深井高应力巷道围岩变形特征及控制对策研究

2022-05-11高鹏辉

山西化工 2022年2期

高鹏辉

（山西乡宁焦煤集团富康源煤业有限公司，山西临汾 041000）

引言

对煤层开采而言，巷道支护是其最主要的技术，其用途可以把围岩变形减小。现在，由于矿井结构不同，所以使用的锚杆支护方式也不同，锚杆支护方式的取得与相应的应用性是以经验计算与围岩分类为基础、以理论计算措施为基础、基于实施场地所监测到的数据。本文以富康源矿10502 工作面为工程背景，采用数值模拟软件来研究在支护参数不同时巷道围岩的应力场分布，并提出巷道支护的计划，给矿井生产安全性提供了根据。

1 矿井概况及数值模拟分析

富康源矿位于位于乡宁县台头镇神角村，井田面积为9.75 km2，设计生产能力120 万t/a，井田地质构造简单。10503 工作面位于二采区西翼，地面标高+2 183 m～+2 222 m，工作面埋深147 m～262 m，北部10502 工作面已经回采稳定，工作面南部未采动，目前主采5#煤层，煤层厚度为5.53 m～6.83 m，平均厚度为6.1 m。采用数值模拟软件能够完支护参数不同时应力场的计算与分布，分析在锚杆锚固方式不同时围岩的应力场，不同锚杆锚固应力场分布云图，如图1 所示。

图1 不同锚杆锚固应力场分布云图

由图1 可知，应力分布云图由于不同的支护方法而明显不同。当支护选取端部锚固时，锚杆有非常广的作用，可是应力在其自由段的中心处比较小；在选取加长锚固的时候，就应力的作用而言，端部锚固的范围大于现在锚杆的范围，可是后者的应力区域比前者的厚度增厚；在选取全长锚杆进行支护时，由于锚杆的作用区域不大，所以导致减小了应力区域的厚度。经过比较能够得知，端部锚固方法比加长锚固与全长锚固的锚固成效要好。在固化树脂锚固剂之后，预应力恰当的上升，就能显著改进除端部锚固之外的两种锚固方式锚杆进行支护的成效。经过选取此结构，能够把锚杆的长度适当的减少。模拟锚杆锚固不同时的应力场分布云图，如图2 所示。

图2 不同锚杆锚固应力场分布图

如图2 所示，由于顶板上的角锚杆的不同，所以其角度也会不同，会有非常显著的应力场分布差异，可是还有相同的地方。在中部锚杆和角锚杆产生的应力区域有重复区域发生时，在顶板的位置所形成的应力范围比较广、比较厚，锚固区中本范围所占面积的比例非常大，在这时，对锚杆进行支护的成效最佳。在锚杆角度是下降走向时，中部锚杆与角锚杆所产生的压应力区有非常明显的重叠。在图2-3 中能够发现，角锚杆的角度与压应力的重叠范围呈反比，所以能够发现，在用锚杆支护巷道时，这样分布是最佳的，即为垂直分步，按照实际情况，保证角度小于15°。毛笋支护下应力场分布云图相似于锚杆支护下应力场分布云图，所以锚索参数的确定可以选取相同的方式。通常来说，由于要把支护成效考虑进去，要对以下参数进行全面考虑，如锚索的预应力、长度、强度及直径，围岩变形的控制能够通过高预应力来实现，所以支护的成效最好。

2 巷道支护原则

1）一次支护的原则。由于要预防重复支护所导致的岩体有裂隙，所以要最大程度的对一次支护进行保护，为了使围岩变形在一次支护之后得到控制提供保障。并且一次支护的原则的优点是能实现对围岩变形进行控制的目标、为硐室与巷道的稳定提供保证，维修费用降低、使生产的安全性得到保证。

2）分散预应力与高预应力的原则。充足的预应力可以由锚杆支护所实现，唯有在预应力到达规定值时，支护方能从被动变为主动，此时的支护成效最好，分散预应力与高预应力的原则要使锚杆的预应力得到保障，还要对其预应力进行提高，如使用钢带、托板等构件来实现，把支护的区域扩大，使整个支护的稳定性得到提高。

3）“三高一低”的原则。“三高一低”的原则即为确保支护具有的较高的可靠性、刚度、强度，并把支护的密度减小。不但要把支护密度减小而且还要确保其强度，使其经济效益提高。

4）支护的刚度和临界支护强度的原则。其原则就是对两者的刚度值而言，确保支护强度的就要比临界支护强度要大，方能使长时间支护的稳定性得到保障，可以对预防破坏围岩变形进行控制。

5）相互匹配的原则。在对锚杆锚索进行支护时，要保证所有的部位零件是彼此互相匹配的，其匹配可以体现在空间和时间上，能够把所有零件所对应的功能给发挥出来，使支护成效最佳得以实现。

3 巷道支护技术参数

巷道的参数与锚杆锚索的具体尺寸是相互适合的，使井下能够实现其操作得到保障，支护效率的提高能够通过本原则来实现。在顶板中，稳定顶板中就有石灰岩顶板，而且其厚度是2.7 m，从原则上来说可以不支护，因为在煤层的顶板内，把厚度为2 m 的一层泥岩夹杂在上层与下层石灰岩中，岩性有比较大的差异，无法协调变形时，极易有离层发生在顶版岩中，会有冒顶出现，所以，以之前的支护为基础，选取锚索来把支护增强。以下就是锚索间的排距的详细参数：由于要考虑顶板岩石具有不同的性质和锚固段的尺寸等，所以选用的锚索的直径与长度分别为15.2 mm、7 200 mm，其钻孔的直径是28 m，选取的布置方法是“三三”，锚索和锚索之间的排距是800mm×4 000 mm，能够保证锚杆所具有的锚固力在200 kN以上，预紧力在120 kN 以上，在锚固锚杆时，要把3个锚固剂作用在1 根锚杆上。以下就是确定的煤柱帮锚杆支护的有关参数:

由于要把支护的强度考虑进去，所以，支护所用的左旋螺纹钢锚杆的D18 mm，长为2 000 mm，强度在335 MPa 以上。锚杆之间的排距是800 mm×800 mm，并把每3 根锚杆设置在每1 排，3 根锚杆中的任意1 根都与相同数量的树脂锚固剂相互配合着应用，由于要使其支护强度得到保障，所以，其预紧力要在150 N·m 以上，锚固力在80 kN 以上，托板配合锚杆来应用，其高度要在36 mm 以上。网片在进行支护时会使用的到，以下就是其规格：网片的网孔是菱形的，其网孔的规格是50 mm×50 mm，网片的整体长度与宽度分别是2 700 mm、1 000 mm，在安装网片时，要把其安装在紧挨着煤壁，确保搭接的长度在200 mm 以上，并且可以使用铁丝来稳固网片，铁丝的长度是200 mm。在支护时，还会有钢筋梯子梁被使用，以下就是钢筋梯子梁的具体规格：其直径、宽、长分别为14 mm、80 mm、2.4 m，并经过对圆钢进行加工而形成的钢筋梯子梁。M20 型号螺母和锚杆是匹配的，规格为120mm×120 mm×10 mm，钢号是Q235 的托盘和M20 型号螺是相匹配，并且要保证其高度在36 mm 以上。