深井沿空掘巷支护技术研究

武书理 武泉林

(1.山西天地煤机装备有限公司；2.济宁学院安全工程技术中心)

深井沿空掘巷支护技术研究

武书理1武泉林2

(1.山西天地煤机装备有限公司；2.济宁学院安全工程技术中心)

在动载和静载的双重作用下，深井沿空巷道的稳定性会恶化。为了提高深井沿空巷道的支护质量，保证回采的安全性，确定深井沿空巷道的合理支护参数显得尤为重要。根据矿井地质条件，分析了深部沿空巷道的支护难点，并采用数值模拟的方法，分析了4，6 m煤柱宽度下的巷道位移，确定了深井沿空巷道的护巷煤柱宽度；通过计算，确定了锚杆和锚索的支护参数，并采用数值模拟方法对支护后的巷道变形进行了分析。结果表明,所设计的支护参数对围岩变形有较好的控制作用,能满足矿井安全生产的需要。

深井 沿空掘巷 支护参数 围岩变形

沿空掘巷是一项受地质采矿条件影响较大的工程，加之深部矿井静压大、动压显现剧烈等因素的影响，导致这种掘巷方式所带来的支护问题更加复杂多变[1-2]。因此，巷道的支护方案必须能够动态地平衡巷道围岩的变化，以提高支护系统的效率，保证巷道支护效果。科学有效的巷道支护技术不仅能够确保矿井的正常接续，改善工人的工作环境，提高矿井生产效率，而且能够减少巷道支护维修费用，增强巷道稳定性和安全性。

1 矿井及工作面概况

郭屯井田位于巨野煤田中北部，地理坐标为东经115°50′～116°0′0″，北纬35°27′00″～35°34′30″，北邻郓城县城，西距菏泽市约60 km，东距济宁市约75 km。矿井设计生产能力为240万t/a，采用立井开拓方式，设计3个井筒，主井深853 m，副井深883 m，风井深778 m。1303工作面煤(岩)层赋存特征见表1。

2 巷道保护煤柱宽度的确定

根据郭屯煤矿的地质条件及装备水平确定1301工作面沿空巷道互巷煤柱宽度为4和6 m，采用数值模拟的方法对2种宽度煤柱下1301工作面沿空巷道的矿压显现进行分析。图1为煤柱宽度分别为4,6 m时，沿空巷道的顶板位移情况。

由图1可见，未支护时，留设4 m煤柱垂直方向位移最大达到40 cm左右，而留设6 m煤柱时，最大位移达到了45.8 cm，说明留设4 m煤柱更加科学合理，而且留设窄煤柱可以提高煤炭回采率，改善工人工作环境。

表1 煤(岩)层赋存特征

图1 不同宽度煤柱条件下巷道垂直位移

3 深井沿空巷道支护设计

根据1303顺槽的特殊地质条件，确定1303顺槽采用锚网索复合支护结构。

3.1 锚杆长度计算

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为顶锚杆长度，m；H1为冒落高度，m；K为安全系数，一般取2；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.5 m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.1 m；Lb为帮锚杆长度，m；B为巷道开掘宽度，4.7 m；f为岩石坚固性系数，3.5。

计算得出顶锚杆长度Ld=1.94 m，帮锚杆长度Lb=1.81 m。

根据相关文献资料及煤矿具体地质条件[3-4]，此选用φ20 mm×2 200 mm无纵筋螺纹钢锚杆作为顶锚杆，φ20 mm×2 000 mm无纵筋螺纹钢锚杆作为帮锚杆，锚杆间排距为800 mm×900 mm。

3.2 锚杆施工技术要求

(1)用锚杆机施工设计深度的钻孔。

(2)把树脂药卷和组装好的锚杆推入规定的孔位，利用锚杆搅拌器把树脂推入孔中直到锚杆托盘离顶板20 mm左右；上推树脂时不能旋转，严禁把托盘紧压在顶板上。

(3)开钻旋转锚杆，不施加上推力，搅拌15～30 s，然后顺势上推锚杆，使托盘贴近顶板，托盘与顶板留有一定间隙。

(4)完成搅拌后等45～60 s，让树脂充分凝固。

(5)上紧螺母，在紧螺母时应给最大扭矩而不施加上推力，以最大限度上紧螺母。

(6)帮锚杆借助扭矩放大器上紧螺母，以达到规定的安装应力。

3.3 锚索长度计算

(5)

计算得出锚索长度Ls=2.54 m。锚索选用φ17.8 mm×6 000 mm左旋预应力钢绞线，间排距为2 400 mm×900 mm。

3.4 锚索施工技术要求

(1)钻孔深度大于锚索长度3～5 cm(从托盘到锚索前端的距离)。

(2)钻孔打好后，将选定的锚固剂推入钻孔，确保不使锚固剂外壳破裂。

(3)将安装好垫圈和托盘的锚索与锚固剂缓缓推入钻孔，直至推不动为止。

(4)将预先安装在钻机上的锚索搅拌器跟锚索尾部连接，快速搅拌锚固剂25～30 s，同时钻机推力要最大，确保锚索托盘靠近岩面。

(5)搅拌完10～15min后，用锚索涨拉器拉紧锚索，锚索预应力要达到80 kN。

(6)φ17.8 mm高强锚索的拉拔力需要大于300 kN，设计选用3只2350树脂，正常情况下可以满足锚索的拉拔力，应不定期进行锚索施工质量的拉拔力抽检。

4 支护数值模拟

为了验证支护方案的有效性和合理性，分别模拟巷道掘进10，50 m时在有无支护状态下的水平方向位移，见图2、图3。

图2 掘进10 m时巷道水平位移

图3 掘进50 m时巷道水平位移

由图2可见，当巷道掘进10 m时，在无支护条件下巷道右帮最大水平位移为15～20 cm，左帮位移为5～10 cm；而支护条件下巷道的右帮最大水平位移仅为3～5 cm，左帮位移为0～5 cm。相比之下支护时巷道右帮水平位移减少了12～17 cm，左帮水平位移减小了0～5 cm，支护效果明显。

由图3可见，当巷道掘进50 m时，最大水平位移减小量达到了23 cm，因此，所设计支护方式能有效地控制围岩变形，为掘进工作提供安全环境。

通过以上2组不同掘进程度下模拟两帮移近的效果来看，在既定支护方案下巷道变形明显减小，尤其是空帮一侧。由于采用的是非对称布置支护，所以沿空侧巷道的支护效果显著加强。同时也可以证实前面理论计算与工程类比所确定的支护方案是可以有效保证巷道的稳定性以及安全性的。

5 支护效果检验

图4为巷道掘进期间的围岩变形情况。可见，随着巷道的不断掘进，测点处的位移先快速增加，随后缓慢增加，最终达到稳定，在距离迎头100 m处巷道顶板最大位移为11.7 cm，两帮位移为10.4 cm，支护效果良好。

图4 巷道围岩变形

图5为掘进工作面掘进300 m时的支护效果。可见，巷道顶板没有出现大变形、片帮，没有出现网兜、离层等强矿压显现，因此，所设计的支护参数是合理经济的。

图5 巷道支护效果

6 结 论

(1)根据郭屯煤矿具体地质条件，模拟确定了沿空巷道的合理煤柱宽度为4 m。

(2)通过理论计算，分析了锚杆和锚索的长度，对支护参数进行了优化，并采用数值模拟的方法对支护参数合理性进行了论证。结果表明，所设计的支护参数可以满足生产需要。

(3)现场实践表明，所设计的支护参数使巷道围岩稳定性得到了极大改善，进一步论证了深井沿空巷道支护技术的合理性，对地质条件相似矿井的支护设计有一定的指导意义。

[1] 张亚琦.留窄煤柱沿空掘巷技术在晋城矿区的应用[J]，煤，2001,10(6):23-26.

[2] 李岩松.锚网喷支护技术在加固动压巷道中的应用[J].安全与健康,2004,5(1):12-15.

[3] 柏建彪,王卫军,侯朝炯,等.综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究[J].煤炭学报,2000,25(5):478-481．

[4] 侯朝炯,郭励生,勾攀峰,等.煤巷锚杆支护[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999.

2015-05-10)

武书理(1987—)，男，助理工程师，030006 山西省太原市小店区并州南路108号。