二龍煤礦大變形巷道支護設(shè)計研究

摘 要：本文依據(jù)二龍煤礦煤層地質(zhì)概況，采用動態(tài)信息設(shè)計結(jié)合理論分析對二龍煤礦巷道錨桿支護方案進行研究，得出二龍煤礦1207工作面變形控制巷道的支護方案，確定二龍煤礦巷道圍巖破壞深度，二龍煤礦巷道頂部、幫部錨桿長度、間距及數(shù)量。

關(guān)鍵詞：變形；錨桿；巷道控制；支護方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.065

0 引言

二龍煤礦位于盈余山向斜的西翼，二龍煤礦埋深西部較淺，東部埋深較大，井田南北長7.32km、東西寬度2.15km，面積18.76km2 。二龍煤礦主斜井口地面標高+1517m，現(xiàn)開采的水平標高為+1121m，煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育較多，因為造成煤巖連續(xù)性較差，另外煤層埋深較大，礦山壓力顯現(xiàn)強烈，工作面在回采過程中，巷道變形嚴重，普通巷道支護方式難以取得很好的效果，維修費用巨大，并且占用大量的人力物力，并且還會影響采區(qū)的正常生產(chǎn)和礦井二水平開拓延深。例如，二龍煤礦在2012年采取維修方式修復(fù)巷道6.23km，占礦井全部巷道進尺的52.5%，維修成本年均花費3500萬，其中個別地質(zhì)條件特別復(fù)雜段巷道反復(fù)整修。因此，由于生產(chǎn)需求，急需解決二龍煤礦的巷道變形大的支護難題。通過理論研究確定最優(yōu)的支護方案。

大量研究表明，大變形巷道主要因為巖體本身整體性差，強度較弱，巷道開挖后自穩(wěn)能力較弱，加之采動及埋深影響，進一步加劇巷道變形。但是合理設(shè)計巷道的支護形式、參數(shù)能夠有效控制巷道變形，進而減弱巷道變形對巷道造成的破壞和損失，提高礦井經(jīng)濟效益。巷道支護形式與對于控制巷道變形影響緊密。錨桿支護對于防止巷道因變形而破壞具有明顯的優(yōu)越性。錨桿支護屬于柔性支護、主動支護，它隨圍巖的整體位移而移動，錨桿支護可以吸收巷道變形積聚的能量，在巷道發(fā)生大變形后仍可保持其支護作用。因此軟巖大變形巷道采用錨桿支護可以有效的抵抗巷道變形影響。對于大變形巷道控制變形，進而吸取變形能是支護設(shè)計是一項關(guān)鍵技術(shù)，合理的支護形式和支護參數(shù)可以充分發(fā)揮錨桿支護的優(yōu)越性，并且提高巷道的抗變形能力。

1 大變形巷道支護分析

任何巷道的設(shè)計都是一個動態(tài)完善的剛才，不是一次完成的。動態(tài)信息設(shè)計法需要利用每個設(shè)計環(huán)節(jié)提供的信息，并且進行收集、分析、反饋。對于變形控制巷道，該設(shè)計方法包括4部分：（1）巷道變形危險性評價、（2）巷道初始設(shè)計、（3）井下礦壓監(jiān)測、（4）信息反饋及修正設(shè)計。巷道變形控制性評價目前主要采用綜合指數(shù)法進行評價，包括地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素，為巷道的初始設(shè)計提供基礎(chǔ)參數(shù)；初始設(shè)計以理論分析設(shè)計和數(shù)值模擬計算方法為主，并采用工程類比設(shè)計法確定合理的初始設(shè)計參數(shù)；將初始設(shè)計實施于現(xiàn)場，并進行巷道圍巖監(jiān)測；最后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果評價巷道的支護效果，以及巷道的抗沖擊能力，必要時修正初始設(shè)計。

1.1 巷道變形控制性評價

對于巷道變形，我們可以采用綜合指數(shù)法評價巷道變形控制性評價。簡單而言主要包括以下幾方面：

（1）煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)。對試樣進行抗拉、抗壓測試，通過計算得出彈性能指數(shù)、單軸抗壓、抗拉強度。

（2）頂板巖層結(jié)構(gòu)組成，厚層堅硬頂板結(jié)構(gòu)容易聚積彈性能，進而造成附近區(qū)域巷道變形嚴重。

（3）地質(zhì)構(gòu)造及圍巖結(jié)構(gòu)對巷道變形的影響。實踐證明，斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造對變形控制巷道變形有較大影響，尤其是斷層區(qū)域，破壞嚴重，煤巖體大多呈塊狀，連續(xù)性、膠結(jié)性差。

（4）采掘影響。工作面與采空區(qū)的位置關(guān)系，以及巷道掘進與采動影響的時間關(guān)系、采動次數(shù)等，是影響巷道變形的重要因素。

綜上所述，二龍煤礦回采的二采區(qū)埋深變化大，頂板中存在一層距離巷道較近的厚層砂礫巖，采區(qū)內(nèi)斷層比較發(fā)育，并且經(jīng)過力學(xué)實驗測定巷道周邊煤巖體強度較低，輸入二類軟巖。因而巷道掘進過程變形較大。

1.2 初始設(shè)計

在巷道變形控制性評價的基礎(chǔ)上，采取理論計算的方法，根據(jù)巷道圍巖參數(shù)和已有的實測數(shù)據(jù)確定出有針對性的支護參數(shù)。進行巷道支護設(shè)計，可分析巷道圍巖位移、應(yīng)力計破壞范圍分布，支護體受力狀況；不同支護方案的支護效果；確定合理的支護參數(shù)。對于具有變形控制性的巷道，需計算各種支護方案的巷道抗變形能力，最后確定適合控制變形巷道的支護參數(shù)。

1.3 變形控制巷道的全面監(jiān)測

根據(jù)理論計算確定的支護方案，進行井下施工后，本礦井主要以1207工作面為研究對象，為檢驗效果，必須對施工巷道進行合理、全面的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要包括巷道表面位移。

1.4 完善支護設(shè)計

根據(jù)實測數(shù)據(jù)評價理論支護方案對巷道的抗變形能力進行評價，若初始設(shè)計沒有達到預(yù)期的控制巷道變形的能力，則需要對初始設(shè)計進行修改，完善支護設(shè)計及優(yōu)化支護參數(shù)。

2 1207工作面巷道支護參數(shù)設(shè)計

根據(jù)二龍煤礦一采區(qū)已經(jīng)回采的工作面巷道變形特點為依據(jù)，進行二采區(qū)工作面巷道變形控制支護方案的設(shè)計，確定該工作的巷道存在強變形控制性。采用錨桿動態(tài)信息設(shè)計法進行錨桿、錨索聯(lián)合支護參數(shù)的計算。理論計算以自然平衡拱理論為依據(jù)。

2.1 圍巖破壞范圍計算

圍巖破壞的深度對于巷道支護方案選擇至關(guān)重要，破壞深度淺巷道支護方案就簡單，破壞深度越大，代表巷道變形越大，巷道圍巖越破碎，煤層巷道煤幫破壞深度C（m），根據(jù)現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)，由下式確定：

式中KCX取1.23；取2.5kN/m3；H取1000m；B取1；單軸礦壓強度19Mpa，所以取1.9；h取5m；取30°。

根據(jù)C的計算結(jié)果可以判斷圍巖破壞情況，經(jīng)過理論計算可知，表征煤巖體破快，二龍煤礦1207巷道圍巖處于破壞狀態(tài)。

利用相對于層理的發(fā)線計，進行二龍煤礦巷道頂板巖層的破壞深度，按如下公式進行計算：

2.2 確定工作面巷道圍巖壓力

圍巖壓力對于確定巷道斷面，錨桿錨固力以及頂板支架壓力有重要影響，具體按照下述公式：

2.3 確定二龍煤礦二采區(qū)支護錨桿長度

頂板錨桿長度： 頂部錨桿取2.4m。

煤幫錨桿長度： 煤幫錨桿取2.4m。

2.4 確定二龍煤礦合理的巷道錨桿間排距

錨桿排距（m）按下式確定：

錨桿排拒取0.7m。

式中：z為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額定深度，取0.35m。

錨桿錨固力大小對于巷道支護至關(guān)重要，根據(jù)二龍煤礦實測巖石硬度確定錨桿錨固力大小，按如下公式計算：

利用力的平衡確定二龍煤礦巷道錨桿支護密度，即每排錨桿的數(shù)量：

二龍煤礦巷道頂板每排錨桿數(shù)取5。

通過理論計算，確定二龍煤礦圍巖壓力，巷道破壞深度以及錨桿的長度及密度。最終確定二龍煤礦巷道頂板錨桿支護方案。

3 支護效果檢驗

二龍煤礦在回采1207工作面期間科學(xué)合理的對巷道變形特征及錨桿受力特征進行動態(tài)監(jiān)測。通過變形收斂儀進行巷道收斂變形監(jiān)測?；夭善陂g共建立四個監(jiān)測臺站，巷道試驗區(qū)域每15m設(shè)置一組巷道收斂變形觀測點，每隔4天記錄一次監(jiān)測數(shù)據(jù)。試驗巷道每7.5m還設(shè)一個錨桿錨固力觀測站，每個測站安裝2臺錨桿測力計對錨桿錨固力計進行監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)每1天收集一次。以便對不同地點不同時期的錨桿初錨力、工作錨固力有一個比較準確的監(jiān)測。

通過回采期間的數(shù)據(jù)觀測和分析表明，二龍煤礦1207工作面巷道的頂?shù)装迨諗孔冃瘟枯^小，但有個別U型鋼棚卡子的螺栓被拉斷現(xiàn)象。巷道支護段的頂板離層量小，巷道圍巖整體性比之前有較大改善，巷道整體收斂變形，數(shù)據(jù)分析可知頂?shù)装逡平俣绕骄?2.5mm/月。錨桿錨固力在監(jiān)測期間隨巷道變形量增加而變大，但整體上未超出其設(shè)計最大錨固力。通過現(xiàn)場對巷道變形及錨桿錨固力的監(jiān)測表明巷道錨桿支護方案設(shè)計合理。

4 結(jié)論

根據(jù)二龍煤礦1207工作面的地質(zhì)概況，通過理論分析。采用動態(tài)信息設(shè)計法進行錨桿支護參數(shù)的計算，得出二龍煤礦1207工作面變形控制巷道的支護方案。確定二龍煤礦圍巖破壞深度，巷道頂部、幫部錨桿長度，錨桿間距及錨桿數(shù)量。

參考文獻：

[1][美]JC 施坦庫斯等.錨桿支護新進展[J].中國煤炭，1997（02）.

[2]賀德勝.淺談錨桿支護理論及設(shè)計方法的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006（16）.

[3][英]哈依斯.巖層控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].國外錨桿支護技術(shù)譯文集，煤炭科學(xué)研究總院北京開采所，1997（06）.

[4]袁和生.煤礦巷道錨桿支護技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版杜，1997：115-128.

[5]候朝炯.煤巷錨桿支護[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999：85-98.

[6]康紅普.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐[M].煤炭工業(yè)出版社，2002（06）.

作者簡介：楊瀧（1992-），貴州天柱人，從事礦山壓力與控制研究。