下霍礦2305 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)研究

李建民

（山西三元煤業(yè)有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

煤礦開采過程中，巷道圍巖控制至關(guān)重要[1]。圍巖支護(hù)強(qiáng)度足夠，才能保證巷道不會出現(xiàn)下沉、片幫等問題[2-3]。我國專家學(xué)者之前主要針對支護(hù)存在的問題進(jìn)行針對性研究[4-6]，關(guān)于支護(hù)措施安全性科學(xué)評價研究較少。對下霍煤礦2305 運(yùn)輸順槽支護(hù)措施下圍巖演化規(guī)律進(jìn)行模擬研究，根據(jù)應(yīng)力分布情況對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)措施進(jìn)行評價，并對支護(hù)區(qū)域進(jìn)行頂板觀測考察驗(yàn)證。

1 工程概況

2305運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長度2 355.5 m，所屬3#煤層。3#煤層平均厚度4.8 m，以亮煤為主，平均煤層傾角10°。煤層頂板以粉砂巖、中粒砂巖為主，均厚3 m；煤層底板以粉砂巖為主，均厚8 m。2305 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)斷面為矩形，寬6.6 m，高3.6 m，支護(hù)措施為錨桿、錨索支護(hù)，支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1。頂板支護(hù)使用Φ22 mm×2400 mm 型螺紋鋼錨桿，單排6根，排間距1 m，托盤為150 mm×150 mm×10 mm鋼板。頂錨索采用Φ21.6 mm×9000 mm 型鋼絞線，單排5 根，排間距1 m。錨固劑為MSK2335 樹脂錨固劑結(jié)合MSZ2360 樹脂錨固劑。頂板支護(hù)輔以W鋼帶，鋼帶規(guī)格為5000 mm×280 mm×3 mm。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

2 支護(hù)強(qiáng)度分析

為定性分析巷道支護(hù)措施安全性，采用數(shù)值運(yùn)算的方法分析目前支護(hù)措施下圍巖穩(wěn)定性。

2.1 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

通過測試，Φ22 mm×2400 mm 型螺紋鋼錨桿單根錨固力大于130 kN，Φ21.6 mm×9000 mm 型鋼絞線單根錨固力大于400 kN。通過錨桿、錨索、W 鋼帶、錨網(wǎng)、網(wǎng)片組合頂板產(chǎn)生的頂板承載應(yīng)力強(qiáng)度、左右?guī)统休d應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：σy為頂板承載應(yīng)力，N/m2；S為支護(hù)面積，m2；F錨桿為支護(hù)區(qū)域錨桿承載力，N；F錨索為支護(hù)區(qū)域錨索承載力，N。

通過計(jì)算可知，頂板支護(hù)可以產(chǎn)生豎向支承應(yīng)力為518 kN/m2。

同理可得左、右?guī)椭ёo(hù)可以產(chǎn)生的支承應(yīng)力為733 kN/m2。

2.2 數(shù)值模擬研究

為分析目前支護(hù)措施安全性，對支護(hù)斷面進(jìn)行圍巖演化規(guī)律數(shù)值模擬研究。現(xiàn)場對3#煤層、頂板、底板巖層取樣，對樣本力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 圍巖應(yīng)力參數(shù)表

建立幾何模型如圖2，假設(shè)頂板為中粒砂巖均勻介質(zhì)，底板為粉砂巖均勻介質(zhì)，3#煤層為均勻介質(zhì)，不考慮煤層多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及其中水、瓦斯等流體滲流作用。2305 運(yùn)輸順槽平均埋深367 m，模型頂部均勻載荷為15 MPa，模型左、右側(cè)、底部均為固定約束。模型為固體應(yīng)力模型，運(yùn)算得到圍巖在0 d（模型初始狀態(tài)）、10 d、20 d、30 d 時間段圍巖位移量云圖如圖3。

圖2 幾何模型

圖3 圍巖應(yīng)變演化圖

通過數(shù)值運(yùn)算結(jié)果可知，第0 d，圍巖應(yīng)變量整體為0 mm；第10 d 時，模型頂部載荷出現(xiàn)最大形變量為75 mm，主要形變位置為模型頂部載荷區(qū)域，載荷未傳遞到2305 運(yùn)輸順槽位置；第20 d 時載荷傳遞到2305 運(yùn)輸順槽斷面，頂板最大形變量為50 mm，整個模型位于頂板位置為形變量最大區(qū)域；隨著壓力載荷的增加，巷道圍巖20～30 d 之間應(yīng)力變化比較小，基本未出現(xiàn)大的變化，20 d 之后圍巖基本趨于穩(wěn)定階段，形變率幾乎為0。圍巖整體穩(wěn)定后，形變主要位置點(diǎn)為頂板、左右?guī)晚敳课恢茫笥規(guī)晚敳课恢米畲笮巫兞繛?0 mm，形變量比較小。根據(jù)形變等值線圖分析，巷道出現(xiàn)底鼓概率極小。

2305 運(yùn)輸順槽圍巖穩(wěn)定時最大形變量為50 mm，未超過形變基準(zhǔn)值100 mm，整體變形量較小，支護(hù)措施可靠。

3 支護(hù)效果考察

通過數(shù)值運(yùn)算可知，設(shè)計(jì)支護(hù)措施可滿足安全要求，巷道斷面形變量最大值為50 mm。為進(jìn)一步研究支護(hù)措施安全性，對已支護(hù)區(qū)域進(jìn)行效果考察。現(xiàn)場考察措施主要有頂板離層量監(jiān)測。

頂板離層觀測采用電子離層儀，型號為GUD-240 礦用本安型圍巖移動傳感器。設(shè)備安裝如圖4。離層儀間距50 m，對支護(hù)區(qū)域每天進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，并記錄深部、淺部位移量，觀測結(jié)果如圖5。現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)頂板變形嚴(yán)重、垮塌現(xiàn)象，巷道周邊噴漿固化完成后，未出現(xiàn)幫補(bǔ)掉皮現(xiàn)象。淺部最大位移量28 mm，淺部孔深2.3 m，整體下陷率為1.2%，變形量較小。支護(hù)區(qū)域未出現(xiàn)錨桿、錨索斷裂或脫錨的現(xiàn)象，支護(hù)穩(wěn)定安全。

圖4 設(shè)備安裝方法

圖5 頂板觀測數(shù)據(jù)曲線圖

4 結(jié)語

為研究2305 運(yùn)輸順槽圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)是否可靠，對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，模擬支護(hù)措施下圍巖形變量，對支護(hù)區(qū)域進(jìn)行頂板觀測，得到以下結(jié)論：

計(jì)算分析，2305 運(yùn)輸順槽支護(hù)措施可以產(chǎn)生豎向支承應(yīng)力為518 kN/m2；左、右?guī)椭ёo(hù)可以產(chǎn)生的支承應(yīng)力為733 kN/m2。

數(shù)值運(yùn)算結(jié)論：載荷傳遞到2305 運(yùn)輸順槽，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定后，頂板最大形變量50 mm。

后期頂板離層儀考察結(jié)果：頂板最大位移量65 mm，低于臨界值100 mm。

（4）支護(hù)設(shè)計(jì)安全可靠，可以滿足2305 運(yùn)輸順槽支護(hù)要求。