耦合讓均壓技術在破碎頂板順槽中的應用

龐爾國

（山西大同煤礦集團有限公司，山西 大同037000）

1 概述

礦山開采進入深部以后，地質條件變得更加復雜，圍巖應力疊加想象變的更加明顯，使得巷道圍巖穩定性問題成為安全開采的突出問題〔1〕，近年來錨桿錨索聯合支護技術已廣泛運用到深部巷道支護中，但在生產中只強調單種支護體的強度，未對錨桿、錨索的聯合支護協調性進行系統性研究，因而在實際的巷道支護中使用效果差，錨桿、錨索局部被拉斷，需要大量的補打工作，甚至會造成事故〔2〕。

針對該問題，現以陶二礦18505材料巷為研究對象，運用耦合支護非線性設計研究方法，提出合理的支護方案，以探索耦合讓均壓技術在破碎頂板順槽中控制圍巖穩定的新方法。

2 工程概況

陶二煤礦正在開采13＃和8＃煤層。18505工作面位于12采區輔助運輸下山南側，東部、南部、西部均為實煤區。工作面為8＃煤層，煤厚4.6～7.76m，平均厚度為6 m，為穩定開采煤層，傾角5°～10.9°，平均9°。8＃煤下層夾矸增厚至0.90～2.44m，使8＃煤分為上、下兩層，下層煤厚0.42～1.11m。當煤層厚度小于等于4.5m時材料巷沿煤層頂板掘進；當煤層厚度大于4.5m時，按托1.2m頂煤進行掘進。煤層頂底板柱狀見表1所示。

表1 18505材料巷圍巖柱狀圖

因此針對陶二礦8＃煤層現有的地質與采礦條件，設計出一套適合其特點的合理的順槽支護系統，實現順槽的安全、經濟、快速掘進，對類似條件下的巷道支護具有指導意義。

3 耦合讓均壓設計支護方案

3.1 耦合讓均壓支護設計理念

煤層巷道錨桿支護設計和產品開發必須考慮3個基本因素：一是支護系統錨桿支護機理〔3〕；二是被支護圍巖應力變形的關系，三是支護系統工作特性和圍巖應力與圍巖變形關系的耦合〔4〕。

3.2 根據塑性理論及數值分析確定支護參數

根據圍巖破壞時符合圍巖剪切破壞準則進行數據理論計算，運用有限元數值模擬軟件對支護參數進行確定〔5〕松散破碎區范圍和三軸壓縮極限應力情況見圖1、圖2。

圖1 松散破碎區范圍

圖2 三軸壓縮極限應力

頂板錨桿參數：

間排距：間排距830mm，排距1000mm，Φ20×2600 mm，Q600礦用超高強螺紋鋼，安裝應力240nm，預應力理論計算5t。

頂板錨索參數：

錨索長度：9000mm和6000mm，直徑：22mm，安裝應力15t，錨固劑：一支CK2335，兩支K2380。

支護布置見圖3。

圖3 支護布置

4 現場觀測數據分析

為了驗證實驗巷道的支護效果，對該實驗段安設測點進行觀測并對數據進行分析。

圖4 巷道表面收縮隨時間變化

圖5 頂板各層位相對位移隨時間變化

圖6 錨桿錨索受力隨時間變化曲線

圖7 煤柱測應力變化曲線

1）通過圖4表面位移收縮觀測，實驗段移近量在巷道開挖10天時間就達到平衡穩定狀態，兩幫移近量達到45 mm；頂板下沉量達到25mm。

2）通過圖5多點位移計數據觀測，頂板下沉量整體不大，以12m深基點為原點，頂板表面下沉量最大達到8 mm，巷道開挖20天后達到平衡，3m點和5m點和6m點由于錨桿錨索的耦合支護，形成協調運行板，所以下沉量相同。

3）通過圖6壓力表的觀測數據分析，錨桿在70kN的高安裝應力下很快達到平衡，且達到和錨索耦合支護的效果。

4）通過圖7煤柱應力計的觀測分析，煤柱測的應力值保持在3MPa左右，3m、6m及9m處的應力值均未出現差別分布，說明煤柱側進入塑性區，破碎區范圍小于3m，煤柱側的碎脹變形小，煤柱有一定的支護巷道穩定的強度。

5 結語

根據實驗段的數據分析說明，實驗段的表面收縮量及錨桿錨索受力情況整體分析均能滿足生產的需要。該支護方案與原支護方案進行對比，不僅減少了補打錨桿的時間及資金，而且由于該方案中加大了錨桿的排距，在保證支護效果的基礎上提高了巷道的掘進速度，減少了支護密度。說明耦合讓均壓支護技術在該破碎順槽段實驗效果是可行的。

〔1〕謝和平，彭蘇萍，何滿潮 .深部開采基礎理論與工程實踐〔M〕.北京：科學出版社，2006：197－204.

〔2〕何滿潮，景海河，孫曉明 .軟巖工程力學〔M〕.北京：科學出版社，2002：105－107.

〔3〕何滿潮，孫曉明 .中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南〔M〕.北京：科學出版社，2004：86－87.

〔4〕孫曉明，何滿潮 .深部開采軟巖巷道耦合支護數值模擬研究〔J〕.中國礦業大學學報，2005，34（2）：167－169.

〔5〕孫曉明 .煤礦軟巖巷道耦合支護理論研究及其設計系統開發〔D〕.北京：中國礦業大學力學與建筑工程學院，2002.