煤礦采區(qū)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案研究

【摘 要】隨著煤炭開采量的不斷增加，煤礦開采深度不斷加深，開采時(shí)遇到的地質(zhì)情況也是越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)煤礦開采安全尤其是巷道支護(hù)的要求更是越來(lái)越高。目前，在煤巷支護(hù)工程中用到的最多的支護(hù)技術(shù)是錨桿支護(hù)。

【關(guān)鍵詞】回風(fēng)巷；懸吊理論；支護(hù)

近年來(lái)煤礦開采水平向深度發(fā)展，出現(xiàn)的軟巖工程問題越來(lái)越多。軟巖巷道變形量大，支護(hù)受力大，一般采用可縮性U型鋼支架，但是其不但成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且有時(shí)還容易發(fā)生破壞。自從圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論提出，在隨后的巷道支護(hù)研究中確定主要研究對(duì)象為松動(dòng)圈發(fā)展過(guò)程中的碎脹變形。人們逐漸開始用錨噴支護(hù)代替U型鋼支架來(lái)解決軟巖支護(hù)問題，不僅支護(hù)效果好，而且經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益顯著。

1巷道斷面的最佳設(shè)計(jì)

在我國(guó)隨著礦井開采深度的增加，工作面回采機(jī)械化程度提高，要求回采巷道斷面積加大，因而使礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，回采巷道的支擴(kuò)問題在煤礦生產(chǎn)中越來(lái)越突出。在很多礦井中，由于巷道斷面縮小，嚴(yán)重影響工作面運(yùn)輸、通風(fēng)，常常形成“ 爬行巷道”，從而威脅井下的安全生產(chǎn)，使得工作面機(jī)械生產(chǎn)能力不能充分發(fā)揮。而且回采巷道的多次返修還是造成煤炭企業(yè)虧損、采掘接替緊張的主要原因之一。

2巷道的最佳掘進(jìn)時(shí)間

在上區(qū)段工作面推進(jìn)過(guò)程中，頂板運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程分兩個(gè)階段，顯著運(yùn)動(dòng)階段和相對(duì)穩(wěn)定階段。在顯著運(yùn)動(dòng)階段，上覆巖層支承力不斷發(fā)展變化，造成采空區(qū)側(cè)煤體支承壓力的變化，煤體發(fā)生較大變形。如果在顯著運(yùn)動(dòng)階段掘進(jìn)巷道，則巷道容易產(chǎn)生變形破壞，不利于巷道維護(hù)。當(dāng)上區(qū)段采場(chǎng)老項(xiàng)觸矸后，頂板運(yùn)動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定階段，支承壓力已經(jīng)重新分布，煤體變形基本穩(wěn)定。此時(shí)掘進(jìn)巷道，則巷道不易變形破壞，易于維護(hù)。因此，上區(qū)段采場(chǎng)老頂觸矸后頂板運(yùn)動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定階段為沿空掘巷的最佳時(shí)間。

3巷道支護(hù)參數(shù)的選擇

支護(hù)是巷道施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，正確而又及時(shí)的支護(hù)，巷道掘進(jìn)工作才能正常的進(jìn)行。支護(hù)的工作量一般占巷道總成本的1/3～ 1/2，勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此選擇合理的支護(hù)型式有著重要的意義。巷道支護(hù)參數(shù)的合理選擇直接影響到巷道支護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益并與巷道支護(hù)效果和安全生產(chǎn)有關(guān)。在巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)和井下巷道旌工中，一方面要求巷道支護(hù)參數(shù)的物理意義必須明確，能夠直接指導(dǎo)支架的設(shè)計(jì)和巷道的施工。另一方面要求支護(hù)參數(shù)在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，易于被現(xiàn)場(chǎng)廣大工程技術(shù)人員掌握使用。

4巷道支護(hù)形式的選擇

在巷道支護(hù)中，錨桿支護(hù)與傳統(tǒng)的棚式支護(hù)相比，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。目前的巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法具體可歸納為三大類：工程類比法、理論計(jì)算法和以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。

4.1 工程類比法

工程類比法是建立在已有工程設(shè)計(jì)和大量工程實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在圍巖條件、施工條件及各種影響因素基本一致的情況下，根據(jù)類似條件的已有經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行待建工程錨桿支護(hù)類型和參數(shù)設(shè)計(jì)。這種方法不是簡(jiǎn)單照搬，而是首先搞清楚待建巷道的地質(zhì)條件與圍巖物理力學(xué)參數(shù)，科學(xué)的進(jìn)行圍巖分類的情況下，然后在針對(duì)不同的圍巖類別，根據(jù)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件確定錨桿支護(hù)參數(shù)。這是一種是實(shí)用的方法，在煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中占有主導(dǎo)地位。

實(shí)踐證明，在工程條件接近時(shí)，采用工程類比法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)可能是十分有效的。然而由于煤層賦存條件千差萬(wàn)別，某一類別中尚存在各種不同情況，使用時(shí)必須參照多方面的經(jīng)驗(yàn)加以應(yīng)用。

4.2 理論計(jì)算法

錨桿支護(hù)理論計(jì)算法利用懸吊理論、冒落拱理論以及其它各種力學(xué)方法，分析巷道圍巖的應(yīng)力與變形，進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，給出錨桿支護(hù)參數(shù)的解析解。

4.2.1 按懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)在層狀巖層中開挖的巷道，頂板巖層的滑移與分離可能導(dǎo)致頂板的破碎直至冒落在節(jié)理裂隙發(fā)育的巷道中，松脫巖塊的冒落可能造成對(duì)生產(chǎn)的威脅：在軟弱巖層中開挖的巷道圍巖破碎帶內(nèi)不穩(wěn)定巖塊在自重作用下了可能發(fā)生冒落。如果錨桿加固系統(tǒng)能夠提供足夠的支護(hù)阻力將松脫頂板或危巖懸吊在穩(wěn)定巖層中，就能保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

4.2.2 冒落拱理論法

這種方法應(yīng)用冒落拱分析圍巖的松動(dòng)區(qū)狀態(tài)，認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用是防止松動(dòng)破碎區(qū)的圍巖垮落。設(shè)計(jì)用主要參數(shù)的獲取靠經(jīng)驗(yàn)法并結(jié)合一定的觀測(cè)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)主要用于確定錨桿的間、排距。

4.3 數(shù)值模擬分析法

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，數(shù)值模擬分析法已在求解巖土工程問題中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的成功，盡管仍存在不同的觀點(diǎn)，但人們逐步認(rèn)識(shí)到數(shù)值模擬分析是地下巖石工程設(shè)計(jì)和分析研究的重要手段。數(shù)值模擬方法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)求解大規(guī)模的代數(shù)聯(lián)立方程組來(lái)模擬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的反跌過(guò)程的。它們有其優(yōu)點(diǎn)也有不足。

5.支護(hù)準(zhǔn)側(cè)及方法

對(duì)困難、復(fù)雜條件下的煤巷圍巖地質(zhì)力學(xué)條件和變形破壞的特點(diǎn)，在保證生產(chǎn)安全的條件下，力求獲得交好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

6 巷道支護(hù)對(duì)策

6.1 優(yōu)化巷道位置

在設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)煤系地層的巖性，合理選擇巷道位置，盡可能避開軟弱巖層；在地質(zhì)勘探過(guò)程中，應(yīng)掌握巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖石物理化學(xué)性質(zhì)以及巖石水理性質(zhì)，應(yīng)掌握主應(yīng)力的大小及方向，合理選層、選位，盡可能躲讓高應(yīng)力區(qū)。

6.2 選擇合理的支護(hù)斷面

由于8100采區(qū)回采時(shí)間較短，巷道服務(wù)年限為至采區(qū)報(bào)廢為止，綜合各方面因素8100采區(qū)軌道上山施工斷面選擇為矩形，掘進(jìn)斷面10.44m2，巷道掘進(jìn)荒寬3600mm，凈寬3400mm，掘進(jìn)荒高2900mm，軌道以上凈高2600mm，設(shè)計(jì)方位跟8煤頂板掘進(jìn)。預(yù)留巷道空間對(duì)提高支護(hù)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證巷道正常使用是非常必要的。

6.3 提高圍巖強(qiáng)度

錨桿和注漿是兩種有效的加固圍巖方式，能促使形成圍巖加固的承載圈，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，阻止圍巖的塑性流動(dòng)。

6.4 提高錨桿支護(hù)的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)

錨桿支護(hù)是巷道最有效的支護(hù)形式，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度十分重要，特別是錨桿預(yù)應(yīng)力起著決定性作用。較高的預(yù)應(yīng)力要求錨桿具有較高的強(qiáng)度。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍是很有限的，必須通過(guò)托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到錨桿周圍更大范圍的圍巖中，形成支護(hù)結(jié)構(gòu)。

6.5 及時(shí)封閉圍巖

巷道支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)是：治幫先治底，治底先治水。因此，對(duì)水的處理是保證軟弱圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)工作，尤其對(duì)于含有黏土類礦物的膨脹型軟巖，隔水為第一要?jiǎng)?wù)。軟巖巷道開挖后要及時(shí)噴射混凝土進(jìn)行封閉，防止其受水和空氣的影響而崩解和軟化。

7結(jié)論

在煤礦的建設(shè)中應(yīng)根據(jù)礦井巷道的實(shí)際地質(zhì)狀況來(lái)確定巷道及硐室的支護(hù)形式。錨桿等支護(hù)形式的布置隨圍巖條件發(fā)生變化時(shí)，其支護(hù)參數(shù)也應(yīng)做相應(yīng)改變，特別在地質(zhì)構(gòu)造地帶，可考慮增加錨桿、錨索數(shù)量或輔以其它支護(hù)方式，甚至更改支護(hù)方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董方庭，姚玉煌，黃初，等.井巷設(shè)計(jì)與施工[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004

[2] 蔣順勛，宋廣太，庫(kù)明欣.煤巷錨桿支護(hù)施工指南[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1999

[3] 袁和生，煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1997

[4] 趙興東，井巷工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010

[5] 周華強(qiáng)，巷道支護(hù)限制與穩(wěn)定作用理論及其應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

作者簡(jiǎn)介：

張志剛，采煤高級(jí)工程師，1978年2月生。

（作者單位：新能礦業(yè)有限公司）