采掘巷道的支護平衡設計及效果監測

郝永亮

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045300）

引言

煤礦采掘巷道的安全取決于工作面地質條件、所采取支護措施對巷道圍巖的控制效果。隨著綜采工作面的不斷延伸，傳統的支護理念在某種程度上對巷道圍巖的控制效果不佳，容易出現頂板下沉、兩幫移近以及底板鼓等事故[1]。為此，需采用科學的支護設計理念在保證對巷道圍巖良好控制的同時，還降低巷道支護成本。本文著重對巷道進行支護平衡設計，并對支護效果進行監測。

1 工程概況

本文所研究礦井的生產能力為240 萬t/年，其開采方式為豎井開采，包括有主井、副井和風井。本文對該礦井四采區巷道進行研究。經探測，四采區巷道的煤層、地質條件具體描述如下。

四采區巷道煤層的厚度為1.1～3 m，煤層平均厚度為2 m；煤層的傾角范圍為2°～6°，煤層平均傾角為4°。工作面的地質條件如表1 所示。

表1 礦區四采區工作面地質條件

除上述參數，四采區工作面瓦斯的絕對涌出量為0.23 m3/min;二氧化碳的絕對涌出量為0.32 m3/min。四采區巷道頂板處于裂隙發育狀態，且相對松軟容易破碎；四采區巷道的埋藏深度較大，地質構造復雜。

2 采掘巷道支護的平衡設計

2.1 支護平衡設計原則

四采區巷道還會受到周邊工作面采煤、掘進的影響，整個巷道處于動態平衡狀態。隨著開采的進行，巷道的動態平衡被打破，使得巷道被嚴重破壞，主要表現為冒頂、巷道斷面變形，從而給現場工作人員帶來極大的安全隱患[2]。為解決巷道動態平衡被破壞無法有效控制巷道圍巖的問題，本文采用平衡理念對其進行支護設計，并遵循如下原則進行：

1）支護實施后巷道圍巖應力應與所采用的支護結構相匹，處于相對平衡狀態；

2）結合四采區容易受到周圍開采的影響，應加強對巷道沿空側的支護；

3）巷道支護參數的設計應根據對現場礦壓監測的結果進行，保證支護結構與礦壓監測結果相適應；

4）所設計的錨桿的預應力應滿足要求，確保其對頂板的有效控制，提升煤柱的支撐能力[3]。

2.2 支護參數的設計

根據四采區巷道的地質條件和礦壓監測結果，擬設計三種支護方案。

方案一：頂錨桿直徑為20 mm，長度為2 400 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm；幫錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，幫錨桿在工作面進行整體布置；頂板錨索的直徑為21.6 mm，長度為6 000 mm，錨索間距為1 500 mm，錨索排間距為2 000 mm。頂錨桿和幫錨桿的預應力不小于5 t，頂板錨索的預應力控制在6～8 t。

方案二：頂錨桿直徑為20 mm，長度為2 400 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm；幫錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，幫錨桿在工作僅對沿空側和生產幫側分別布置；頂板錨索的直徑為21.6 mm，長度為6 000 mm，錨索間距為1 500 mm，錨索排間距為2 000 mm。頂錨桿和幫錨桿的預應力不小于5 t，頂板錨索的預應力控制在6～8 t。

方案三：頂錨桿直徑為20 mm，長度為2 400 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm；幫錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，幫錨桿在工作面僅對沿空側和生產幫側分別布置，其中沿空側幫錨桿的間距為800 mm，錨桿排間距為1 000 mm，生產幫側錨桿的間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm；頂板錨索的直徑為21.6 mm，長度為6 000 mm，錨索間距為1 500 mm，錨索排間距為2 000 mm。頂錨桿和幫錨桿的預應力不小于5 t，頂板錨索的預應力控制在6～8 t。

2.3 支護方案的確定

為得出最佳支護方案，根據四采區巷道建立數值模擬模型，并根據表1 中的地質條件對模型中的參數進行設計，對比不同支護方案下對應的巷道支護效果。考慮到篇幅有限，此處僅對不同支護方案下對應巷道支護效果進行對比分析，具體描述如下：

1）方案一與方案二對巷道圍巖控制效果相差不大，兩種支護方案下整個巷道塑性變形區域較小，說明方案二已經能夠對巷道進行較好的控制。

2）方案三與方案二相比，巷道頂板的變形范圍增加且對應的塑性變形區域也增加。

綜上所述，采用方案二比方案三對巷道有更佳的控制效果；而方案一與方案二具有同等的支護效果，但其成本較高。因此，最終選用方案二對四采區巷道進行支護設計。其對應的巷道支護斷面如圖1所示。

圖1 四采區巷道支護斷面圖（單位：mm）

3 巷道支護效果監測

巷道支護效果一般通過對巷道支護后的綜合觀測和日常觀測得出結論[4]。本文著重對巷道的表面位移進行觀測，采用十字布點法完成，并對一年內巷道表面位移進行監測，包括頂板的下沉量、底鼓量以及兩幫移近量。監測結果（只截取其中6 個監測點的監測數據）如表2 所示。

如表2 所示，在巷道生產初期頂板、兩幫以及底板的位移量變化較快；隨著生產的進行，巷道頂板、兩幫以及底板的位移量出現多次動態平衡后最終達到穩態，這是由于巷道的生產導致圍巖的應力平衡多次被打破后在支護條件下最終對其圍巖應力達到穩定控制。最后，巷道頂板的下沉量穩定在110 mm，地鼓量達到78 mm，兩幫移近量達到67 mm。

表2 監測結果 mm

總的來講，巷道在新的支護條件下其圍巖應力得到了有效控制。

4 結論

1）通過對不同支護方案下的支護效果、支護成本以及圍巖的控制效果進行對比，得出：所研究礦井四采區巷道頂板采取常規支護措施，而兩幫僅對沿空側和生產幫側進行支護即可對圍巖應力進行有效控制。

2）最終實踐表明，該支護設計對應巷道的頂板的下沉量穩定在110 mm，地鼓量達到78 mm，兩幫移近量達到67 mm。