采掘巷道的支护平衡设计及效果监测

2021-09-21郝永亮

机械管理开发 2021年8期

郝永亮

（潞安集团寺家庄有限责任公司，山西昔阳 045300）

引言

煤矿采掘巷道的安全取决于工作面地质条件、所采取支护措施对巷道围岩的控制效果。随着综采工作面的不断延伸，传统的支护理念在某种程度上对巷道围岩的控制效果不佳，容易出现顶板下沉、两帮移近以及底板鼓等事故[1]。为此，需采用科学的支护设计理念在保证对巷道围岩良好控制的同时，还降低巷道支护成本。本文着重对巷道进行支护平衡设计，并对支护效果进行监测。

1 工程概况

本文所研究矿井的生产能力为240 万t/年，其开采方式为竖井开采，包括有主井、副井和风井。本文对该矿井四采区巷道进行研究。经探测，四采区巷道的煤层、地质条件具体描述如下。

四采区巷道煤层的厚度为1.1～3 m，煤层平均厚度为2 m；煤层的倾角范围为2°～6°，煤层平均倾角为4°。工作面的地质条件如表1 所示。

表1 矿区四采区工作面地质条件

除上述参数，四采区工作面瓦斯的绝对涌出量为0.23 m3/min;二氧化碳的绝对涌出量为0.32 m3/min。四采区巷道顶板处于裂隙发育状态，且相对松软容易破碎；四采区巷道的埋藏深度较大，地质构造复杂。

2 采掘巷道支护的平衡设计

2.1 支护平衡设计原则

四采区巷道还会受到周边工作面采煤、掘进的影响，整个巷道处于动态平衡状态。随着开采的进行，巷道的动态平衡被打破，使得巷道被严重破坏，主要表现为冒顶、巷道断面变形，从而给现场工作人员带来极大的安全隐患[2]。为解决巷道动态平衡被破坏无法有效控制巷道围岩的问题，本文采用平衡理念对其进行支护设计，并遵循如下原则进行：

1）支护实施后巷道围岩应力应与所采用的支护结构相匹，处于相对平衡状态；

2）结合四采区容易受到周围开采的影响，应加强对巷道沿空侧的支护；

3）巷道支护参数的设计应根据对现场矿压监测的结果进行，保证支护结构与矿压监测结果相适应；

4）所设计的锚杆的预应力应满足要求，确保其对顶板的有效控制，提升煤柱的支撑能力[3]。

2.2 支护参数的设计

根据四采区巷道的地质条件和矿压监测结果，拟设计三种支护方案。

方案一：顶锚杆直径为20 mm，长度为2 400 mm，锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm；帮锚杆的直径为20 mm，长度为2 000 mm，锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm，帮锚杆在工作面进行整体布置；顶板锚索的直径为21.6 mm，长度为6 000 mm，锚索间距为1 500 mm，锚索排间距为2 000 mm。顶锚杆和帮锚杆的预应力不小于5 t，顶板锚索的预应力控制在6～8 t。

方案二：顶锚杆直径为20 mm，长度为2 400 mm，锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm；帮锚杆的直径为20 mm，长度为2 000 mm，锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm，帮锚杆在工作仅对沿空侧和生产帮侧分别布置；顶板锚索的直径为21.6 mm，长度为6 000 mm，锚索间距为1 500 mm，锚索排间距为2 000 mm。顶锚杆和帮锚杆的预应力不小于5 t，顶板锚索的预应力控制在6～8 t。

方案三：顶锚杆直径为20 mm，长度为2 400 mm，锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm；帮锚杆的直径为20 mm，长度为2 000 mm，帮锚杆在工作面仅对沿空侧和生产帮侧分别布置，其中沿空侧帮锚杆的间距为800 mm，锚杆排间距为1 000 mm，生产帮侧锚杆的间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm；顶板锚索的直径为21.6 mm，长度为6 000 mm，锚索间距为1 500 mm，锚索排间距为2 000 mm。顶锚杆和帮锚杆的预应力不小于5 t，顶板锚索的预应力控制在6～8 t。

2.3 支护方案的确定

为得出最佳支护方案，根据四采区巷道建立数值模拟模型，并根据表1 中的地质条件对模型中的参数进行设计，对比不同支护方案下对应的巷道支护效果。考虑到篇幅有限，此处仅对不同支护方案下对应巷道支护效果进行对比分析，具体描述如下：

1）方案一与方案二对巷道围岩控制效果相差不大，两种支护方案下整个巷道塑性变形区域较小，说明方案二已经能够对巷道进行较好的控制。

2）方案三与方案二相比，巷道顶板的变形范围增加且对应的塑性变形区域也增加。

综上所述，采用方案二比方案三对巷道有更佳的控制效果；而方案一与方案二具有同等的支护效果，但其成本较高。因此，最终选用方案二对四采区巷道进行支护设计。其对应的巷道支护断面如图1所示。

图1 四采区巷道支护断面图（单位：mm）

3 巷道支护效果监测

巷道支护效果一般通过对巷道支护后的综合观测和日常观测得出结论[4]。本文着重对巷道的表面位移进行观测，采用十字布点法完成，并对一年内巷道表面位移进行监测，包括顶板的下沉量、底鼓量以及两帮移近量。监测结果（只截取其中6 个监测点的监测数据）如表2 所示。

如表2 所示，在巷道生产初期顶板、两帮以及底板的位移量变化较快；随着生产的进行，巷道顶板、两帮以及底板的位移量出现多次动态平衡后最终达到稳态，这是由于巷道的生产导致围岩的应力平衡多次被打破后在支护条件下最终对其围岩应力达到稳定控制。最后，巷道顶板的下沉量稳定在110 mm，地鼓量达到78 mm，两帮移近量达到67 mm。