工作面巷道支護(hù)機(jī)理的研究及應(yīng)用

郝 旭

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著采煤技術(shù)和綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，對(duì)工作面巷道支護(hù)技術(shù)及質(zhì)量提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜化、巷道埋深增加、開(kāi)采深度及強(qiáng)度不斷增加等復(fù)雜的形勢(shì)下提升了巷道支護(hù)的難度。經(jīng)研究表明，我國(guó)綜采工作面巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、錨桿支護(hù)等過(guò)程[1-3]。與其他支護(hù)方式相比，錨桿支護(hù)由于其支護(hù)效果佳、支護(hù)成本低、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)目前被廣泛應(yīng)用于綜采工作面巷道的支護(hù)中，成為巷道支護(hù)的首選方式。本文以西銘礦為研究對(duì)象，在分析巷道支護(hù)機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)西銘礦西部下組煤回風(fēng)巷的支護(hù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 工作面概述

西銘礦西部下組煤回風(fēng)巷所掘8號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；8號(hào)煤上分層厚度0.55～1.0 m，平均0.60 m；煤層上部夾石為0.10～4.3 m，平均2.5 m左右頁(yè)巖。下分層煤層厚度2.40～3.50 m，平均2.95 m，下部夾0.2 m左右的頁(yè)巖或炭質(zhì)頁(yè)巖，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。根據(jù)西部下組煤膠輪車(chē)巷瓦斯涌出量資料預(yù)測(cè)該工作面掘進(jìn)期間瓦斯絕對(duì)涌出量為2 m3/min。工作面所屬采區(qū)及開(kāi)采煤層無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，無(wú)煤與瓦斯突出現(xiàn)象。工作面所采煤層經(jīng)鑒定屬于有煤塵爆炸性，爆炸性指數(shù)為15.38%，自燃傾向性為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層。地溫為8～9℃。工作面局部壓力較大。

該工作面煤層頂板和底板情況如表1所示。

通過(guò)對(duì)該巷道的礦壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)得出：該巷道垂直方向的應(yīng)力平均值為12.72 MPa，水平方向的應(yīng)力平均值為6.23 MPa。

表1 工作面煤層頂板、底板情況

2 支護(hù)技術(shù)研究

2.1 支護(hù)分析

結(jié)合西銘礦西部下組煤回風(fēng)巷的地質(zhì)、水文以及煤層特征，基于FLAC3D軟件搭建該巷道內(nèi)的仿真模型，并對(duì)其應(yīng)力分布和位移變化規(guī)律進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而確定該巷道支護(hù)方案。基于FLAC3D所搭建的數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 回風(fēng)巷道數(shù)值模擬模型

該巷道煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力分布仿真結(jié)果如下頁(yè)圖2所示。

如圖2所示，煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力在垂直方向最大值為72 MPa，遠(yuǎn)大于圍巖應(yīng)力值12.72 MPa；煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力在水平方向最大值為10.88 MPa，遠(yuǎn)大于圍巖應(yīng)力值6.23 MPa。經(jīng)數(shù)值模擬分析可知，該巷道圍巖在垂直方向?yàn)閼?yīng)力增高區(qū)。因此，該巷道需采用錨桿+錨索的支護(hù)方案才能起到支護(hù)效果，才能夠控制巷道圍巖的應(yīng)力，避免由于應(yīng)力集中造成對(duì)巷道的破壞。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 支護(hù)原則

經(jīng)對(duì)錨桿支護(hù)應(yīng)力曲線(xiàn)和巷道圍巖響應(yīng)曲線(xiàn)分析后，若想錨桿支護(hù)達(dá)到最佳支護(hù)效果應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的策略。具體從以下幾個(gè)方面著手強(qiáng)化錨桿支護(hù)的效果和質(zhì)量[4]：

1）確保巷道圍巖的整體性，將不連續(xù)變形控制到最小；

2）根據(jù)工作面實(shí)際情況確定錨桿支護(hù)的最佳預(yù)應(yīng)力，并采用鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)件將支護(hù)預(yù)應(yīng)力的效果發(fā)揮到最佳；

3）根據(jù)工作面實(shí)際情況確定錨桿支護(hù)系統(tǒng)的臨界支護(hù)剛度，要求錨桿支護(hù)剛度大于或等于臨界支護(hù)剛度，進(jìn)而使巷道圍巖變形得到有效控制[5]。

3 錨桿支護(hù)的應(yīng)用

3.1 工作面條件的分析

工作面上覆石灰?guī)r含水層局部富含裂隙水，施工中會(huì)有淋水出現(xiàn)，局部淋水較大，對(duì)掘進(jìn)有一定影響，在工作面要配備排水能力不小于30 m3/h的排水設(shè)備，加強(qiáng)排水。

工作面?zhèn)雾敒轫?yè)巖，破碎易冒落；直接頂石灰?guī)r局部地段裂隙發(fā)育；8號(hào)煤上夾石最厚處4.3 m縱向節(jié)理特別發(fā)育，在掘進(jìn)施工中（特別是遇斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)），要采取相應(yīng)的安全措施，加強(qiáng)煤幫及頂板管理，確保施工安全。

3.2 巷道支護(hù)工藝的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)（錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑、頂錨桿間距、頂錨桿排距、幫錨桿間距、幫錨桿排距）的計(jì)算，設(shè)計(jì)如下支護(hù)工藝。（由于篇幅有限，此處不對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明）巷道為矩形斷面，頂部采用錨桿、鋼筋網(wǎng)（規(guī)格2 400 mm×1 600 mm）、長(zhǎng)4.6 m W型四眼鋼帶、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿矩形布置，間排距1 400 mm×1 500 mm。護(hù)幫采用錨桿、鋼筋網(wǎng)（規(guī)格1 100 mm×3 700 mm）聯(lián)合支護(hù)，幫錨桿矩形四排布置，間排距1 000 mm×1 000 mm，上排距頂300 mm。錨索采用Φ17.8 mm×5 400 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，單排間距3 m，線(xiàn)形布置，垂直頂板打設(shè)在兩排錨桿中間。初噴距工作面不超過(guò)12 m，復(fù)噴距工作面最大距離不超過(guò)100 m。

3.3 支護(hù)效果分析

將所設(shè)計(jì)的支護(hù)工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并對(duì)應(yīng)用后的礦壓和錨桿錨索受力情況進(jìn)行檢測(cè)。工作面各點(diǎn)錨桿的受力情況如圖3所示。

圖3 工作面錨桿受力情況

如圖3所示，1號(hào)、4號(hào)錨桿為對(duì)巷道兩幫支護(hù)的錨桿，2號(hào)、3號(hào)錨桿為對(duì)巷道頂部支護(hù)采用的錨桿，5號(hào)錨索應(yīng)用于頂板支護(hù)中。分析圖3可知，在支護(hù)前期錨桿和錨索的受力相對(duì)穩(wěn)定，隨著距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置越來(lái)越近，錨桿和錨索的受力上浮，并有一定的波動(dòng)，存在突變現(xiàn)象。但是，錨桿和錨索全部處于拉斷載荷范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

錨桿支護(hù)作為目前支護(hù)效果最佳、應(yīng)用最廣泛的巷道支護(hù)形式之一。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)工作面實(shí)際情況確定錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力，以達(dá)到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的目的。