煤礦巷道圍巖強度測試及支護參數(shù)設(shè)計

王輝

摘 要： 近年來，我國煤炭行業(yè)的開發(fā)利用推動我國整體經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，為我國基礎(chǔ)建設(shè)貢獻力量。我國煤炭儲量豐富，隨著礦井逐漸向深部開采，礦井的開采條件逐年復(fù)雜，巷道圍巖出現(xiàn)流變形態(tài)、破壞范圍大、變形強烈、泥化易風(fēng)化、破碎松散、裂隙發(fā)育等特點，學(xué)者對其支護進行很多研究。

關(guān)鍵詞： 煤礦巷道圍巖;強度測試及支護參數(shù)設(shè)計

【中圖分類號】TD353+.6 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.230

引言：時代的進步，科技的發(fā)展使得我國快速進入現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，各行業(yè)有了新的發(fā)展空間。近年來，隨著我國綜放工作面開采技術(shù)逐步發(fā)展，工作面產(chǎn)量不斷提高，其巷道斷面也逐漸增大，但是掘進技術(shù)不能滿足快速推進的要求，給礦井正常接替帶來了很大壓力。目前，巷道支護常采用錨桿（索）支護，為了滿足工作面的快速推進及巷道斷面的增加，需要增加單位長度巷道錨桿、錨索的數(shù)量以及加快成巷速度。

1 工程概況

研究巷道開采二1煤層，煤層平均厚度為6.0m，平均埋深為400m，煤層平均傾角為4°，實驗室測得煤的平均抗壓強度為31MPa，煤體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部煤體出現(xiàn)松軟破碎?；卷敒橹辛Ｉ皫r，平均厚度10.0m，呈淺灰色;直接頂為粉砂巖，平均厚度4.5m，呈黑灰色;直接底為粉砂巖，平均厚度2.0m，呈淺黑灰色;基本底為粉砂巖，平均厚度5.6m，呈灰色。

2 鉆孔探測圍巖強度測試

①實驗室?guī)r塊強度測試。試件并不是真實的原有環(huán)境，不能客觀反映圍巖的真實力學(xué)特性;巷道處于煤系中，包含大量的巖土層，不能夠滿足現(xiàn)場取心和實驗室標準件制作的要求，該方法具有較為強烈的主觀因素。②巖體強度原位測量?，F(xiàn)目前方法位大尺寸壓縮試驗和鉆孔觸探法，其中，大尺寸壓縮試驗要求尺寸較大，耗時耗力，不太適用于常規(guī)的圍巖力學(xué)參數(shù)測定;鉆孔觸探法主要適用于巷道淺部破碎區(qū)。

3 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

對于節(jié)理傾角為0°-30°賦存區(qū)域巖體，載荷下節(jié)理中部擴展成拉裂紋，之后巖體發(fā)生張拉破裂，被節(jié)理切割的塊體在載荷作用下易翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，進一步促進巖體承載結(jié)構(gòu)劣化，使得巖體呈現(xiàn)顯著拉破壞，巷道圍巖發(fā)生彎折破壞失穩(wěn)。當圍巖節(jié)理傾角以30°-45°為主時，初期節(jié)理尖端裂紋的萌生及擴展發(fā)生拉損傷，而在峰值強度附近則以剪切裂紋貫通為主，使得巖體發(fā)生拉剪混合破壞及剪切破壞，巷道圍巖發(fā)生片幫。當節(jié)理傾角增大為75°時，節(jié)理尖端產(chǎn)生的剪切裂紋沿著節(jié)理傾向擴展，并相互貫通成滑移剪切面，巖體發(fā)生剪切破壞，巷道圍巖以劈裂片幫為主。兩幫中下部塑性破壞深度大于上部，節(jié)理傾角越大，兩幫塑性破壞深度越小，頂板塑性破壞深度受節(jié)理傾角影響較小。巷道下部左幫破壞明顯大于右?guī)?，巷道兩幫發(fā)生非對稱變形，這是因為巷道左側(cè)受鄰近采掘工程應(yīng)力擾動影響較大所致。

4 巷道支護參數(shù)確定

錨索參數(shù)確定。深部圍巖頂板施加3根錨索，采用錨索進行補強支護，錨索直徑為17.8mm，采用1×7股鋼絞線，模擬分析了錨索長度為6.3、7.3、8.3m三種尺寸的巷道支護效果，當錨索長度為6.3m時，巷道頂?shù)装宓囊平繛?30mm;當錨索長度為7.3m時，巷道頂?shù)装宓囊平繛?00mm;當錨索長度為8.3m時，巷道頂?shù)装宓囊平繛?97mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，當錨索長度為7.3m和8.3m時，巷道頂?shù)装宓奈灰屏肯嗖畈淮?，綜合經(jīng)濟角度和安全角度。根據(jù)數(shù)值模擬，錨桿長度選擇為1.6m，錨桿間排距均為0.7m時巷道支護效果最好，不再進行敘述，僅對錨桿的預(yù)緊力進行數(shù)值模擬。錨桿長度選擇為1.6m，錨桿間排距均為0.7m，設(shè)置預(yù)緊力分別為40、60、80kN進行數(shù)值分析。

5 不同支護方式下圍巖位移特征

不同支護方式下，回風(fēng)大巷圍巖位移演化特征可以看出：1.當巷道采用錨網(wǎng)索支護時，局部頂、底板最大移近量為885.1mm;當巷道采用錨注支護時，局部頂、底板最大移近量為519.7mm;當巷道采用聯(lián)合支護時，局部頂、底板最大移近量為296.9mm。2.巷道采用聯(lián)合支護時，頂、底板收縮量相較于采用錨網(wǎng)索支護與錨注支護明顯減小;采用錨網(wǎng)索支護時，底板向巷內(nèi)收縮量相差較大，即底板變形嚴重;而采用錨注支護時，底板向巷內(nèi)收縮量相差較大的現(xiàn)象稍有改善，但巷道兩底角收縮仍然嚴重。通過比較可知，在采用聯(lián)合支護方案條件下，巷道圍巖變形量相對較小，圍巖變形得到有效控制。

6 巷道加固方案

為了提高煤柱工作面下伏軌道上山和皮帶機上山初始錨網(wǎng)噴支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在上覆孤島煤柱工作面回采前，利用錨索的高承載能力對巷道變形較大的拱頂及受力易于集中的兩側(cè)拱肩等薄弱支護區(qū)進行結(jié)構(gòu)補償，從而達到充分發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的承載能力，避免因頂板離層裂隙發(fā)育導(dǎo)致巖體冒落。為此，根據(jù)煤柱工作面及其下伏軌道上山和皮帶機上山圍巖條件，并結(jié)合工作面下伏2條上山圍巖變形特征分析，制定了采前采用錨索對2條上山巷道拱頂及兩側(cè)拱肩進行加固，采后通過錨桿補網(wǎng)再維護的加固對策。在工作面回采期間，對混凝土噴層及巖塊剝落位置，通過錨桿進行補網(wǎng)再維護，不僅有利于防止混凝土噴層剝落面擴展，而且也有利于維護巷道圍巖穩(wěn)定性。

結(jié)語：通過鉆孔探測儀圍巖強度測試，得出頂板上覆巖層0-6.5m處，巖石具有較好的完整性，平均強度為53MPa，實體煤幫部平均強度為14MPa，說明圍巖能夠發(fā)揮錨桿的主動支護能力。

參考文獻

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