深井沿空掘巷支護技術研究

武書理 武泉林

(1.山西天地煤機裝備有限公司；2.濟寧學院安全工程技術中心)

深井沿空掘巷支護技術研究

武書理1武泉林2

(1.山西天地煤機裝備有限公司；2.濟寧學院安全工程技術中心)

在動載和靜載的雙重作用下，深井沿空巷道的穩(wěn)定性會惡化。為了提高深井沿空巷道的支護質(zhì)量，保證回采的安全性，確定深井沿空巷道的合理支護參數(shù)顯得尤為重要。根據(jù)礦井地質(zhì)條件，分析了深部沿空巷道的支護難點，并采用數(shù)值模擬的方法，分析了4，6 m煤柱寬度下的巷道位移，確定了深井沿空巷道的護巷煤柱寬度；通過計算，確定了錨桿和錨索的支護參數(shù)，并采用數(shù)值模擬方法對支護后的巷道變形進行了分析。結果表明,所設計的支護參數(shù)對圍巖變形有較好的控制作用,能滿足礦井安全生產(chǎn)的需要。

深井 沿空掘巷 支護參數(shù) 圍巖變形

沿空掘巷是一項受地質(zhì)采礦條件影響較大的工程，加之深部礦井靜壓大、動壓顯現(xiàn)劇烈等因素的影響，導致這種掘巷方式所帶來的支護問題更加復雜多變[1-2]。因此，巷道的支護方案必須能夠動態(tài)地平衡巷道圍巖的變化，以提高支護系統(tǒng)的效率，保證巷道支護效果?？茖W有效的巷道支護技術不僅能夠確保礦井的正常接續(xù)，改善工人的工作環(huán)境，提高礦井生產(chǎn)效率，而且能夠減少巷道支護維修費用，增強巷道穩(wěn)定性和安全性。

1 礦井及工作面概況

郭屯井田位于巨野煤田中北部，地理坐標為東經(jīng)115°50′～116°0′0″，北緯35°27′00″～35°34′30″，北鄰鄆城縣城，西距菏澤市約60 km，東距濟寧市約75 km。礦井設計生產(chǎn)能力為240萬t/a，采用立井開拓方式，設計3個井筒，主井深853 m，副井深883 m，風井深778 m。1303工作面煤(巖)層賦存特征見表1。

2 巷道保護煤柱寬度的確定

根據(jù)郭屯煤礦的地質(zhì)條件及裝備水平確定1301工作面沿空巷道互巷煤柱寬度為4和6 m，采用數(shù)值模擬的方法對2種寬度煤柱下1301工作面沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)進行分析。圖1為煤柱寬度分別為4,6 m時，沿空巷道的頂板位移情況。

由圖1可見，未支護時，留設4 m煤柱垂直方向位移最大達到40 cm左右，而留設6 m煤柱時，最大位移達到了45.8 cm，說明留設4 m煤柱更加科學合理，而且留設窄煤柱可以提高煤炭回采率，改善工人工作環(huán)境。

表1 煤(巖)層賦存特征

圖1 不同寬度煤柱條件下巷道垂直位移

3 深井沿空巷道支護設計

根據(jù)1303順槽的特殊地質(zhì)條件，確定1303順槽采用錨網(wǎng)索復合支護結構。

3.1 錨桿長度計算

Ld=KH1+L1+L2，

(1)

H1= B/2f ，

(2)

Lb=L1+L2+L3

(3)

L3=(1+f)/(1+2f)+(B-1)/(B+1) ,

(4)

式中，Ld為頂錨桿長度，m；H1為冒落高度，m；K為安全系數(shù)，一般取2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1 m；Lb為幫錨桿長度，m；B為巷道開掘?qū)挾龋?.7 m；f為巖石堅固性系數(shù)，3.5。

計算得出頂錨桿長度Ld=1.94 m，幫錨桿長度Lb=1.81 m。

根據(jù)相關文獻資料及煤礦具體地質(zhì)條件[3-4]，此選用φ20 mm×2 200 mm無縱筋螺紋鋼錨桿作為頂錨桿，φ20 mm×2 000 mm無縱筋螺紋鋼錨桿作為幫錨桿，錨桿間排距為800 mm×900 mm。

3.2 錨桿施工技術要求

(1)用錨桿機施工設計深度的鉆孔。

(2)把樹脂藥卷和組裝好的錨桿推入規(guī)定的孔位，利用錨桿攪拌器把樹脂推入孔中直到錨桿托盤離頂板20 mm左右；上推樹脂時不能旋轉，嚴禁把托盤緊壓在頂板上。

(3)開鉆旋轉錨桿，不施加上推力，攪拌15～30 s，然后順勢上推錨桿，使托盤貼近頂板，托盤與頂板留有一定間隙。

(4)完成攪拌后等45～60 s，讓樹脂充分凝固。

(5)上緊螺母，在緊螺母時應給最大扭矩而不施加上推力，以最大限度上緊螺母。

(6)幫錨桿借助扭矩放大器上緊螺母，以達到規(guī)定的安裝應力。

3.3 錨索長度計算

(5)

計算得出錨索長度Ls=2.54 m。錨索選用φ17.8 mm×6 000 mm左旋預應力鋼絞線，間排距為2 400 mm×900 mm。

3.4 錨索施工技術要求

(1)鉆孔深度大于錨索長度3～5 cm(從托盤到錨索前端的距離)。

(2)鉆孔打好后，將選定的錨固劑推入鉆孔，確保不使錨固劑外殼破裂。

(3)將安裝好墊圈和托盤的錨索與錨固劑緩緩推入鉆孔，直至推不動為止。

(4)將預先安裝在鉆機上的錨索攪拌器跟錨索尾部連接，快速攪拌錨固劑25～30 s，同時鉆機推力要最大，確保錨索托盤靠近巖面。

(5)攪拌完10～15min后，用錨索漲拉器拉緊錨索，錨索預應力要達到80 kN。

(6)φ17.8 mm高強錨索的拉拔力需要大于300 kN，設計選用3只2350樹脂，正常情況下可以滿足錨索的拉拔力，應不定期進行錨索施工質(zhì)量的拉拔力抽檢。

4 支護數(shù)值模擬

為了驗證支護方案的有效性和合理性，分別模擬巷道掘進10，50 m時在有無支護狀態(tài)下的水平方向位移，見圖2、圖3。

圖2 掘進10 m時巷道水平位移

圖3 掘進50 m時巷道水平位移

由圖2可見，當巷道掘進10 m時，在無支護條件下巷道右?guī)妥畲笏轿灰茷?5～20 cm，左幫位移為5～10 cm；而支護條件下巷道的右?guī)妥畲笏轿灰苾H為3～5 cm，左幫位移為0～5 cm。相比之下支護時巷道右?guī)退轿灰茰p少了12～17 cm，左幫水平位移減小了0～5 cm，支護效果明顯。

由圖3可見，當巷道掘進50 m時，最大水平位移減小量達到了23 cm，因此，所設計支護方式能有效地控制圍巖變形，為掘進工作提供安全環(huán)境。

通過以上2組不同掘進程度下模擬兩幫移近的效果來看，在既定支護方案下巷道變形明顯減小，尤其是空幫一側。由于采用的是非對稱布置支護，所以沿空側巷道的支護效果顯著加強。同時也可以證實前面理論計算與工程類比所確定的支護方案是可以有效保證巷道的穩(wěn)定性以及安全性的。

5 支護效果檢驗

圖4為巷道掘進期間的圍巖變形情況?？梢姡S著巷道的不斷掘進，測點處的位移先快速增加，隨后緩慢增加，最終達到穩(wěn)定，在距離迎頭100 m處巷道頂板最大位移為11.7 cm，兩幫位移為10.4 cm，支護效果良好。

圖4 巷道圍巖變形

圖5為掘進工作面掘進300 m時的支護效果。可見，巷道頂板沒有出現(xiàn)大變形、片幫，沒有出現(xiàn)網(wǎng)兜、離層等強礦壓顯現(xiàn)，因此，所設計的支護參數(shù)是合理經(jīng)濟的。

圖5 巷道支護效果

6 結 論

(1)根據(jù)郭屯煤礦具體地質(zhì)條件，模擬確定了沿空巷道的合理煤柱寬度為4 m。

(2)通過理論計算，分析了錨桿和錨索的長度，對支護參數(shù)進行了優(yōu)化，并采用數(shù)值模擬的方法對支護參數(shù)合理性進行了論證。結果表明，所設計的支護參數(shù)可以滿足生產(chǎn)需要。

(3)現(xiàn)場實踐表明，所設計的支護參數(shù)使巷道圍巖穩(wěn)定性得到了極大改善，進一步論證了深井沿空巷道支護技術的合理性，對地質(zhì)條件相似礦井的支護設計有一定的指導意義。

[1] 張亞琦.留窄煤柱沿空掘巷技術在晉城礦區(qū)的應用[J]，煤，2001,10(6):23-26.

[2] 李巖松.錨網(wǎng)噴支護技術在加固動壓巷道中的應用[J].安全與健康,2004,5(1):12-15.

[3] 柏建彪,王衛(wèi)軍,侯朝炯,等.綜放沿空掘巷圍巖控制機理及支護技術研究[J].煤炭學報,2000,25(5):478-481．

[4] 侯朝炯,郭勵生,勾攀峰,等.煤巷錨桿支護[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1999.

2015-05-10)

武書理(1987—)，男，助理工程師，030006 山西省太原市小店區(qū)并州南路108號。