昌泰煤業1502皮帶順槽支護技術研究

郭洪臣

（山西壽陽潞陽昌泰煤業有限公司，山西 晉中 045400）

皮帶順槽支護質量直接影響回采效率。本文以昌泰煤礦1502皮帶順槽支護為研究對象，對圍巖進行單軸壓縮試驗、巴西劈裂法試驗、變角剪切試驗，試驗測得圍巖基本力學參數；使用鉆孔窺視儀技術對圍巖鉆孔10 m范圍破壞情況進行考察，分析不同距離段破壞情況；運用FLAC3D對圍巖破壞情況進行數值模擬。以上述基礎理論研究為基礎，制定了巷道支護措施[1-5]。

1 概況

昌泰煤業1502運輸巷所在煤層為15#煤層，平均厚度2.63 m，構造簡單，煤層頂板為砂質泥巖，煤層底板為泥巖，傾角5°。1502皮帶順槽設計長度1141 m，巷道方位角246°，支護巷道寬4.5 m，高3 m。巷道原支護設計如圖1，幫部和頂部均使用高強度螺紋鋼錨桿，錨桿為Ф18 mm×2000 mm，樹脂錨固劑。通過數據分析，錨桿的錨固力均不低于10 t。頂板施工永久錨桿3個，左右幫分別施工永久錨桿4個。

圖1 巷道支護措施（mm）

2 力學試驗、鉆孔窺視儀分析及數值模擬

為對巷道支護措施進行優化，首先需要對巷道周圍圍巖應力情況進行理論分析。

2.1 基本參數測定

對1502皮順槽頂板泥巖和煤體力學性質進行考察，測定基本參數。采用的測定方法為：單軸壓縮試驗法，測定試件的單軸抗壓強度；巴西劈裂法試驗，測定試件的抗拉強度；變角剪切試驗，測定試件的抗剪參數。

測試出的參數見表1。

表1 圍巖基本參數表

2.2 數值模擬

巷道掘進過程，巷道圍巖整體穩定性決定了巷道后期支護強度要求。現以試驗測定的圍巖基本參數及不同巖性的力學參數為依據，對巷道圍巖整體穩定性進行數值模擬分析。不同圍巖基本力學參數見表2，運用FLAC3D進行圍巖穩定性模擬，模擬巷道圍巖位移云圖如圖2。

表2 巷道圍巖物理力學參數

圖 2 巷道圍巖位移模擬圖

巷道開挖后巷道表面變形破壞，應力集中區向深部轉移，巷道表面位移量呈線性增加，頂板和兩幫監測點位移速度明顯大于巷道底板監測點。由圖2（d）可知，施加支護后圍巖變形量明顯降低，逐漸趨于水平。巷道圍巖變形穩定后，巷道頂板變形量較大，為31.8 mm。由巷道圍巖位移云圖2（a）可知，巷道頂板變形明顯大于巷道兩幫和底板，巷道圍巖的最大變形量處于巷道頂板中部為31.8 mm，其次為巷道兩幫。在巷道兩幫圍巖深部區域形成應力集中區，從巷道圍巖應力分布圖2（b）可知，巷道圍巖最大主應力極值點位于巷道左右兩幫，距離巷道表面距離約為3.2 m，應力極值為8.6 MPa，應力集中系數為2.38，而巷道頂板圍巖淺部最大主應力最小，僅為0.04 MPa。從最小主應力云圖2（c）和塑性區分布圖2（e）可知，巷道兩幫圍巖的應力狀態明顯好于巷道頂底板。巷道底板拉應力區域較大，底板拉應力極值最大為0.82 MPa。巷道圍巖主要發生塑性剪切破壞，其中，兩幫圍巖剪切破壞范圍較大，剪切塑性區的最大厚度為3.5 m；底板圍巖塑性破壞區次之，最大厚度為1.5 m；頂板剪切塑性區最小，為1.0 m。巷道底板圍巖發生塑性拉伸破壞，拉伸塑性區的厚度約為0.2 m。

3 優化支護措施

根據力學參數、數值模擬結果可知，巷道變形范圍最大的位置為頂板，頂板在豎向應力載荷作用下最大位移量為31.8 mm；其次為巷道兩幫產生的水平位移量，最大位移量8.6 mm。巷道最大載荷為8.6 MPa，目前巷道支護措施中，頂板使用了3根錨桿，左右幫分別使用了4根錨桿，頂板3根錨桿間距1250 mm，左右幫錨桿豎向間距900 mm。通過分析，目前頂板錨桿布置情況和支護強度完全可以滿足支護要求。由于左右幫主要為水平載荷，且載荷分布主要在巷道中部位置，因此，需要將左右幫的錨桿豎向間距縮短。通過分析，將左右幫錨桿豎向距離調整到800 mm，優化后支護措施如圖3。

圖3 優化后巷道支護措施（mm）

4 效果考察

對優化后的巷道支護措施進行后期效果考察，主要考察巷道頂板和巷道左右幫部位移量，考察期為75 d。由圖4可知，巷道頂板深部最大變形量為41 mm，淺部最大位移量為18 mm，左右幫深部最大位移量為21 mm，淺部最大位移量為11 mm。現場考察未發現巷道出現大的變形，和原設計支護措施相比，左右幫穩定性更好。優化后的支護措施可以有效控制巷道左右幫變形量，在使用同等材料情況下，支護的巷道穩定性更好。

圖4 位移分析圖

5 結語

本文使用實驗室試驗的方法，對巷道圍巖基本參數進行了測定，使用數值模擬的方法對巷道圍巖穩定性進行分析，以此為基礎進行了巷道支護措施優化，得到以下結論：

（1） 巷道頂板承受的應力最大，主要分布在巷道中部；左右幫承受的應力載荷主要分布在巷道豎向中部。

（2） 原巷道支護措施左右幫錨桿間距過大，豎向間距從900 mm調整到800 mm，支護效果更好。

（3） 支護效果分析可知同等材料下，調整后的支護措施整體穩定性更佳。