深部礦井膠運大巷礦壓顯現與支護技術研究

劉剛剛

(霍州煤電集團有限責任公司 李雅莊煤礦，山西 霍州 031400)

在我國，一般將埋深大于600 m的礦井稱為深部礦井。隨著我國西北地區煤炭淺部資源的減少，逐步進入深部開采，深部礦井地壓顯現明顯較淺部強烈。

某煤礦設計生產能力1 500萬t/a，3煤膠帶輸送機大巷埋深約670 m，屬于深部礦井開采。生產掘進過程中，巷道頂板及兩幫巖石不穩定，有片幫底鼓現象，施工時需及時支護。膠運大巷作為礦井掘進及生產期間煤炭的主要運輸巷道，需要保證巷道的支護質量。對膠運大巷進行了礦壓顯現研究，分析其規律，并進行針對性的支護設計，以保證巷道在服務期間的正常使用，減少維修量，使支護具有良好的使用性和適應性，并有利于提高掘進速度。

1 工程概況

膠帶輸送機大巷處于3-1煤層中，地質構造簡單，傾角一般小于3°. 煤層黑色瀝青光澤、階梯狀斷口，塊狀構造，有分層現象；煤層底板為8.9 m厚淺灰色粉砂巖，泥質膠結，巖體較完整，弱含水。開口位于+677 m水平井底車場41-42-43段80 m處，開口坐標為:X=4 351 417.563,Y=37 386 230.432,向南開口方位為144°，向北開口方位為324°. 膠帶輸送機大巷為直墻半圓拱斷面，巷道坡度為0～1°，沿煤層底板掘進，掘寬5 800 mm，掘高5 400 mm，S掘=24.56 m2；凈寬5 500 mm，凈高4 950 mm，S凈=21.07 m2.鋪底300 mm，混凝土強度等級C30. 水溝布置在巷道左幫，水溝毛寬650 mm，毛深600 mm，水溝澆筑厚度100 mm，坡度與巷道坡度相同。巷道斷面圖見圖1.

圖1 膠運大巷斷面圖

2 礦壓顯現規律研究

3煤膠運大巷在實際掘進過程中，煤壁片幫嚴重，尤其肩窩位置，個別片幫深度達1.2 m，底板底鼓現象時有發生，造成支護失效，嚴重影響了巷道掘進速度。為摸清巷道礦壓顯現規律，采用針對性的支護設計，對3煤膠運大巷建立數值模型，展開研究。

2.1 模型建立

基于有限差分法原理，根據巷道圍巖性質，建立FLAC3D模型。根據巖石力學原理，掘巷后影響范圍應約為巷道寬度3～5倍，結合巷道尺寸建立模型：X60 m×Y2.4 m×Z46.5 m，見圖2. 巷道位于3-1煤底部。

圖2 巷道模型圖

2.2 礦壓分析

2.2.1圍巖穩定性分析

利用數值模擬，監測巷道開挖后的圍巖位移，見圖3.

圖3 巷道圍巖監測圖

由圖3可知，膠運大巷開挖后，巷道圍巖發生破壞，位移急劇增加。巷道兩幫的位移速度明顯大于巷道的頂板和底板。由于圍巖的自承作用，巷道圍巖逐步趨于穩定，穩定后的巷道兩幫位移量較頂底板位移量大。

2.2.2圍巖應力應變分析

圍巖應力圖見圖4，圍巖塑性區分布圖見圖5.

圖5 圍巖塑性區分布圖

分析圖4可知，膠運大巷開挖后，在巷道作用下，兩幫圍巖較深區域形成應力集中區，且圍巖最大主應力極值點位于巷道兩幫約3.5 m的位置，應力極值約為31 MPa，應力集中系數約為1.79. 由圖5可知，巷道圍巖破壞主要為塑性剪切破壞，其中巷道兩幫圍巖剪切破壞范圍較大，剪切塑性區的最大厚度為4.3 m，而底板圍巖塑性破壞區較兩幫稍小，最大厚度為2.2 m，頂板剪切塑性區最小，最小值僅為0.9 m，而巷道底板圍巖發生塑性拉伸破壞區的厚度約為0.4 m. 由此可知，巷道兩幫和頂板的圍巖開挖后的狀態明顯好于底板，底板和兩幫肩窩需要加強支護，其他位置進行常規支護。

3 支護設計

根據分析結果可知：巷道兩幫的位移速度明顯大于巷道的頂板和底板，而開挖后巷道兩幫和頂板的圍巖狀態明顯好于底板。針對此礦壓顯現規律，在保證支護效果的基礎上，充分考慮支護適應性、使用性和經濟性，對巷道進行支護設計。3煤膠帶輸送機大巷永久支護均采用錨網噴+錨索+鋼護板耦合支護，巷道肩窩和底板采用加強支護以控制片幫和底鼓，其余部位采用常規支護。

3.1 支護參數

支護設計圖見圖6.

錨桿選用d22 mm×2 500 mm左旋無縱肋樹脂錨桿。

錨桿錨固方式：端頭錨固，每根錨桿孔底配一根MSCK2350和一根MSK2350樹脂錨固劑。

網片規格：拱部及幫部網片采用d6 mm盤圓金屬網，規格100 mm×100 mm-1 800 mm×900 mm；網片接茬100 mm每隔200 mm采用16#鐵絲綁扎，網絲扭接不少于3圈。

錨桿配件：采用配套蝶形托盤、調心球墊，托盤規格：150 mm×150 mm×10 mm.

錨桿布置：巷道頂部錨桿在巷中布置一根，然后向兩邊按800 mm間距分布，間排距為800 mm×800 mm，每排拱部13根錨桿，幫部4根錨桿，肩窩位置補強支護1根錨桿，底板3根錨桿。

錨桿預緊力：錨桿預緊力300 N·m，錨桿錨固力為80 kN.

錨索規格：錨索材料為d18.9 mm×7 500 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線。

錨索構件：每根錨索孔底配1支MSCK2340和2支MSK2340樹脂錨固劑。高強碟形托盤規格280 mm×280 mm×20 mm，配套鎖具緊固錨索。

錨索布置：間排距2 400 mm×2 400 mm，錨索垂直巷道頂板打設。

錨索預緊力：預緊力不低于200 kN.

圖6 支護設計圖

3.2 支護效果分析

對支護后的錨桿、錨索受力進行模擬分析，見圖7，8. 頂板錨桿受力18.5 kN，底板錨桿受力12.4 kN，兩幫錨桿受力約54 kN，巷道兩幫的錨桿受力明顯大于巷道頂板錨桿，幫部錨桿受力雖較大，但未到達其受力極限，可保證巷道圍巖支護的穩定。頂板錨索受力134.4 kN，受力基本穩定，小于其受力極限，可有效將頂板深淺部圍巖連接成一個整體，充分控制圍巖變形。

圖7 錨桿受力效果圖

圖8 錨索受力效果圖

4 結 論

通過對深部礦井3煤膠運大巷開挖后礦壓顯現規律進行研究與分析，得出巷道兩幫的位移速度和穩定后位移量均明顯大于巷道的頂板和底板。巷道兩幫受力較頂底板大，但巷道兩幫和頂板的圍巖開挖后的狀態明顯好于底板。3煤膠帶輸送機大巷永久支護均采用錨網噴+錨索+鋼護板的耦合支護形式，可以充分發揮錨桿、錨索的性能，保證巷道的圍巖穩定，達到了支護的效果。