煤礦采區巷道支護設計方案研究

2019-09-10 11:25:41張志剛

科學導報·科學工程與電力 2019年4期

【摘要】隨著煤炭開采量的不斷增加，煤礦開采深度不斷加深，開采時遇到的地質情況也是越來越復雜，對煤礦開采安全尤其是巷道支護的要求更是越來越高。目前，在煤巷支護工程中用到的最多的支護技術是錨桿支護。

【關鍵詞】回風巷；懸吊理論；支護

近年來煤礦開采水平向深度發展，出現的軟巖工程問題越來越多。軟巖巷道變形量大，支護受力大，一般采用可縮性U型鋼支架，但是其不但成本高、勞動強度大，而且有時還容易發生破壞。自從圍巖松動圈支護理論提出，在隨后的巷道支護研究中確定主要研究對象為松動圈發展過程中的碎脹變形。人們逐漸開始用錨噴支護代替U型鋼支架來解決軟巖支護問題，不僅支護效果好，而且經濟技術效益顯著。

1巷道斷面的最佳設計

在我國隨著礦井開采深度的增加，工作面回采機械化程度提高，要求回采巷道斷面積加大，因而使礦壓顯現更加劇烈，回采巷道的支擴問題在煤礦生產中越來越突出。在很多礦井中，由于巷道斷面縮小，嚴重影響工作面運輸、通風，常常形成“ 爬行巷道”，從而威脅井下的安全生產，使得工作面機械生產能力不能充分發揮。而且回采巷道的多次返修還是造成煤炭企業虧損、采掘接替緊張的主要原因之一。

2巷道的最佳掘進時間

在上區段工作面推進過程中，頂板運動的發展過程分兩個階段，顯著運動階段和相對穩定階段。在顯著運動階段，上覆巖層支承力不斷發展變化，造成采空區側煤體支承壓力的變化，煤體發生較大變形。如果在顯著運動階段掘進巷道，則巷道容易產生變形破壞，不利于巷道維護。當上區段采場老項觸矸后，頂板運動處于相對穩定階段，支承壓力已經重新分布，煤體變形基本穩定。此時掘進巷道，則巷道不易變形破壞，易于維護。因此，上區段采場老頂觸矸后頂板運動的相對穩定階段為沿空掘巷的最佳時間。

3巷道支護參數的選擇

支護是巷道施工的一個重要環節，正確而又及時的支護，巷道掘進工作才能正常的進行。支護的工作量一般占巷道總成本的1/3～ 1/2，勞動強度大。因此選擇合理的支護型式有著重要的意義。巷道支護參數的合理選擇直接影響到巷道支護的經濟效益并與巷道支護效果和安全生產有關。在巷道支護方案設計和井下巷道旌工中，一方面要求巷道支護參數的物理意義必須明確，能夠直接指導支架的設計和巷道的施工。另一方面要求支護參數在設計和施工時，易于被現場廣大工程技術人員掌握使用。

4巷道支護形式的選擇

在巷道支護中，錨桿支護與傳統的棚式支護相比，具有顯著的技術經濟優越性。目前的巷道錨桿支護設計方法具體可歸納為三大類：工程類比法、理論計算法和以計算機數值模擬為基礎的設計方法。

4.1 工程類比法

工程類比法是建立在已有工程設計和大量工程實踐成功經驗的基礎上，在圍巖條件、施工條件及各種影響因素基本一致的情況下，根據類似條件的已有經驗，進行待建工程錨桿支護類型和參數設計。這種方法不是簡單照搬，而是首先搞清楚待建巷道的地質條件與圍巖物理力學參數，科學的進行圍巖分類的情況下，然后在針對不同的圍巖類別，根據巷道生產地質條件確定錨桿支護參數。這是一種是實用的方法，在煤礦錨桿支護設計中占有主導地位。

實踐證明，在工程條件接近時，采用工程類比法進行錨桿支護設計可能是十分有效的。然而由于煤層賦存條件千差萬別，某一類別中尚存在各種不同情況，使用時必須參照多方面的經驗加以應用。

4.2 理論計算法

錨桿支護理論計算法利用懸吊理論、冒落拱理論以及其它各種力學方法，分析巷道圍巖的應力與變形，進行錨桿支護設計，給出錨桿支護參數的解析解。

4.2.1 按懸吊理論設計錨桿支護參數在層狀巖層中開挖的巷道，頂板巖層的滑移與分離可能導致頂板的破碎直至冒落在節理裂隙發育的巷道中，松脫巖塊的冒落可能造成對生產的威脅：在軟弱巖層中開挖的巷道圍巖破碎帶內不穩定巖塊在自重作用下了可能發生冒落。如果錨桿加固系統能夠提供足夠的支護阻力將松脫頂板或危巖懸吊在穩定巖層中，就能保證巷道圍巖的穩定。

4.2.2 冒落拱理論法

這種方法應用冒落拱分析圍巖的松動區狀態，認為錨桿支護的作用是防止松動破碎區的圍巖垮落。設計用主要參數的獲取靠經驗法并結合一定的觀測手段來實現。設計主要用于確定錨桿的間、排距。

4.3 數值模擬分析法

經過幾十年的發展，數值模擬分析法已在求解巖土工程問題中得到廣泛的應用，并取得了巨大的成功，盡管仍存在不同的觀點，但人們逐步認識到數值模擬分析是地下巖石工程設計和分析研究的重要手段。數值模擬方法是通過對結構系統構造數學模型，利用計算機求解大規模的代數聯立方程組來模擬結構系統的反跌過程的。它們有其優點也有不足。

5.支護準側及方法

對困難、復雜條件下的煤巷圍巖地質力學條件和變形破壞的特點，在保證生產安全的條件下，力求獲得交好的技術經濟效益。

6 巷道支護對策

6.1 優化巷道位置

在設計階段應根據煤系地層的巖性，合理選擇巷道位置，盡可能避開軟弱巖層；在地質勘探過程中，應掌握巖石物理力學性質、巖石物理化學性質以及巖石水理性質，應掌握主應力的大小及方向，合理選層、選位，盡可能躲讓高應力區。

6.2 選擇合理的支護斷面

由于8100采區回采時間較短，巷道服務年限為至采區報廢為止，綜合各方面因素8100采區軌道上山施工斷面選擇為矩形，掘進斷面10.44m2，巷道掘進荒寬3600mm，凈寬3400mm，掘進荒高2900mm，軌道以上凈高2600mm，設計方位跟8煤頂板掘進。預留巷道空間對提高支護體結構強度，保證巷道正常使用是非常必要的。

6.3 提高圍巖強度

錨桿和注漿是兩種有效的加固圍巖方式，能促使形成圍巖加固的承載圈，充分發揮圍巖的自承能力，阻止圍巖的塑性流動。

6.4 提高錨桿支護的預緊力，實現主動支護

錨桿支護是巷道最有效的支護形式，錨桿支護系統的剛度十分重要，特別是錨桿預應力起著決定性作用。較高的預應力要求錨桿具有較高的強度。單根錨桿預應力的作用范圍是很有限的，必須通過托板、鋼帶和金屬網等構件將錨桿預應力擴散到錨桿周圍更大范圍的圍巖中，形成支護結構。

6.5 及時封閉圍巖

巷道支護現場總結的經驗是：治幫先治底，治底先治水。因此，對水的處理是保證軟弱圍巖穩定的基礎工作，尤其對于含有黏土類礦物的膨脹型軟巖，隔水為第一要務。軟巖巷道開挖后要及時噴射混凝土進行封閉，防止其受水和空氣的影響而崩解和軟化。

7結論

在煤礦的建設中應根據礦井巷道的實際地質狀況來確定巷道及硐室的支護形式。錨桿等支護形式的布置隨圍巖條件發生變化時，其支護參數也應做相應改變，特別在地質構造地帶，可考慮增加錨桿、錨索數量或輔以其它支護方式，甚至更改支護方式。

參考文獻：

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