龐爾國

（山西大同煤礦集團(tuán)有限公司，山西 大同037000）

1 概述

礦山開采進(jìn)入深部以后，地質(zhì)條件變得更加復(fù)雜，圍巖應(yīng)力疊加想象變的更加明顯，使得巷道圍巖穩(wěn)定性問題成為安全開采的突出問題〔1〕，近年來錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)已廣泛運用到深部巷道支護(hù)中，但在生產(chǎn)中只強(qiáng)調(diào)單種支護(hù)體的強(qiáng)度，未對錨桿、錨索的聯(lián)合支護(hù)協(xié)調(diào)性進(jìn)行系統(tǒng)性研究，因而在實際的巷道支護(hù)中使用效果差，錨桿、錨索局部被拉斷，需要大量的補(bǔ)打工作，甚至?xí)斐墒鹿省?〕。

針對該問題，現(xiàn)以陶二礦18505材料巷為研究對象，運用耦合支護(hù)非線性設(shè)計研究方法，提出合理的支護(hù)方案，以探索耦合讓均壓技術(shù)在破碎頂板順槽中控制圍巖穩(wěn)定的新方法。

2 工程概況

陶二煤礦正在開采13＃和8＃煤層。18505工作面位于12采區(qū)輔助運輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實煤區(qū)。工作面為8＃煤層，煤厚4.6～7.76m，平均厚度為6 m，為穩(wěn)定開采煤層，傾角5°～10.9°，平均9°。8＃煤下層夾矸增厚至0.90～2.44m，使8＃煤分為上、下兩層，下層煤厚0.42～1.11m。當(dāng)煤層厚度小于等于4.5m時材料巷沿煤層頂板掘進(jìn)；當(dāng)煤層厚度大于4.5m時，按托1.2m頂煤進(jìn)行掘進(jìn)。煤層頂?shù)装逯鶢钜姳?所示。

表1 18505材料巷圍巖柱狀圖

因此針對陶二礦8＃煤層現(xiàn)有的地質(zhì)與采礦條件，設(shè)計出一套適合其特點的合理的順槽支護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)順槽的安全、經(jīng)濟(jì)、快速掘進(jìn)，對類似條件下的巷道支護(hù)具有指導(dǎo)意義。

3 耦合讓均壓設(shè)計支護(hù)方案

3.1 耦合讓均壓支護(hù)設(shè)計理念

煤層巷道錨桿支護(hù)設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)必須考慮3個基本因素：一是支護(hù)系統(tǒng)錨桿支護(hù)機(jī)理〔3〕；二是被支護(hù)圍巖應(yīng)力變形的關(guān)系，三是支護(hù)系統(tǒng)工作特性和圍巖應(yīng)力與圍巖變形關(guān)系的耦合〔4〕。

3.2 根據(jù)塑性理論及數(shù)值分析確定支護(hù)參數(shù)

根據(jù)圍巖破壞時符合圍巖剪切破壞準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)理論計算，運用有限元數(shù)值模擬軟件對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行確定〔5〕松散破碎區(qū)范圍和三軸壓縮極限應(yīng)力情況見圖1、圖2。

圖1 松散破碎區(qū)范圍

圖2 三軸壓縮極限應(yīng)力

頂板錨桿參數(shù)：

間排距：間排距830mm，排距1000mm，Φ20×2600 mm，Q600礦用超高強(qiáng)螺紋鋼，安裝應(yīng)力240nm，預(yù)應(yīng)力理論計算5t。

頂板錨索參數(shù)：

錨索長度：9000mm和6000mm，直徑：22mm，安裝應(yīng)力15t，錨固劑：一支CK2335，兩支K2380。

支護(hù)布置見圖3。

圖3 支護(hù)布置

4 現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析

為了驗證實驗巷道的支護(hù)效果，對該實驗段安設(shè)測點進(jìn)行觀測并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 巷道表面收縮隨時間變化

圖5 頂板各層位相對位移隨時間變化

圖6 錨桿錨索受力隨時間變化曲線

圖7 煤柱測應(yīng)力變化曲線

1）通過圖4表面位移收縮觀測，實驗段移近量在巷道開挖10天時間就達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫移近量達(dá)到45 mm；頂板下沉量達(dá)到25mm。

2）通過圖5多點位移計數(shù)據(jù)觀測，頂板下沉量整體不大，以12m深基點為原點，頂板表面下沉量最大達(dá)到8 mm，巷道開挖20天后達(dá)到平衡，3m點和5m點和6m點由于錨桿錨索的耦合支護(hù)，形成協(xié)調(diào)運行板，所以下沉量相同。

3）通過圖6壓力表的觀測數(shù)據(jù)分析，錨桿在70kN的高安裝應(yīng)力下很快達(dá)到平衡，且達(dá)到和錨索耦合支護(hù)的效果。

4）通過圖7煤柱應(yīng)力計的觀測分析，煤柱測的應(yīng)力值保持在3MPa左右，3m、6m及9m處的應(yīng)力值均未出現(xiàn)差別分布，說明煤柱側(cè)進(jìn)入塑性區(qū)，破碎區(qū)范圍小于3m，煤柱側(cè)的碎脹變形小，煤柱有一定的支護(hù)巷道穩(wěn)定的強(qiáng)度。

5 結(jié)語

根據(jù)實驗段的數(shù)據(jù)分析說明，實驗段的表面收縮量及錨桿錨索受力情況整體分析均能滿足生產(chǎn)的需要。該支護(hù)方案與原支護(hù)方案進(jìn)行對比，不僅減少了補(bǔ)打錨桿的時間及資金，而且由于該方案中加大了錨桿的排距，在保證支護(hù)效果的基礎(chǔ)上提高了巷道的掘進(jìn)速度，減少了支護(hù)密度。說明耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)在該破碎順槽段實驗效果是可行的。

〔1〕謝和平，彭蘇萍，何滿潮 .深部開采基礎(chǔ)理論與工程實踐〔M〕.北京：科學(xué)出版社，2006：197－204.

〔2〕何滿潮，景海河，孫曉明 .軟巖工程力學(xué)〔M〕.北京：科學(xué)出版社，2002：105－107.

〔3〕何滿潮，孫曉明 .中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計與施工指南〔M〕.北京：科學(xué)出版社，2004：86－87.

〔4〕孫曉明，何滿潮 .深部開采軟巖巷道耦合支護(hù)數(shù)值模擬研究〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34（2）：167－169.

〔5〕孫曉明 .煤礦軟巖巷道耦合支護(hù)理論研究及其設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)〔D〕.北京：中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，2002.