煤矿井下快速开采巷道支护结构的优化研究

2021-04-08秦宇鹏

机械管理开发 2021年1期

秦宇鹏

（山煤集团霍尔辛赫煤业，山西长治 046000）

引言

随着煤矿井下综采作业深度的不断增加，井下巷道开挖后在综采扰动和矿压波动下巷道围岩变形量大、稳定性差，传统的浅层支护方案存在着支护效率低、支护强度不足的缺陷，给煤矿井下综采作业安全和效率造成了极大的影响。通过对巷道围岩破坏原因进行分析，发现深井处的围岩结构破坏通常是岩层层间的滑移破坏导致的，因此提出采用高预应力锚索和高强度锚杆[1]相结合的控制方案。

1 巷道围岩变形机理分析

对巷道围岩变形机理进行研究，确定井下巷道不稳定的主要因素，是进行支护结构优化的前提，通过以煤矿井下巷道围岩变形区域实际的地质勘探，得出导致综采作业过程中围岩变形的原因主要包括以下几个方面：

1.1 围岩应力遭到破坏

巷道在开挖过程中会破坏岩层内原有的应力平衡状态，使巷道四周的岩层产生非均匀对称的应力分布，增强了四周岩层内的剪切滑移力[2]，在综采作业过程中的扰动和矿压波动影响下，使顶板处的岩层受力分离，进而导致了围岩结构的破坏和变形，其结构破坏原理如图1-1 所示。

1.2 巷道围岩失稳

井下巷道顶板处的岩层结构强度差、多数处于裂隙发育地带，在外界不稳定性因素影响下会迅速的产生破坏，进而导致了巷道围岩的失稳，其结构破坏原理如图1-2 所示。

1.3 支护强度不足

传统浅层支护方案在支护过程中仅在支护区域铺设一层混凝土结构，并且不会设置锚固措施，在综采作业过程中一旦该区域出现渗水将导致该区域内岩层的吸水膨胀，使混凝土层开裂，在应力挤压作用下导致底板出现起拱变形，产生底鼓现象，其结构破坏原理如图1-3 所示。

1.4 支护结构不合理

巷道围岩支护的目的在于保持围岩地残余强度，提高在各种扰动作用下的稳定性，但采用锚杆固定式，由固持作用单一，无法对围岩产生足够的支护阻力，因此极易导致围岩出现变形，发生锚杆断裂、围岩垮落的事故，其结构破坏原理如图1-4 所示。

2 巷道围岩支护方案优化

图1 不同情况下的巷道围岩破坏机理示意图

根据巷道围岩的破坏机理分析，针对性地提出了井下巷道支护优化方案，即采用了高预应力锚索和高强度锚杆相结合的控制方案，在井下巷道围岩变形大的地方通过架设U 型架和控制底鼓的方案进行补强支护，同时在全断面处采用了注浆加强支护[3]方案，有效提升了井下巷道围岩的整体结构强度和在矿压波动下的稳定性，具体来说包括以下几个方面：

1）非对称支护。根据井下围岩的非对称剪切变形结构，针对性的采取非对称的加强支护结构，在易变形的地方架设U 型架，有效提高围岩的抗变形能力。

2）高预应力锚索和高强度锚杆联合控制。通过增加预固定应力值，提高支护时的初撑力和增阻速度，迅速的将巷道周围不稳定围岩稳固为一个刚柔结合的一体化结构，同时通过高强度的预应力锚索，将松动的岩块锚固到深处稳定的岩层内，提升抗扰动能力。

3）控制底鼓。由于巷道底板的底鼓现象多是由于围岩变形而产生的挤压流动型底鼓，因此在新的支护结构中采用了帮角锚杆进行加强，利用支护结构底板处的围岩塑性滑移线，实现对挤压力的分流，进而控制巷道底板的变形。

4）全断面注浆加强。为了解决巷道围岩在不稳定状态下的碎裂现象，采用了在岩层破碎处进行注浆加强的方案，使破碎区域的围岩形成一个稳固的连续体，同时流动的浆液顺着支护孔流入到锚杆支护系统内，形成了大深度锚索稳定支护，增强了和深处稳定岩层的拉力，提升了整体的支护稳定性。

优化后的井下巷道支护结构如图2 所示，在支护时，锚杆选用直径为20 mm，长度为2 400 mm 的右旋螺纹钢锚杆，设置时锚杆的间距为700 mm×700 mm，锚索选用直径为21.6 mm，长度为8 000 mm的钢绞线，设置间距为1 500 mm，U 型钢支护的过程中可采用可收缩型拱形支架[4]，分四节串联起来，在搭接处的长度设置为500 mm，搭接段的预紧力不小于 400 N·m。

采用优化支护结构后对巷道在综采作业过程中的稳定性进行监测，结果如图3 所示。由实际监测结果可知，优化后在60 d 内，顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量均不断增加，超过60 d 后均逐渐趋于稳定，最大的顶板下沉量约为143 mm，比优化前降低了67%，底鼓量最大为79 mm，比优化前降低了74.6%，两帮的移近量约为38 mm，比优化前降低了89.6%，由此可知，新的巷道支护结构能够显著提升井下巷道在综采作业过程中的稳定性。