劉剛剛

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 李雅莊煤礦，山西 霍州 031400)

在我國(guó)，一般將埋深大于600 m的礦井稱為深部礦井。隨著我國(guó)西北地區(qū)煤炭淺部資源的減少，逐步進(jìn)入深部開采，深部礦井地壓顯現(xiàn)明顯較淺部強(qiáng)烈。

某煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 500萬t/a，3煤膠帶輸送機(jī)大巷埋深約670 m，屬于深部礦井開采。生產(chǎn)掘進(jìn)過程中，巷道頂板及兩幫巖石不穩(wěn)定，有片幫底鼓現(xiàn)象，施工時(shí)需及時(shí)支護(hù)。膠運(yùn)大巷作為礦井掘進(jìn)及生產(chǎn)期間煤炭的主要運(yùn)輸巷道，需要保證巷道的支護(hù)質(zhì)量。對(duì)膠運(yùn)大巷進(jìn)行了礦壓顯現(xiàn)研究，分析其規(guī)律，并進(jìn)行針對(duì)性的支護(hù)設(shè)計(jì)，以保證巷道在服務(wù)期間的正常使用，減少維修量，使支護(hù)具有良好的使用性和適應(yīng)性，并有利于提高掘進(jìn)速度。

1 工程概況

膠帶輸送機(jī)大巷處于3-1煤層中，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角一般小于3°. 煤層黑色瀝青光澤、階梯狀斷口，塊狀構(gòu)造，有分層現(xiàn)象；煤層底板為8.9 m厚淺灰色粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體較完整，弱含水。開口位于+677 m水平井底車場(chǎng)41-42-43段80 m處，開口坐標(biāo)為:X=4 351 417.563,Y=37 386 230.432,向南開口方位為144°，向北開口方位為324°. 膠帶輸送機(jī)大巷為直墻半圓拱斷面，巷道坡度為0～1°，沿煤層底板掘進(jìn)，掘?qū)? 800 mm，掘高5 400 mm，S掘=24.56 m2；凈寬5 500 mm，凈高4 950 mm，S凈=21.07 m2.鋪底300 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30. 水溝布置在巷道左幫，水溝毛寬650 mm，毛深600 mm，水溝澆筑厚度100 mm，坡度與巷道坡度相同。巷道斷面圖見圖1.

圖1 膠運(yùn)大巷斷面圖

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

3煤膠運(yùn)大巷在實(shí)際掘進(jìn)過程中，煤壁片幫嚴(yán)重，尤其肩窩位置，個(gè)別片幫深度達(dá)1.2 m，底板底鼓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成支護(hù)失效，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)速度。為摸清巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采用針對(duì)性的支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)3煤膠運(yùn)大巷建立數(shù)值模型，展開研究。

2.1 模型建立

基于有限差分法原理，根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)，建立FLAC3D模型。根據(jù)巖石力學(xué)原理，掘巷后影響范圍應(yīng)約為巷道寬度3～5倍，結(jié)合巷道尺寸建立模型：X60 m×Y2.4 m×Z46.5 m，見圖2. 巷道位于3-1煤底部。

圖2 巷道模型圖

2.2 礦壓分析

2.2.1圍巖穩(wěn)定性分析

利用數(shù)值模擬，監(jiān)測(cè)巷道開挖后的圍巖位移，見圖3.

圖3 巷道圍巖監(jiān)測(cè)圖

由圖3可知，膠運(yùn)大巷開挖后，巷道圍巖發(fā)生破壞，位移急劇增加。巷道兩幫的位移速度明顯大于巷道的頂板和底板。由于圍巖的自承作用，巷道圍巖逐步趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的巷道兩幫位移量較頂?shù)装逦灰屏看蟆?/p>

2.2.2圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析

圍巖應(yīng)力圖見圖4，圍巖塑性區(qū)分布圖見圖5.

圖5 圍巖塑性區(qū)分布圖

分析圖4可知，膠運(yùn)大巷開挖后，在巷道作用下，兩幫圍巖較深區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)，且圍巖最大主應(yīng)力極值點(diǎn)位于巷道兩幫約3.5 m的位置，應(yīng)力極值約為31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.79. 由圖5可知，巷道圍巖破壞主要為塑性剪切破壞，其中巷道兩幫圍巖剪切破壞范圍較大，剪切塑性區(qū)的最大厚度為4.3 m，而底板圍巖塑性破壞區(qū)較兩幫稍小，最大厚度為2.2 m，頂板剪切塑性區(qū)最小，最小值僅為0.9 m，而巷道底板圍巖發(fā)生塑性拉伸破壞區(qū)的厚度約為0.4 m. 由此可知，巷道兩幫和頂板的圍巖開挖后的狀態(tài)明顯好于底板，底板和兩幫肩窩需要加強(qiáng)支護(hù)，其他位置進(jìn)行常規(guī)支護(hù)。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)果可知：巷道兩幫的位移速度明顯大于巷道的頂板和底板，而開挖后巷道兩幫和頂板的圍巖狀態(tài)明顯好于底板。針對(duì)此礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在保證支護(hù)效果的基礎(chǔ)上，充分考慮支護(hù)適應(yīng)性、使用性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。3煤膠帶輸送機(jī)大巷永久支護(hù)均采用錨網(wǎng)噴+錨索+鋼護(hù)板耦合支護(hù)，巷道肩窩和底板采用加強(qiáng)支護(hù)以控制片幫和底鼓，其余部位采用常規(guī)支護(hù)。

3.1 支護(hù)參數(shù)

支護(hù)設(shè)計(jì)圖見圖6.

錨桿選用d22 mm×2 500 mm左旋無縱肋樹脂錨桿。

錨桿錨固方式：端頭錨固，每根錨桿孔底配一根MSCK2350和一根MSK2350樹脂錨固劑。

網(wǎng)片規(guī)格：拱部及幫部網(wǎng)片采用d6 mm盤圓金屬網(wǎng)，規(guī)格100 mm×100 mm-1 800 mm×900 mm；網(wǎng)片接茬100 mm每隔200 mm采用16#鐵絲綁扎，網(wǎng)絲扭接不少于3圈。

錨桿配件：采用配套蝶形托盤、調(diào)心球墊，托盤規(guī)格：150 mm×150 mm×10 mm.

錨桿布置：巷道頂部錨桿在巷中布置一根，然后向兩邊按800 mm間距分布，間排距為800 mm×800 mm，每排拱部13根錨桿，幫部4根錨桿，肩窩位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)1根錨桿，底板3根錨桿。

錨桿預(yù)緊力：錨桿預(yù)緊力300 N·m，錨桿錨固力為80 kN.

錨索規(guī)格：錨索材料為d18.9 mm×7 500 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

錨索構(gòu)件：每根錨索孔底配1支MSCK2340和2支MSK2340樹脂錨固劑。高強(qiáng)碟形托盤規(guī)格280 mm×280 mm×20 mm，配套鎖具緊固錨索。

錨索布置：間排距2 400 mm×2 400 mm，錨索垂直巷道頂板打設(shè)。

錨索預(yù)緊力：預(yù)緊力不低于200 kN.

圖6 支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.2 支護(hù)效果分析

對(duì)支護(hù)后的錨桿、錨索受力進(jìn)行模擬分析，見圖7，8. 頂板錨桿受力18.5 kN，底板錨桿受力12.4 kN，兩幫錨桿受力約54 kN，巷道兩幫的錨桿受力明顯大于巷道頂板錨桿，幫部錨桿受力雖較大，但未到達(dá)其受力極限，可保證巷道圍巖支護(hù)的穩(wěn)定。頂板錨索受力134.4 kN，受力基本穩(wěn)定，小于其受力極限，可有效將頂板深淺部圍巖連接成一個(gè)整體，充分控制圍巖變形。

圖7 錨桿受力效果圖

圖8 錨索受力效果圖

4 結(jié) 論

通過對(duì)深部礦井3煤膠運(yùn)大巷開挖后礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究與分析，得出巷道兩幫的位移速度和穩(wěn)定后位移量均明顯大于巷道的頂板和底板。巷道兩幫受力較頂?shù)装宕螅锏纼蓭秃晚敯宓膰鷰r開挖后的狀態(tài)明顯好于底板。3煤膠帶輸送機(jī)大巷永久支護(hù)均采用錨網(wǎng)噴+錨索+鋼護(hù)板的耦合支護(hù)形式，可以充分發(fā)揮錨桿、錨索的性能，保證巷道的圍巖穩(wěn)定，達(dá)到了支護(hù)的效果。