煤礦松軟圍巖巷道寬度優(yōu)化的實踐

摘 要：昌漢溝礦屬比較典型的松軟圍巖礦井，按以往經(jīng)驗選巷寬后發(fā)現(xiàn)巷道變形嚴(yán)重甚至頂板冒落，本文對巷道圍巖穩(wěn)定性進行理論分析，優(yōu)選了巷道合理寬度，實踐表明優(yōu)選巷寬能有效控制圍巖變形，為礦井的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。

關(guān)鍵詞：松軟圍巖；圍巖變形；巷寬優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.080

1 引言

昌漢溝煤礦5-1煤直接頂為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，強度為16.29MPa，煤層礦壓強度為20～30MPa，屬于比較典型的松軟圍巖。按照神東經(jīng)驗，礦井煤巷掘進寬度定為5400mm，發(fā)生了頂板冒落、巷道變形量大，圍巖得不到有效控制的嚴(yán)重局面。松軟圍巖條件如何確定巷道寬度對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義，理論分析和數(shù)值計算表明，影響金烽礦區(qū)煤層巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素及其排序為①埋深；②圍巖強度；③護巷煤柱寬度；④原巖水平應(yīng)力大小和方向；⑤巷道寬高；⑥煤層厚度；⑦煤層作用。為此，尋找符合昌漢溝煤礦圍巖條件下合理的煤巷寬度，首先要從理論上探索。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性理論分析

2.1 頂板變形對巷道影響

根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)研究，將巷道頂板當(dāng)做兩端固定梁，上面受到垂直應(yīng)力q作用，梁出現(xiàn)彎曲，其受力狀態(tài)可以簡化成圖1所示。

當(dāng)巷道頂板出現(xiàn)冒落時，直接頂選定為第一層巖層彈性模量設(shè)定為E，厚度為h，單位進尺時在巖層上產(chǎn)生的軸向旋轉(zhuǎn)力矩為J。頂板上均勻承受垂向載荷q作用。上部覆巖厚度為H，重量為r，巷道寬度為L，巷道頂板在上覆載荷作用下出現(xiàn)的彎曲變形量F可以采用下式進行計算：

；h=2m；

式中：E——5-1煤直接頂?shù)?層粉砂巖層的彈性模量，取值6.43×103MPa；

H——5-1煤直接頂（粉砂巖）上部覆巖厚度，取值120m；

γ——覆巖容重，取值2691kg/m3。

將E=6.43×103MPa，H=120m，γ=2691kg/m3，帶入上式中可以求得Fmax。

當(dāng)巷道頂板的最大下沉量值Fmax小于巷道頂板的允許變形量時，頂板巖層不會出現(xiàn)斷裂，頂板不會發(fā)生冒落。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，巷道頂板出現(xiàn)冒落的變形量值一般不超過50mm。當(dāng)巷道周邊存在有滲水，地質(zhì)構(gòu)造帶時，頂板出現(xiàn)冒落的允許變形量值會顯現(xiàn)降低。巷道寬度在5000mm時，巷道頂板覆巖第一層巖層的厚度在2m時，求得的Fmax為1.24mm。巷道頂板的下沉量值遠(yuǎn)小于頂板的允許下沉量值，此時巷道頂板不會出現(xiàn)冒落。

同樣隨著時間的增加，頂板的下沉量值不斷的增加，掘進時間越短，頂板出現(xiàn)的彎曲下沉量值越低，頂板越穩(wěn)定。

2.2 頂板剪切冒落

根據(jù)掘進巷道頂板受力特點分析，當(dāng)巷道直接頂強度較低時（第一層巖層完整性差，強度低），容易在巷幫出現(xiàn)剪切滑落破壞。具體的力學(xué)簡化模型如圖2所示。從圖中可以看出，巷道頂板巖層沿著巷幫以某一傾角出現(xiàn)滑移剪切破壞。

兩煤幫支撐點的剪力，發(fā)生在兩煤幫支撐點的延伸剪切應(yīng)力τ幫為：。

當(dāng)時，即時，在巷道頂板幫角位置不會出現(xiàn)剪切滑移破壞（此處q取值為3.23MPa）。

從分析中可以看出，巷道直接頂是厚度為2m的砂巖時，巷道頂板出現(xiàn)剪切滑移破壞的極限寬度為5300mm。煤礦井下的巖性條件受環(huán)境影響較為明顯，在具體確定某一范圍內(nèi)巷道的斷面以及支護參數(shù)時應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果綜合確定。

3 巷道寬度的優(yōu)化

從上述分析可以得出，為了降低巷道頂板變形量，在巷道寬度滿足使用的前提下應(yīng)盡量降低巷道寬度，當(dāng)對巷道斷面有要求時（例如通風(fēng)），在盡可能降低巷道寬度的前提下可以適當(dāng)增加巷道高度，以便保證巷道頂板穩(wěn)定。巷道的直接頂為厚度在2m的砂巖，完整性較好，計算出來的頂板最大變形量值在1.24mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂板運行變形量值。同時為了保證巷道頂板在巷幫位置不出現(xiàn)剪切滑移破壞，巷道的寬度應(yīng)控制在5300mm以內(nèi)。當(dāng)巷道直接頂厚度在2m以內(nèi)時，其他的巖性條件未出現(xiàn)變化時，為了保證巷道頂板穩(wěn)定，巷道寬度應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

巷道的寬度應(yīng)便于聯(lián)巷開口調(diào)機，巷道寬度在5000mm時，可一次性完成30°抹角，巷寬太小抹角困難。綜上所述，巷道寬度以4800～5300mm為宜，最終確定巷寬為5000mm。

4 結(jié)語

針對昌漢溝礦松軟圍巖導(dǎo)致的巷道變形，本文對巷道寬度優(yōu)選提供了一個可靠的參考。施工實踐證明，結(jié)合特定地質(zhì)地層條件，充分考慮各項因素對巷道變形的影響，理論聯(lián)系實際，巷道的留設(shè)做到有的放矢，就能有效控制圍巖變形，為礦井的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障，為類似條件巷道寬度留設(shè)提供一定的理論借鑒和實踐參考。

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作者簡介：王振（1986-），男，山西晉城人，碩士，現(xiàn)主要從事礦井設(shè)計工作。