武書理 武泉林

(1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司；2.濟(jì)寧學(xué)院安全工程技術(shù)中心)

深井沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

武書理1武泉林2

(1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司；2.濟(jì)寧學(xué)院安全工程技術(shù)中心)

在動(dòng)載和靜載的雙重作用下，深井沿空巷道的穩(wěn)定性會(huì)惡化。為了提高深井沿空巷道的支護(hù)質(zhì)量，保證回采的安全性，確定深井沿空巷道的合理支護(hù)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(hù)難點(diǎn)，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(hù)巷煤柱寬度；通過計(jì)算，確定了錨桿和錨索的支護(hù)參數(shù)，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)支護(hù)后的巷道變形進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)對(duì)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(hù)參數(shù) 圍巖變形

沿空掘巷是一項(xiàng)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(dòng)壓顯現(xiàn)劇烈等因素的影響，導(dǎo)致這種掘巷方式所帶來的支護(hù)問題更加復(fù)雜多變[1-2]。因此，巷道的支護(hù)方案必須能夠動(dòng)態(tài)地平衡巷道圍巖的變化，以提高支護(hù)系統(tǒng)的效率，保證巷道支護(hù)效果?？茖W(xué)有效的巷道支護(hù)技術(shù)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(hù)維修費(fèi)用，增強(qiáng)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(biāo)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(jì)寧市約75 km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240萬t/a，采用立井開拓方式，設(shè)計(jì)3個(gè)井筒，主井深853 m，副井深883 m，風(fēng)井深778 m。1303工作面煤(巖)層賦存特征見表1。

2 巷道保護(hù)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(duì)2種寬度煤柱下1301工作面沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行分析。圖1為煤柱寬度分別為4,6 m時(shí)，沿空巷道的頂板位移情況。

由圖1可見，未支護(hù)時(shí)，留設(shè)4 m煤柱垂直方向位移最大達(dá)到40 cm左右，而留設(shè)6 m煤柱時(shí)，最大位移達(dá)到了45.8 cm，說明留設(shè)4 m煤柱更加科學(xué)合理，而且留設(shè)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(hù)設(shè)計(jì)

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(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.1 錨桿長(zhǎng)度計(jì)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(zhǎng)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(yàn)取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，一般取0.1 m；Lb為幫錨桿長(zhǎng)度，m；B為巷道開掘?qū)挾龋?.7 m；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，3.5。

計(jì)算得出頂錨桿長(zhǎng)度Ld=1.94 m，幫錨桿長(zhǎng)度Lb=1.81 m。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)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(shù)要求

(1)用錨桿機(jī)施工設(shè)計(jì)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(shí)不能旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁把托盤緊壓在頂板上。

(3)開鉆旋轉(zhuǎn)錨桿，不施加上推力，攪拌15～30 s，然后順勢(shì)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(shí)應(yīng)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(dá)到規(guī)定的安裝應(yīng)力。

3.3 錨索長(zhǎng)度計(jì)算

(5)

計(jì)算得出錨索長(zhǎng)度Ls=2.54 m。錨索選用φ17.8 mm×6 000 mm左旋預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2 400 mm×900 mm。

3.4 錨索施工技術(shù)要求

(1)鉆孔深度大于錨索長(zhǎng)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?fù)迫脬@孔，直至推不動(dòng)為止。

(4)將預(yù)先安裝在鉆機(jī)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(shí)鉆機(jī)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(yù)應(yīng)力要達(dá)到80 kN。

(6)φ17.8 mm高強(qiáng)錨索的拉拔力需要大于300 kN，設(shè)計(jì)選用3只2350樹脂，正常情況下可以滿足錨索的拉拔力，應(yīng)不定期進(jìn)行錨索施工質(zhì)量的拉拔力抽檢。

4 支護(hù)數(shù)值模擬

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

圖2 掘進(jìn)10 m時(shí)巷道水平位移

圖3 掘進(jìn)50 m時(shí)巷道水平位移

由圖2可見，當(dāng)巷道掘進(jìn)10 m時(shí)，在無支護(hù)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(hù)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(hù)時(shí)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(hù)效果明顯。

由圖3可見，當(dāng)巷道掘進(jìn)50 m時(shí)，最大水平位移減小量達(dá)到了23 cm，因此，所設(shè)計(jì)支護(hù)方式能有效地控制圍巖變形，為掘進(jìn)工作提供安全環(huán)境。

通過以上2組不同掘進(jìn)程度下模擬兩幫移近的效果來看，在既定支護(hù)方案下巷道變形明顯減小，尤其是空幫一側(cè)。由于采用的是非對(duì)稱布置支護(hù)，所以沿空側(cè)巷道的支護(hù)效果顯著加強(qiáng)。同時(shí)也可以證實(shí)前面理論計(jì)算與工程類比所確定的支護(hù)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(hù)效果檢驗(yàn)

圖4為巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形情況。可見，隨著巷道的不斷掘進(jìn)，測(cè)點(diǎn)處的位移先快速增加，隨后緩慢增加，最終達(dá)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(hù)效果良好。

圖4 巷道圍巖變形

圖5為掘進(jìn)工作面掘進(jìn)300 m時(shí)的支護(hù)效果?？梢?，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(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，因此，所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)是合理經(jīng)濟(jì)的。

圖5 巷道支護(hù)效果

6 結(jié) 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(jì)算，分析了錨桿和錨索的長(zhǎng)度，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)支護(hù)參數(shù)合理性進(jìn)行了論證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)可以滿足生產(chǎn)需要。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)使巷道圍巖穩(wěn)定性得到了極大改善，進(jìn)一步論證了深井沿空巷道支護(hù)技術(shù)的合理性，對(duì)地質(zhì)條件相似礦井的支護(hù)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

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

[2] 李巖松.錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)在加固動(dòng)壓巷道中的應(yīng)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(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2000,25(5):478-481．

[4] 侯朝炯,郭勵(lì)生,勾攀峰,等.煤巷錨桿支護(hù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)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(hào)。