损检测技术中图分类号：TD8 2 2+.3文献标识码：
2、B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 5 0-0 3Study on Stability of Section Coal Pillar Based on Characteristics of Bolt Axial LoadMeng Tao(Shanxi Hongxia No.1 Construction Co.,Ltd.,Yangquan,Shanxi 045400)Abstract:Taking the geological data of the 9110 fully mechanized working face of Xinyuan Collier
3、y as background,the paper hasa non-invasive detection analysis on the axial stress characteristics of the bolts in the section coal pillar wall in the miningprocess of the working face by means of theoretical analysis and on-site monitoring,whose conclusions are as following:The axialstress characte
4、ristics of 9110 auxiliary haulage roadway and 9110 return air roadway side bolts are in good agreement with thedistribution law of advance bearing pressure,the coal pillar in the 9110 return air roadway section is affected by two miningoperations,the plastic zone in the coal pillar is developed,and
5、the failure risk of the anchor bolt end is increased,supplementsupport measures of anchor cable and steel ladder beam shall be taken,and the advance support strength shall be improved toimprove the stability of section coal pillar during mining.Key words:fully mechanized coal face;stability of secti
6、on coal pillar;bolt;axial load;nondestructive testing technique基于锚杆轴向受力特征的区段煤柱稳定性研究孟 韬（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西阳泉0 4 5 4 0 0）区段煤柱的稳定性研究是一项复杂的地质力学、工程力学问题，需充分考虑围岩内外应力场的分布规律及煤体的受载变形特性。众多学者1-5通过弹塑性力学、数值模拟等手段对不同采掘活动影响下煤柱体的受力变形特性进行了系统研究，并给出了合理煤柱尺寸的解析计算公式及关键控制技术。为解决掘进期间的瓦斯治理问题及缩短回采工作面的准备周期，目前新元煤矿9#煤在掘进准备阶段均采用双巷布置
7、方式，即在掘进过程中两条区段煤巷一次掘进到位分别作为服务本工作面的胶带巷及辅助运输巷。在区段煤柱的保护作用下，当本区段工作面回采完毕后，辅助运输平巷将继续作为邻近新准备工作面的回风平巷进行二次复用，如图1所示。受采掘顺序的影响，区段煤柱会依次经历掘进影响、本工作面一次采动影响、邻近工作面二次采动影响三个阶段。在现场可以发现区段煤柱在多次采动效应影响下，帮鼓严重，锚杆锚索锚固端失效，给矿井采掘活动的安全高效开展带来了较大的影响。图19110回采工作面平面以新元煤矿9 1 1 0综采工作面的地质资料为背景，采用锚杆无损检测设备，通过对区段煤柱帮锚杆的轴向受力特征进行系统研究，进而全面评估区段煤柱在
8、不同回采阶段的变形特性，从而为相似条件下煤柱稳定性控制提供依据。1研究区域地质特征9 1 1 0综采工作面总体地质构造为北高、南低5 0江西煤炭科技2023年第1期的单斜构造形态，煤层向南倾伏，平均坡度3，工作面煤层平均厚度2.9 5m。煤层直接顶平均厚度8.4m，为砂质泥岩；老顶平均厚度1 0.1m，为粉砂岩。该工作面采用倾斜长壁一次采全高工艺，工作面长2 4 0m，可采推进长度15 2 0m。9 1 0 9工作面的辅运巷作为本工作面的回风巷，并分别布置9 1 1 0辅运巷、9 1 1 0胶带巷。工作面区段煤柱宽度为2 0m。服务于该工作面的三条巷道沿煤层顶板掘进，设计断面尺寸5.2m3.5
9、m，顶部支护形式为W钢带+金属网+锚杆+锚索联合支护。W钢带为6眼钢带，每排钢带打设6根2 2mm24 0 0mm，H R B 3 3 5号螺纹钢锚杆，钢带与钢带中间打设3根2 1.6mm82 0 0mm锚索，排距12 0 0mm，全都垂直顶板岩层打设。帮部每排布置4根2 0mm20 0 0mm，H R B 3 3 5号螺纹钢锚杆，距顶2 5 0mm，锚杆间距9 0 0mm，距底5 5 0mm，排距12 0 0mm。2锚杆无损检测技术原理分析中国矿业大学研发的C M W3.7型矿用本安型锚杆无损检测仪主要由接收器、传感器、连接装置三部分组成，工作原理是利用固定频率与锚杆轴向力之间的内在关系去反
10、演评估锚杆的轴向受力状态。图2锚杆无损检测仪结构在使用前将锚杆无损检测装备按图2的顺序进行连接，然后使用金属小锤敲击连接在锚杆外露端的连接装置，小锤振动产生的横波会在锚杆杆体内进行传递，并被传感器反射接收，最后通过分析系统对采集到的振动信号进行解析计算从而反演得到锚杆的轴向受力状态。3现场工业试验3.1监测方案根据9 1 1 0回采工作面区段煤柱的分布情况，将本次监测范围划分为四个区域，其中区主要监测9 1 1 0胶带运输平巷和9 1 1 0辅助运输平巷之间区段煤柱的受力特征，区主要监测9 1 1 0回风平巷与9 1 0 9采空区之间区段煤柱的受力状况，如图1所示。以上三条巷道帮部锚杆的数量每
11、排为4根，因巷帮最大位移值一般位于巷高的中部，所以每个监测断面均选择巷帮距顶的第二根锚杆作为监测对象，每个监测断面间隔2.4 3.6m，若监测位置巷道两帮变形量较大时，需加密监测点。3.2监测数据分析9 1 1 0胶带巷区：受9 1 1 0工作面采动影响,I区各监测点锚杆轴向应力呈现递增，最后趋稳的态势。锚杆受力的高值区出现在距煤壁1 3 2 4.2m的位置，为6 0.2 8 2k N，主要原因是该区域正好位于工作面超前支承压力的应力升高区内，受此影响巷道区段煤柱受力增大，帮部产生较大的膨胀变形，锚杆作为主要的支护结构会对煤柱帮产生较大的反向约束力，从而造成锚杆杆体轴向受力增大。I区监测到的轴
12、向应力峰值点出现在距煤壁2 4.2m的位置，为8 2k N，是锚杆杆体屈服强度的7 7.9%，如图3所示。图39110胶带巷锚杆轴力9 1 1 0辅助运输巷区、区：由图4可知该巷道超前工作面煤壁位置，锚杆轴向应力的变化趋势同I区类似，即先增加到峰值点后，然后逐渐减小并趋于稳定。其中峰值点出现在距煤壁1 9.4m的位置，为7 4.6k N,是锚杆杆体屈服强度的7 0.9%。在工作面推过监测断面后，锚杆受力值在递减后出现小幅反弹递增，整个锚杆在监测周期内呈“双峰”分布状态，在-1 5.3m的位置达到峰值，主要原因是在工作面回采过后，采空区悬露的顶板并未完全垮落充实，区段煤柱作为主要的承载单元支撑着
13、侧方直接顶岩层的荷载。之后随着工作面的推进，采空区被顶板垮落膨胀的矸石充填闭实，煤柱受力逐渐趋于稳定，锚杆轴向受力维持在5 6.5k N。5 1江西煤炭科技2023年第1期图49110辅助运输巷锚杆轴力9 1 1 0回风顺槽区：该巷道区段煤柱内锚杆轴向受力状态离散性较大，未呈现出明显的规律特性，部分锚杆轴力仅为8.6k N，原因是该段煤柱已先后经历两次采动应力的影响，煤柱体裂隙发育、完整性较差，根据钻孔窥视结果可知，该煤柱围岩裂隙区的发育深度为1.5 3m，受此限制煤柱已无法为锚杆提供完整的锚固着力点，从而造成支护体系整体失效，如图5所示。图59110回风巷锚杆轴力4支护体系安全性评价在本监测
14、周期内，监测到锚杆杆体的最大轴向 受 力 为8 8.9k N，已 经 达 到 锚 杆 屈 服 强 度（1 0 5.2k N）的8 4.5%，低于国家规范要求的2.0的储备系数的要求。同时结合现场的实际观测效果，9 1 1 0回风平巷在经历9 1 0 9工作面采动影响后，煤柱体内塑性区发育、承载能力降低，出现了部分锚杆杆体失效的情况。由于原支护帮部采用锚杆杆体配合W钢护板的支护形式，所以各锚杆间协同受力性较差，在现场区段煤柱经常出现严重的帮鼓。为提高区段煤柱的稳定性，需在原有两排锚杆间补打帮锚索进行补强支护，同时利用钢筋梯子梁将锚索做纵向连接，以提高支护体系的整体性，从而更好地协调适应煤柱体的变
15、形。同时要提高三条巷道超前支护质量，将原有的帽柱支护形式变更为强度更高的套棚支护，即在顶板原有支护之间横向布置与巷道宽度相等的金属花梁，并在花梁下方用3根单体柱进行支撑，这样在回采期间单体柱可有效承担顶板岩层的荷载，从而降低支撑压力对煤柱体的二次扰动破坏。5结论1）9 1 1 0胶带巷、9 1 1 0辅运巷锚杆轴力峰值点出现在距9 1 1 0工作面煤壁2 4.2m、1 9.4m的位置，通过锚杆轴向受力特征可以间接反映工作面回采过程中超前支撑压力的影响范围及分布规律。2）9 1 1 0回风巷区段煤柱受两次采动影响塑性区发育范围较大，部分锚杆出现失效情况。3）为提高区段煤柱的稳定性需对煤柱采取补打
16、锚索+钢筋梯子梁的补强支护措施，同时要采用套棚支护提高超前段的支护质量。参考文献：1 方基详，张佳飞.厚煤层无煤柱沿空留巷围岩“卸压支护”机理及控制技术研究应用J.北京：中国矿业，2 0 2 1，3 0（S1）：3 2 1-3 2 4.2 娄庆楠，郑洪运，赵爽，等.高强度固帮切顶成巷方法研究J.长沙：矿业研究与开发，2 0 2 1，4 1（6）：7 7-8 3.3 王方田，尚俊剑，赵宾，等.切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术J/OL.武汉：岩石力学与工程学报：1-1 02 0 2 1-0 7-0 1.4 赵华亮.店坪煤矿切顶卸压无煤柱护巷技术应用J.江西煤炭科技，2 0 2 1（2）：1 5-1 7，2 0.5 曹冬冬.1 2 4 0 8工作面切顶卸压沿空留巷技术研究与应用J.长治：煤，2 0 2 1，3 0（2）：1 7-1 9，2 7.作者简介：孟 韬（1 9 9 4），男，本科学历，采矿助理工程师。收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 5编辑：彭呈喜5 2