建庄矿4-2205工作面胶带巷底鼓的防治技术

2021-07-28闫嘉平

机械管理开发 2021年6期

关键词：帮部底鼓胶带

闫嘉平

（陕西煤业集团黄陵建庄矿业有限公司，陕西黄陵 727307）

引言

围岩松软、开采深度增大等因素均会导致巷道围岩产生变形[1-2]。胶带巷作为煤炭运输的重要巷道，对于矿井系统正常运输具有重要作用，运输巷道围岩变形严重，尤其是底鼓严重，导致运输皮带不稳，运输系统中断[3-5]。

建庄煤矿4-2205工作面胶带巷部分区域出现严重巷道变形的情况，导致运输系统无法正常运行。为有效解决该问题，本文针对建庄矿4-2205工作面胶带巷底鼓现象进行模拟研究，根据数值模拟研究结果制定有针对性的支护措施。

1 4-2205工作面胶带巷概况

1.1 4-2煤层顶底板岩性

4-2煤层基顶为“砂岩”，岩性为长石砂岩和细粒长石石英砂岩，裂隙不发育。在不渗水情况下，单轴抗压强度55.3 MPa，水饱和时单轴抗压强度23.80 MPa。底板为含炭泥岩，干燥时单轴抗压强度46 MPa，实验室测试底板岩层遇水极易膨胀变形。岩石中伴有离层现象，通过单轴应力实验可知，较小的轴向应力变回导致岩石大尺度法向变形。岩层情况见表1。

表1 4-2煤层顶底板岩性

1.2 胶带巷断面及支护方式

采用锚网索桁架支护，顶板和帮部采用不同的支护方式。进行顶板支护时，单排使用锚索支护，双排采用锚杆支护，锚杆直径Φ20 mm，长度2.5 m，锚索直径Φ20 mm，长度3.5 m，锚网锚固锚索间距0.7 m，帮部使用锚杆锚固。整体设计如图1所示。

图1 巷道支护设计图（单位：mm）

2 巷道底鼓数值的模拟

为研究巷道底鼓问题变化规律，本文使用COMSOL软件对巷道变形规律进行模拟研究。对整个胶带巷围岩进行取样，将样本带到实验室进行岩石弹性模量等参数测量，同时对不同岩石的岩性进行了测试。根据实验参数进行数值模拟研究。建立模型几何参数和胶带巷基本参数一致。

模拟为瞬态过程，步长24 h，数值模拟总时间为120 d。模拟出巷道在受到地应力作用下，底板、行帮位置不同时间点的变形情况，30 d、60 d、90 d、120 d时，巷道周围岩体应力分布如下页图2—图5所示。

图2 30 d巷帮应力（Pa）分布云图

图5 120 d巷帮应力（Pa）分布云图

3 底鼓数值模拟分析

图3 60 d巷帮应力（Pa）分布云图

图4 90 d巷帮应力（Pa）分布云图

由图2—图5可知，巷道整体应力比较集中的位置为巷道底板，其次是巷帮，巷道断面顶部受到的应力比较少。随着时间的推移，底板应力增大趋势不断加剧。巷道底板受力状况为中间应力最大，两边逐渐递减的趋势。数值模拟为有限元分析法，根据分析，底板受到最大挤压应力为9.0×105Pa，最大水平位移为30 cm，意味着底板中部会出现较大岩石离层现象；应力由两边向中部蔓延，最终导致巷道断面中间大面积垮裂；行帮两侧距离地面30~120 cm区域应力比较集中，随着时间不断推移，巷道帮部水平位移量达到10 cm，如果不进行有效控制，将导致帮部岩层向巷道位置平移，最终形成大面积垮塌现象。顶部出现位移的反方向变形，岩层呈现内凹现象，该区域不采取措施，会出现折断现象。

按照设计进行巷道开挖之后，以建庄矿情况分析，底板出现形变是最大的，初始为中部上凸，当应力冲破岩层弹力极限，就会出现巷道中部大面积破碎现象；行帮也会出现以上现象。由于巷道底板为黏质砂岩，遇水会出现膨胀等现象，因此更容易造成底板不稳。

4 防治措施及效果考察

根据巷道数值模拟结果分析，巷道底板承受的应力最大，形变最严重，因此制定措施首先考虑底鼓现象，其次解决行帮问题。结合目前相关技术制定的底鼓防护措施有：

4.1 锚杆进行底板加固

岩层均为层状结构，顶板岩层也是如此。锚固结构可有效地将层状的岩石结构整体化，将已经产生的水平岩层裂隙封闭，保证岩层法相结构的连续性。同时有效地将相邻的不同岩层连接，形成组合结构，具体如图6所示。由于底板和顶板的差异性，底板施工钻孔时为下向孔，排渣难度大。同时，由于重力作用向下，因此底板锚固时可适当减小锚固长度，锚固长度为1.5~2 m，情况不是很严重的情况下，锚杆密度可适当减小，为800 mm×800 mm即可。