矿业回采巷道矿山压力控制与支护探析

2014-12-02刘星宇

科技传播 2014年4期

刘星宇

榆林神华能源有限责任公司，陕西榆林 719000

煤矿的回采巷道矿山压力控制，同煤矿所在处位置的地质岩层运动、应力分布条件、应力场应力大小等等都有着密不可分的联系。无论是由于顶板坍塌，还是岩层运动被打破这种状况，都是同重力的应力场有着密不可分的关系，也就是说无论何种的应力条件的实现，都是与岩层的运动和破坏是无法分开的。所以保证煤矿井下工人及设备安全，保证开采效率，就要对回采巷道矿山压力进行控制。

1 矿业回采巷道矿山压力控制分析

神木是一个煤炭资源丰富的地区，煤矿行业非常发达，分布有中国神华、中煤等大型央企以及众多的私人煤矿，而巷道矿山压力控制与支护作为煤炭开采中非常重要的一个环节，煤炭生产水平和效益直接受到此项技术的影响。在回采巷道中，由于矿山压力和支护形式这两个关键因素没有被很好的结合利用，导致诸多回采巷道或多或少的暴露出一定程度的破坏。查阅了一些之前的资料，不同形式的支护巷道当中几乎所有的巷道都受到支护质量较差的影响，出现了不同状况的损坏。并且查阅了大量矿井回采巷道的实际形状以及在回采时的矿山压力受力状况之后，同时结合神木县的煤矿回采巷道发现，如果所要开采的煤层是倾斜的，工作面采用的走向长壁式布置时，并且回采巷道的周围条件是不一样的，那么回采巷道所受到的矿山压力及显现也是不相同的。如果回采巷道具采用同样的支护形式而且断面是相同的，但巷道周围具有不同的地质条件和生产条件，巷道所受的矿山压力也会大不相同。总而言之，矿山压力会对煤矿回采巷道产生一定的破坏。

2 矿业回采巷道矿山压力分析

2.1 矿业回采巷道矿山压力的产生

矿山压力，我们从其字面上理解就是位于回采巷道上面的矿山，还有地面对煤矿的回采巷道的外壁产生不同的作用力。我们在控制煤矿回采巷道的矿山压力时，要将矿山的岩层运动以及作用力的大小、分布的状态都考虑进去，这些因素都会对煤矿回采巷道矿山压力的控制起到决定性的作用。在一些煤矿中，出现的顶板坍塌事故，同顶板上矿山岩层的运动被破坏是具有直接关系的，岩层如果遭到破坏，那么其被破坏的范围及被破坏后是否有内应力场，对这样的外力进行支撑，在岩层遭到破坏之后重力应力场也会重新分布，上面的两个因素在通常的状况下是同时存在的，而且这两个因素也是分布在煤矿回采矿道外面岩层的重力以及整个煤层上方用来支撑的压力。因此，在一定回采的状态之下，应力条件是通过岩层的破坏和运动来实现的。在这样的时间和空间之下，应力场可以说是相对静止的，岩层的破坏和运动，引起了一个全新的转化状态。

2.2 矿业回采巷道矿山压力的种类

在内应力场中巷道进行维护和掘进过程中在分布范围的回采支撑压力,在这样的状态之下，由于回采的原因会使部分的岩层受到影响，其所影响的岩层范围之内，岩层的运动所产生的重力对所破坏范围的内用来维护和掘进巷道的回应力大小起到了决定性的作用。一旦停止回采所影响的岩层破坏运动，在这个应力场所牵涉的范围之内进行维护和掘进的巷道岩层应力就会发生非常微小的转变。在原始应力场当中进行维护和掘进的巷道所要承受的矿山压力,在原始应力场当中进行维护和掘进的巷道，也就是避开了回采支撑压力的影响所进行的维护和掘进巷道。这样的应力之下，我们依照原始的应力场特点，将其划分成不同的两种状况：第一种状况压力是由于上覆岩层的重力所产生的，这样的压力所产生的原因是单一的重力作用，是一种原始的应力场；第二种状况同第一种状况不同，不仅仅只是重力一种原因，还有一些结构的应力对它的作用，这种状况下的原始应力场会有残余结构应力的存在。

3 巷道矿山压力支护选型设计

3.1 内应力场的支护设计

在支护设计的过程中，对其主要的影响因素除了要注意选择合适的巷道掘进和维护时间，同时要注意根据内应力场受力是如何变形发展的，我们要根据这两点进行支护的设计。通过这两个方面，我们可以将这一过程分成两个发展阶段：第一个阶段我们可以将其设定为内应力场形成前的初始阶段；第二个阶段则是内应力场成熟阶段，即发展和形成阶段。下面就两个阶段来细致分析。回采巷道支护技术的核心是将采场结构力学模型作为整个技术的主要内容，而且此系统可以在不同的空间条件之下将系统当中内应力场所掘进和维护巷道支护予以解决。如果空间不同，那么掘进和维护回采巷道矿山压力是从何而来，其大小是怎样的，同时分析了裂断的岩梁之间有哪些运动关系，最后系统研究了回采巷道支护的核心采场结构力学。

3.2 锚杆支护的参数选择

根据三种围岩的稳定类型和性质，分别可对不同情况下的锚杆参数选择与确定。首先我们来看下松动圈围岩，这个类型的围岩其自重不大，所以锚杆在这种围岩上的作用非常微小，因此，对于此类围岩，不必进行支护，如果有需要可以利用喷射混凝土这种方式进行支护。通过真实的工程实践我们可以看出，用这样的方法进行处理，混凝土厚度要小于20cm。通过理论和实践我们可以看出，如果围岩的条件是中等稳定的，那么围岩出现碎胀变形的状况会较明显，而这样的状况将使巷道岩体出现裂缝或遭到破坏，就不得不用锚杆来对其进行控制防止变形。如果锚杆锚固端位于松动圈之外的岩体时，那么锚固端就是处于塑性区，这时我们就可以采用悬吊理论对锚杆参数来进行确定。这种状况下，锚杆的作用就是拉伸、挤压和加固，从而起到保持松动圈内岩体稳定的作用。

锚杆的长度确定方法。根据如下公式进行：L=LP+L1+L2

在公式中：L 表示的是锚杆的长度；LP 表示的是围岩松动圈的厚度；L1 表示的是锚杆在锚入松动圈后稳定围岩的深度；L2 表示锚杆外露的长度，在这里单位都是米。如何确定锚杆之间排距，我们假设锚杆间的排距是等距的，那么应满足下面的条件：

式中：D 表示锚杆间排距，m；Qmin 表示锚杆的最小锚固力，kN；γ 表示围岩的重力密度值，kN/m3。如何确定锚杆的直径，通过每根锚杆所吊的岩石重量来对锚杆直径进行计算，公式如下：

式中：d 表示锚杆的直径，mm；[σ]bios 锚杆体的许用应力，N/mm2。在所支护的巷道当中，如果岩石松动圈在1.5米以上的时候，巷道的围岩就会有较大的变形，此时对其增加支护强度以外，同时支护要有可缩性。实践证明，这种状况下可以使用一种锚喷网的支护结构。此结构的锚杆参数选择同上面所述原理相同，只是松动圈厚度如果较大，那么其锚杆也相应加长，安装起来就会增加难度，锚固效果也由于拉力加大效果会打折扣。如果是层状岩层，锚固点要选择坚硬的岩层，同时在巷道表面增加金属网同时进行喷层处理，使支护效果更为理想，也就说要根据具体条件而定。