煤層回采巷道位置的確定和支護(hù)技術(shù)研究

劉俊卿

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036603）

引言

回采巷道的主要作用是形成采煤工作面以及在工作中提供一系列輔助功能，如開切眼、運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷等。如何確定回采巷道位置，如何對(duì)回采巷道進(jìn)行支護(hù)是采煤過程中需要注意的關(guān)鍵問題。

1 煤層回采巷道位置的影響因素分析

1.1 應(yīng)力傳遞角的影響分析

應(yīng)力傳遞角主要從兩個(gè)方面對(duì)回采巷道位置的確定產(chǎn)生影響。從一方面來說，應(yīng)力傳遞角會(huì)受到煤柱寬度的影響。通過Flac3d的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再使用Tecplot軟件進(jìn)行深度處理，可以得出垂直應(yīng)力在不同煤柱條件下的應(yīng)力等值曲線［1］。垂直應(yīng)力等值線可以具體展示不同寬度煤柱條件下應(yīng)力的傳遞趨勢(shì)，此外還可以通過應(yīng)力降低區(qū)域分界線對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加全面的處理，以便得出更加精確可靠的結(jié)果。如果還需獲得應(yīng)力傳遞角的精準(zhǔn)規(guī)律，可以通過擬合應(yīng)力降低區(qū)域分界線相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的線性回歸方程。從另一方面來說，應(yīng)力傳遞角還會(huì)受到應(yīng)力集中系數(shù)的影響，會(huì)移動(dòng)造成應(yīng)力降低區(qū)域分界線，進(jìn)而使該分界線到煤柱邊緣的距離改變，導(dǎo)致回采巷道位置受影響。即使煤柱條件相同，不同應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)應(yīng)力傳遞角的影響也是不一樣的，因此需對(duì)其進(jìn)行更加深入地研究分析。

1.2 應(yīng)力梯度的影響分析

應(yīng)力梯度與應(yīng)力傳遞角相同也是從煤柱寬度和應(yīng)力集中系數(shù)兩個(gè)方面對(duì)巷道產(chǎn)生影響的。通常情況下，應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)，底板巷道的形變較小，但是在部分情況下并非如此，因此需要在實(shí)際中對(duì)應(yīng)力降低區(qū)域之外的范圍進(jìn)行垂直應(yīng)力的變化分析，得出相應(yīng)的變化梯度。應(yīng)力梯度大小的變化情況應(yīng)該將圍巖應(yīng)力梯度增加量作為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)相應(yīng)的梯度方程，可以得出煤柱邊緣到煤柱外原巖應(yīng)力梯度的距離，該距離就是確定回采巷道位置的最小距離。在煤柱相關(guān)條件不變時(shí)，煤柱和底板承受的壓力會(huì)隨應(yīng)力集中系數(shù)的改變而改變，對(duì)應(yīng)力梯度在一定范圍內(nèi)造成影響，進(jìn)而使回采巷道位置的確定出現(xiàn)偏差。

1.3 小煤柱留巷產(chǎn)生的影響分析

留設(shè)小煤柱既要布置到應(yīng)力降低區(qū)，還要保證彈性核心區(qū)能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)。在采煤工作面完成回采后，小煤柱受到的壓力變大，如果缺少巷道支護(hù)設(shè)施，就會(huì)使小煤柱變成孤島煤柱，經(jīng)過高壓作用，煤柱會(huì)在煤體崩壞后發(fā)生失穩(wěn)。小煤柱不同于大煤柱，其垂直應(yīng)力降低區(qū)分布存在一定自我特點(diǎn)，分界線處于煤柱下方，應(yīng)力梯度明顯相比大煤柱來說較?。?］。

2 煤層回采巷道的位置確認(rèn)分析

這里以極近距離煤層作為實(shí)例，具體分析確定回采巷道位置的方法。一般來說，回采巷道能夠確定基本層位，也可以確定下煤層與煤柱之間的距離，所以關(guān)鍵點(diǎn)在于煤柱與應(yīng)力梯度邊緣的距離。根據(jù)前文所述，煤柱邊緣與應(yīng)力降低區(qū)域分界線的水平距離xf以及煤柱邊緣與應(yīng)力梯度降低區(qū)的水平距離xt是界定煤柱位置的兩個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。從巷道維護(hù)和圍巖穩(wěn)定性的角度出發(fā)，回采巷道位置應(yīng)該根據(jù)兩者之間距離值較大的來確定。由此可以得出一個(gè)計(jì)算煤柱邊緣到應(yīng)力降低區(qū)距離的公式：

式中：xf為煤柱邊緣到應(yīng)力降低區(qū)域分界線的距離；hf為上煤層底板深度；a為煤層傾斜角；b為底板垂直應(yīng)力傳遞角；xf0為煤柱邊緣到應(yīng)力降低區(qū)域的最小距離。值得注意的是，根據(jù)垂直應(yīng)力梯度的相關(guān)要求，煤柱邊緣距離回采巷道的最小距離要高于xt。因此，煤柱邊緣到回采巷道的最低水平距離合理范圍在xf到xt之間，以此確定回采巷道的位置分布［3］。

3 煤層回采巷道的支護(hù)理論分析

3.1 新奧法支護(hù)理論

支護(hù)理論的應(yīng)用是巷道支護(hù)的重要環(huán)節(jié)，清楚巷道圍巖形變規(guī)律、掌握破壞因素、理解圍巖與支護(hù)體的深層聯(lián)系、了解支護(hù)對(duì)象在支護(hù)方案中所占據(jù)的重要地位。新奧法支護(hù)理論傳入我國(guó)的時(shí)間是在20世紀(jì)70年代末，主要運(yùn)用于水電、鐵路和煤炭等領(lǐng)域。在新奧法的運(yùn)用過程中，根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，對(duì)新奧法進(jìn)行了完善和發(fā)展，并形成了體系的支護(hù)原則，比如使用光面爆破；錨噴支護(hù)進(jìn)行圍巖加固，提高圍巖自承能力并形成承載圈；通過混凝土對(duì)巷道及時(shí)實(shí)施封閉，進(jìn)行密貼支護(hù)；還可以進(jìn)行二次支護(hù)；實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)以及動(dòng)態(tài)施工。

3.2 聯(lián)合支護(hù)理論

聯(lián)合支護(hù)理論的基本論調(diào)是在深部軟巖巷道中，如果單純依賴提高支護(hù)體剛度，則對(duì)圍巖形變無法形成有效控制。需要?jiǎng)側(cè)徇m度，協(xié)調(diào)合理穩(wěn)定支護(hù)。在此理論基礎(chǔ)下的支護(hù)方式主要有錨噴網(wǎng)加支架支護(hù)和錨梁網(wǎng)加支架支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)方式。聯(lián)合支護(hù)理論主要在支護(hù)條件較為困難的環(huán)境中使用，但在不斷實(shí)踐的過程中，該理論的實(shí)用性受到了一定挑戰(zhàn)，相應(yīng)支護(hù)方式需進(jìn)行多次維護(hù)和翻修。

3.3 松動(dòng)圈支護(hù)理論

松動(dòng)圈支護(hù)理論是較為實(shí)用的支護(hù)理論，其認(rèn)為圍巖帶在受到超過圍巖極限強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生弧形破裂，也被稱之為圍巖松動(dòng)圈。不同的地質(zhì)條件和應(yīng)力情況形成的圍巖松動(dòng)圈也不同，巷道支護(hù)需要根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的支護(hù)方式。松動(dòng)圈支護(hù)理論直觀簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便，但是卻存在兩個(gè)問題，一是在井下很難界定松動(dòng)圈的范圍，二是巷道支護(hù)是否會(huì)對(duì)松動(dòng)圈造成負(fù)面影響還尚無具體研究。

4 煤層回采巷道支護(hù)方式分析

4.1 錨桿錨噴支護(hù)

錨噴支護(hù)方式主要是通過噴射混凝土對(duì)巷道實(shí)施封閉，進(jìn)行密貼支護(hù)，將自然因素對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響降至最低。錨桿能夠發(fā)揮主動(dòng)加固作用，可以對(duì)圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，提升圍巖本身自承性能。錨桿錨噴支護(hù)能夠?qū)ο锏榔鸬接行У闹ёo(hù)效果，是一種具有貼合深部軟巖巷道特點(diǎn)的支護(hù)方式。但是，錨桿錨噴支護(hù)必須選擇合理的形式與相關(guān)參數(shù)，才能取得預(yù)想中的效果，否則可能發(fā)生冒頂事故。

4.2 U型鋼可縮性支架支護(hù)

就國(guó)內(nèi)實(shí)際情況來說，在許多煤礦中都廣泛運(yùn)用了U型鋼可縮性支架。U型鋼擁有優(yōu)良的幾何參數(shù)和斷面形狀，在U型鋼進(jìn)行搭接后能夠易于收縮。只要選擇合理的支架設(shè)計(jì)，運(yùn)用正確的方式進(jìn)行組件連接，就能夠使支架具有優(yōu)良的力學(xué)性能，能夠滿足支護(hù)需求。我國(guó)主要有U25、U29和U36等幾種材料來制造U型鋼可縮性支架，可以分為封閉型和不封閉型兩類。U型鋼可縮性支架是一種被動(dòng)的支護(hù)方式，制造成本費(fèi)用較高，實(shí)際應(yīng)用也比較困難。

4.3 灌漿加固

灌漿加固是通過鉆孔灌充漿液，將圍巖破碎的內(nèi)部固結(jié)起來，重塑圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化圍巖內(nèi)部力學(xué)性能，提高圍巖自身的承載能力，起到支護(hù)作用。目前我國(guó)圍巖灌漿加固的材料主要有兩種，一是水玻璃和水泥混合材料，另一類是高分子材料，比如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯和聚氨酯樹脂等。

4.4 復(fù)合支護(hù)

復(fù)合支護(hù)是將多種支護(hù)方式進(jìn)行交叉使用，對(duì)巷道形成聯(lián)合支護(hù)。多種支護(hù)方式聯(lián)合使用，可以彌補(bǔ)單一支護(hù)方式存在的缺陷，為回采巷道提供強(qiáng)力穩(wěn)定的支護(hù)。復(fù)合支護(hù)的方式多種多樣，有錨噴加灌漿加固、錨噴加U型鋼支架、錨噴加灌漿加固加U型鋼支架等。復(fù)合支護(hù)的使用范圍及其寬廣，支護(hù)效能也遠(yuǎn)超單一支護(hù)。但是復(fù)合支護(hù)也存在一定的缺點(diǎn)，其所需費(fèi)用很高，實(shí)現(xiàn)難度很大，對(duì)于中小企業(yè)而言不是優(yōu)先的選擇。

5 結(jié)語(yǔ)

煤炭是我國(guó)重要的能源，在采煤過程中，如何準(zhǔn)確界定回采巷道的位置，以及對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，這些問題都值得深入探討。影響回采巷道位置的因素眾多，對(duì)回采巷道的支護(hù)方式也很多，這就需要結(jié)合煤層實(shí)際情況，對(duì)回采巷道進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并選取合理的支護(hù)方式。

［1］ 朱閏生.極近距離煤層回采巷道合理位置確定與支護(hù)技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（4）：20－21.

［2］ 楊東輝.深部近距離中厚煤層群礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及巷道支護(hù)技術(shù)研究［D］.河南：河南理工大學(xué)，2012：7；15.

［3］ 張川.軟弱特厚煤層綜放回采巷道支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用［D］.山東：山東科技大學(xué)，2011：17；22.