煤礦采區(qū)巷道支護(hù)設(shè)計方案研究

趙樹理

【摘 ?要】隨著煤炭開采量的不斷增加，煤礦開采深度不斷加深，開采時遇到的地質(zhì)情況也是越來越復(fù)雜，對煤礦開采安全尤其是巷道支護(hù)的要求更是越來越高。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)

引言

近年來煤礦開采水平向深度發(fā)展，出現(xiàn)的軟巖工程問題越來越多。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、勞動強(qiáng)度大，而且有時還容易發(fā)生破壞。自從圍巖松動圈支護(hù)理論提出，在隨后的巷道支護(hù)研究中確定主要研究對象為松動圈發(fā)展過程中的碎脹變形。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

在我國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)時間

在上區(qū)段工作面推進(jìn)過程中，頂板運(yùn)動的發(fā)展過程分兩個階段，顯著運(yùn)動階段和相對穩(wěn)定階段。在顯著運(yùn)動階段，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)段采場老項觸矸后，頂板運(yùn)動處于相對穩(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)段采場老頂觸矸后頂板運(yùn)動的相對穩(wěn)定階段為沿空掘巷的最佳時間。

3.巷道支護(hù)參數(shù)的選擇

支護(hù)是巷道施工的一個重要環(huán)節(jié)，正確而又及時的支護(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)計和巷道的施工。另一方面要求支護(hù)參數(shù)在設(shè)計和施工時，易于被現(xiàn)場廣大工程技術(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)計方法具體可歸納為三大類：工程類比法、理論計算法和以計算機(jī)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。

4.1工程類比法

工程類比法是建立在已有工程設(shè)計和大量工程實踐成功經(jīng)驗的基礎(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，進(jìn)行待建工程錨桿支護(hù)類型和參數(shù)設(shè)計。這種方法不是簡單照搬，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)。這是一種是實用的方法，在煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計中占有主導(dǎo)地位。

實踐證明，在工程條件接近時，采用工程類比法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計可能是十分有效的。然而由于煤層賦存條件千差萬別，某一類別中尚存在各種不同情況，使用時必須參照多方面的經(jīng)驗加以應(yīng)用。

4.2理論計算法

錨桿支護(hù)理論計算法利用懸吊理論、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，給出錨桿支護(hù)參數(shù)的解析解。

（1）按懸吊理論設(shè)計錨桿支護(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。

（2）冒落拱理論法。這種方法應(yīng)用冒落拱分析圍巖的松動區(qū)狀態(tài)，認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用是防止松動破碎區(qū)的圍巖垮落。設(shè)計用主要參數(shù)的獲取靠經(jīng)驗法并結(jié)合一定的觀測手段來實現(xiàn)。設(shè)計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，但人們逐步認(rèn)識到數(shù)值模擬分析是地下巖石工程設(shè)計和分析研究的重要手段。數(shù)值模擬方法是通過對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)求解大規(guī)模的代數(shù)聯(lián)立方程組來模擬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的反跌過程的。它們有其優(yōu)點也有不足。

5. 復(fù)合支護(hù)方式

復(fù)合支護(hù)方式在實際應(yīng)用中，相較于單一支護(hù)方式而言，可以結(jié)合實際情況將兩種或兩種以上支護(hù)方式整合在一起，充分發(fā)揮不同支護(hù)方式優(yōu)勢，提升圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)前煤礦掘進(jìn)巷道支護(hù)中所選擇的復(fù)合支護(hù)方式，以錨桿+錨索吊棚聯(lián)合支護(hù)方式為主，相較于單一支護(hù)形式而言支護(hù)效果更為可觀。但是，復(fù)合支護(hù)方式由于整合多種支護(hù)方式，勞動強(qiáng)度大，成本高，并且在具體支護(hù)中可能存在支護(hù)協(xié)調(diào)不暢問題，影響到支護(hù)效果。但是，在具體應(yīng)用中可能出現(xiàn)滲漏問題，影響到巷道掘進(jìn)作業(yè)活動順利展開。所以，應(yīng)該定期巡查審核，加強(qiáng)掘進(jìn)作業(yè)活動全面監(jiān)管，以便于及時解決問題予以處理。液壓柱對巷道支護(hù)效果影響較大，可以替換液壓柱，對巷道支護(hù)有效處理，提升巷道安全性。具體施工中，對于樓頂問題，促使單體液壓支柱和柱子相結(jié)合，及時處理滲漏問題，提升巷道整體支護(hù)效果。

6. 煤礦掘進(jìn)巷道支護(hù)中的問題和解決對策

在煤礦巷道掘進(jìn)期間，應(yīng)該綜合分析支護(hù)參數(shù)，選擇合理的支護(hù)方式，對于巷道支護(hù)過程中出現(xiàn)的問題尋求有效措施，促使煤礦巷道掘進(jìn)活動高效進(jìn)行。就當(dāng)前煤礦掘進(jìn)巷道支護(hù)中的問題來看，主要是由于受到施工擾動壓力影響，巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面膠結(jié)力度較差，在一定程度上增加圍巖破碎、變形幾率。圍巖變形和應(yīng)力會導(dǎo)致巷道圍巖破壞，單一支護(hù)方式無法滿足作業(yè)需要，需要結(jié)合實際情況選擇合理支護(hù)措施。

在這個過程中，需要嚴(yán)格控制巷道圍巖應(yīng)力分布，設(shè)計合理的掘進(jìn)巷道形狀，改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低巷道圍巖變形幾率。掘進(jìn)巷道支護(hù)期間存在的問題，應(yīng)該綜合分析礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，選擇合理的巷道支護(hù)方式，并適當(dāng)增加支護(hù)力度，有效約束和控制巷道表面應(yīng)力，在提升圍巖承載力同時，避免破碎帶朝著縱深方向發(fā)展，提升圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與此同時，選擇復(fù)合支護(hù)方式，保證圍巖表面平滑，避免應(yīng)力集中影響到掘進(jìn)巷道支護(hù)效果。通過先進(jìn)技術(shù)和工藝應(yīng)用，巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)不斷推陳出新，支護(hù)效果和適應(yīng)性進(jìn)一步提升，有助于掘進(jìn)支護(hù)活動靈活展開，促使煤礦巷道掘進(jìn)活動順利展開。

7.結(jié)論

在煤礦的建設(shè)中應(yīng)根據(jù)礦井巷道的實際地質(zhì)狀況來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，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。

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