談煤礦回采巷道礦山壓力控制與支護(hù)

許光輝

（陜西火石咀煤礦有限責(zé)任公司 陜西咸陽 713500）

摘 要：煤礦的生產(chǎn)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)化內(nèi)容，安全問題是煤礦生產(chǎn)開展的最基本條件，煤礦回采巷道礦山壓力控制與支護(hù)工作對于采煤環(huán)節(jié)具有十分重要的作用，因此國家和煤礦企業(yè)技術(shù)人員對于該問題的研究也較為充分，本文將重點(diǎn)對回采巷道礦山壓力控制的理論和模型進(jìn)行分析，對相應(yīng)回采巷道側(cè)煤柱支護(hù)參數(shù)進(jìn)行討論，最后分析支護(hù)選型以及相應(yīng)控制策略。

關(guān)鍵詞：煤礦；回采巷道；礦山壓力；支護(hù)

煤礦的開采工作將會影響礦山的諸多方面活動，主要表現(xiàn)在礦山整體的壓力分布情況、巖層運(yùn)動軌跡情況、礦山應(yīng)力分布等。重力應(yīng)力場的變化是導(dǎo)致頂板坍塌、巖層運(yùn)動破壞作用的主要原因。為了保證煤礦正常生產(chǎn)活動的開展，確保工作人員生命安全，增加煤礦效益，分析煤礦回采巷道礦山壓力控制的主要問題，針對問題產(chǎn)生的原因開展針對性對策討論十分必要。

1 回采巷道礦山壓力控制理論

在回采巷道煤炭開采過程中，地下圍巖的應(yīng)力場會由于礦山壓力變化而變化，主要的應(yīng)力變化來源主要分為以下三個方面：

第一，采動支承壓力范圍外，即開挖和維護(hù)原始應(yīng)力場中的巷道。原始應(yīng)力場的特征主要表現(xiàn)在兩種類型的改變：一是單純由于上部巖層的重力作用，直接向下作用的應(yīng)力；另一種是同時存在重力和殘余應(yīng)力的綜合作用，巖層內(nèi)部本身積累著一定的應(yīng)力作用。

第二，采動支承壓力范圍內(nèi)維護(hù)和開挖巷道，其巷道圍巖應(yīng)力的分布情況主要是由重力決定的，實(shí)際生產(chǎn)開展過程中，如果巖層運(yùn)動完全消失，那么該范圍內(nèi)的應(yīng)力也趨近于零。

第三，在采動支承壓力的高應(yīng)力區(qū)開挖和維護(hù)巷道其主要的應(yīng)力來源為整體重力。

2 煤礦回采巷道礦山壓力控制措施

2.1 確定巷道開挖位置

對于巖層運(yùn)動已經(jīng)被破壞的煤層開挖過程中，第一步需要確定礦山整體應(yīng)力場的整體分布情況，在開挖和維護(hù)的過程中盡可能的將巷道開掘的應(yīng)力場向內(nèi)外應(yīng)力場的臨界點(diǎn)轉(zhuǎn)移。增加留煤柱的寬度是不回收條件下開挖巷道處理應(yīng)力場變化的最佳方法，其優(yōu)點(diǎn)是能夠最大限度的將護(hù)巷煤柱受到的應(yīng)力和變形降到最小，這樣對于整個巷道和煤礦而言，安全系數(shù)最高。如果在縮小應(yīng)力場的巷道留煤柱寬度采用線縮小模式，其核心工作是保證巷道漏風(fēng)的問題，而且必須待內(nèi)應(yīng)力場完全穩(wěn)定才能開展后續(xù)開挖工作。

2.2 科學(xué)安排挖掘時間

通過分析煤礦回采巷道內(nèi)應(yīng)力場的煤層整體應(yīng)力分布情況和變化情況，結(jié)合相應(yīng)位置關(guān)系可以了解到挖掘時間對于整體應(yīng)力分布和變化的影響具有十分重要的作用，因此在回采過程中，應(yīng)當(dāng)確?；夭晒ぷ黜樌那疤嵯?，對計劃距離和時間內(nèi)挖掘內(nèi)應(yīng)力場外之外的巷道，之后再一定時間之后開展內(nèi)應(yīng)力場中的巷道開掘工作。開掘過程中，技術(shù)人員必須嚴(yán)格控制滯后時間域距離，使其能夠確保回采巷道的穩(wěn)定并且持續(xù)開挖。對于巷道開掘時間的計算應(yīng)當(dāng)在開挖前進(jìn)行詳細(xì)的計算，保證科學(xué)合理，使得開掘時間與位置能夠與計劃相符。

3 保證支護(hù)設(shè)計

3.1 重視發(fā)展過程支護(hù)設(shè)計

影響支護(hù)設(shè)計的主要因素有巷道開掘和維護(hù)的時間長度、內(nèi)應(yīng)力場的應(yīng)力變化情況。通過對支護(hù)設(shè)計影響因素的分析，將支護(hù)設(shè)計工作分為兩個階段：內(nèi)應(yīng)力場形成前階段和內(nèi)應(yīng)力場形成階段。形成前階段主要分為三個部分：第一，工作面推進(jìn)之前原有巷道壓力導(dǎo)致的發(fā)展變化；第二，工作面推進(jìn)后，采場推進(jìn)導(dǎo)致的回采空間變化，礦山壓力增加，彈性壓縮和塑性破壞過程從煤壁靠近邊緣的位置開始呈現(xiàn)，逐漸向各個方向進(jìn)行擴(kuò)張。第三，當(dāng)工作面推進(jìn)到內(nèi)應(yīng)力場完全呈現(xiàn)塑性狀態(tài)時，采場推進(jìn)與支撐壓力將會持續(xù)增加，承壓壓力快速降低。形成階段，也就是工作面進(jìn)入斷裂破壞的嚴(yán)策內(nèi)發(fā)展和破壞的過程，主要分為三個部分：第一，巖梁裂斷運(yùn)動；第二，巖梁裂斷運(yùn)動的發(fā)展變化；第三，巖梁裂斷運(yùn)動的發(fā)展過程。在這一階段內(nèi)，礦山壓力不斷變化，內(nèi)應(yīng)力場范圍煤層會發(fā)生壓縮變形，其主要特點(diǎn)是每次變化過程都是一個先增后減的過程。

3.2 支護(hù)設(shè)計

支護(hù)設(shè)計工作在開展之前必須充分的對內(nèi)應(yīng)力場掌握，從而根據(jù)實(shí)際應(yīng)力情況來開展相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計工作。煤礦回采巷道的支護(hù)設(shè)計需要以應(yīng)力場的基本情況為依據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的動態(tài)規(guī)律進(jìn)行全面分析，其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)化對不同空間條件進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力場的定量研究，處理相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，以定量研究為中心。第一，分析變化范圍內(nèi)的發(fā)展過程。這一環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容是對處于采動支承作用范圍的巖層運(yùn)動及破壞形式，分析相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力場和巖層變化情況。第二，確定礦壓設(shè)計的基本信息。在開展礦壓設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分對多種形式的空間形態(tài)進(jìn)行分析，分析煤礦回采航到礦山壓力的主要來源、強(qiáng)度、裂斷巖梁的運(yùn)動變化等，結(jié)合前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的“采場結(jié)構(gòu)力學(xué)”相關(guān)理論，進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析設(shè)計。第三，完善相應(yīng)理論內(nèi)容。在保證對基本的內(nèi)應(yīng)力場分布規(guī)律掌握后，對巖層的破壞運(yùn)動發(fā)展過程進(jìn)行判定，預(yù)測可能產(chǎn)生的影響，對照前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，應(yīng)用到自身礦山的生產(chǎn)中。為了更好的完成支護(hù)設(shè)計必須全面的對礦山的巖層基本信息進(jìn)行全面細(xì)致的分析，采用定量研究的方式來實(shí)現(xiàn)對實(shí)際應(yīng)力變化場進(jìn)行模仿，提升設(shè)計的安全性。

4 工程實(shí)例

根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際情況，巷道頂板采用錨桿+鋼帶+網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿采用直徑22mm螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.2m，每孔裝藥量2卷，配（12O×l2O×6）mm 的碟形托盤和金屬網(wǎng)支護(hù)。巷中打兩趟錨索，錨索排距2m，錨索間距不大于3m。煤幫采用錨桿網(wǎng)支護(hù)，排距與頂錨桿相對應(yīng)，上下幫每排各3根，錨桿采用直徑20mm 的右旋等強(qiáng)錨桿支護(hù)，錨桿長度為2m，每孔裝藥量1卷，配（12O×l2O×6）mm 的碟形托盤和菱形金屬網(wǎng)支護(hù)。如圖1所示。

5 應(yīng)用分析

5.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)圍巖分類結(jié)果，頂板大青灰?guī)r屬于Ⅰ～Ⅱ類圍巖?？紤]到巷道的頂板巖層組合是變化不定的，有些位置大青灰?guī)r的厚度可能較小。綜合圍巖分類和數(shù)值模擬分析結(jié)果，頂板比較完整時不需要支護(hù)，頂板不完整時進(jìn)行錨桿支護(hù)；頂板厚度1-2m之間時進(jìn)行支護(hù)，大于2m時不需要支護(hù)。錨桿支護(hù)的下述參數(shù)的設(shè)計原則是：在成本相近的條件下優(yōu)先采用國內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)和材料，并研究試用更經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)材料，適應(yīng)錨桿支護(hù)的要求。

（1）錨固形式

本設(shè)計確定采用樹脂加長錨固，在機(jī)具等條件具備時優(yōu)先采用全長錨固錨桿。加長錨與全長錨固與端頭錨固相比的優(yōu)點(diǎn)是：防止頂板巖層的相互錯動，提高巖層的抗剪能力；可以阻止任何兩點(diǎn)的相對變形和離層，保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性；錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度加大，能有效地限制圍巖變形；避免了因錨桿托盤上巖石塌落后引起的錨桿失效，使錨桿始終發(fā)揮其自身的較大錨固力。

（2）錨桿結(jié)構(gòu)

為了滿足加長錨固的需要，錨桿桿體選擇已獲專利的金屬粗尾錨桿，桿尾螺紋規(guī)格為M24，采用滾絲加工工藝而成。螺母為加厚螺母。這種錨桿的強(qiáng)度高，延伸率大，在錨尾位置保證不發(fā)生破斷，表面的凹凸紋理可以保證錨固劑與桿體間的足夠的錨固力。

（3）桿體直徑

錨桿直徑選擇主要從如下二個方面考慮：（1）技術(shù)合理性：單純從維護(hù)圍巖穩(wěn)定性的角度上看，錨桿阻力越大越好，即桿體直徑越大，越能保持巷道的穩(wěn)定性。但是，在孔徑一定的條件下，錨桿直徑的加大則意味著錨固厚度的減少，錨固劑厚度為3mm時錨桿的錨固力最大。（2）經(jīng)濟(jì)合理性：鉆孔的直徑是一定的，所以加長錨固時錨桿直徑增加，錨固劑的用量卻減少，總的成本并不一定增加很多。綜合上述兩個因素，確定使用？20mm的桿體直徑。

（4）錨固劑型號及數(shù)量

頂板錨桿采用樹脂錨固劑（即錨固長度為1300mm）。為保證錨桿有可靠的錨固效果，且便于安裝，每孔中裝入兩種速度的錨固劑，即孔底為快速錨固劑，其余為慢速錨固劑。錨固劑直徑為25mm。采用樹脂錨固劑，型號為z2550。

（5）托梁及護(hù)網(wǎng)

鋼筋梯子梁：為了保證錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體性和可靠性，保證需要支護(hù)處頂板安全，設(shè)計使用型號為。

護(hù)網(wǎng)：頂板采用菱形金屬網(wǎng)滿護(hù)，以防漏頂。金屬網(wǎng)用10#絲編織，網(wǎng)長度依巷道寬度而定為5.0米，寬度依循環(huán)而定為800mm，網(wǎng)格60*60mm?，F(xiàn)場應(yīng)用50*50 12#鉛絲 寬度與錨桿排距相適應(yīng)。

（6）托盤

托盤的承載能力應(yīng)與錨桿的力學(xué)性相適應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)確定使用中間凸出的方形托盤。托板型號為T120，尺寸為120*120*8mm冷壓碟形鋼板。

5.2兩幫支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)試驗(yàn)得知，8號煤較硬，f值達(dá)到5左右。所以對于軌道巷的支護(hù)強(qiáng)度不用過大。根據(jù)前面的分析，采用的參數(shù)如下。

兩幫采用 18的金屬錨桿，長度2.2m。對于地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育的情況，采用錨索加固或在不可控段巷道應(yīng)用金屬支架。煤幫在使用金屬粗尾錨桿時同時采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。

5.3錨桿間排距設(shè)計

在頂板及兩幫錨桿參數(shù)確定以后，主要是確定錨桿的布置及位置。根據(jù)《煤巷樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，Ⅰ類圍巖，而且頂板是灰?guī)r，所以不用支護(hù)；Ⅱ類圍巖頂板，頂板較完整的采用單體錨桿，頂板較破碎，使用錨桿加錨網(wǎng)。通過數(shù)值模擬分析后，驗(yàn)證得出選取的錨桿支護(hù)參數(shù)比較合理。

在巷道頂板比較破碎的位置，錨桿支護(hù)最大間排距為1.0m、最小間排距0.7m。因此，錨桿的間排距為0.7～1.0m。

6 結(jié)束語

通過對煤礦回采巷道礦山壓力控制技術(shù)的理論分析，研究得出相應(yīng)實(shí)用理論，尋找到解決礦壓控制與設(shè)計核心內(nèi)容，從而更好的為之后的生產(chǎn)工作提供良好的理論支持。在完成內(nèi)應(yīng)力場分布規(guī)律研究之前，首先明確開挖的具體位置和開挖時間，從而更好的開展針對性調(diào)查，便于在控制過程中采用準(zhǔn)確有效的措施，保證回采巷道開掘和維護(hù)的穩(wěn)定。通過長期大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)形成全面的煤礦回采巷道礦山壓力控制研究體系，加強(qiáng)對于礦山生產(chǎn)研究工作的發(fā)展，采用科學(xué)高效的技術(shù)更好的完成實(shí)際生產(chǎn)過程中的主要問題，更好的保證礦山生產(chǎn)過程中的安全，提升整體礦山的安全系數(shù)，使得煤礦開采工作順利高效進(jìn)行，安全作用，使整體煤礦綜合效益高效提升。

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