三軟煤層回采巷道支護技術研究

鄧應明,艾德春,謝小平*,安　鑫,楊　啟（貴州六盤水師范學院礦業工程系,貴州　六盤水　553004）

三軟煤層回采巷道支護技術研究

鄧應明,艾德春,謝小平*,安鑫,楊啟
（貴州六盤水師范學院礦業工程系,貴州六盤水553004）

基于某典型礦區三軟煤層回采巷道合理支護的問題，運用現場實測、數值模擬和理論分析相結合的方法，研究了三軟煤層回采巷道變形破壞的機理，提出了采用錨網索+鋼筋托梁聯合支護技術，并數值模擬確定了聯合支護的技術參數。通過對該典型礦區進行三軟煤層回采巷道合理支護技術的研究，可為其它具有相似地質條件的巷道支護設計提供參考和借鑒。

三軟煤層；數值模擬；錨桿；巷道支護

0　引言

隨著我國煤礦開采技術的不斷發展，對于安全高效開采也提成了更高的要求，而對于三軟煤層的開采，常常出現巷道布置和維護困難的難題[1,2]。三軟煤層巷道圍巖變形不協調而容易失穩和離層，導致巷道變形破壞明顯[3,4]。某礦區的主采煤層為5上煤層，屬典型的三軟煤層。改擴建后的礦井設計生產能力為3.0M t/a。原有礦工鋼梯形棚支護形式難以適應三軟煤層條件，巷道頂板破碎、底板鼓出、兩幫內擠，巷道雖經過多次加固和返修，變形依然嚴重，難以滿足礦井安全高效開采的要求。因此，進行巷道錨網索聯合支護技術的研究具有顯著的意義。

1　工程概況

某典型礦區的主采煤層為5-1煤層，5-1101工作面是該煤礦的首采工作面，5-1103工作面是該煤礦的第二個工作面，護巷煤柱寬30m。采用傾向長壁放頂煤技術開采，工作面長150m，可推進長度900m，機采高2.4m，放煤高度2.6m。工作面巷道位置圖如圖1所示。

5-1煤層埋深200～300m，煤層厚度2.85～6.15m，平均4.75m.，傾角2°～13°，平均7°，單向抗壓強度2～10MPa，煤質松軟，屬于軟煤層；直接頂為泥巖，易風化破碎，厚度0.72～17.32m；基本頂為細粒石英砂巖，塊狀構造，細粒結構。底板為軟弱黑色泥巖，厚度1.15～4.60m，屬于為典型的三軟煤層條件。

2　巷道原支護方式及礦壓分析

5-1-103工作面綜回采巷道為梯形斷面，頂板凈寬3.2m，底板凈寬4.0m，原有支護支護采用11#礦工鋼梯形棚支護，棚距為1m，采用構木進行“八?八”盤幫。

受工作面采動的影響，5-1-1011和5-11012回采巷道變形量大，棚式支護不能對后期回采巷道進行圍巖位移的有效控制。5-1-1031回采巷道在不受采動影響條件下，兩幫移近量及底鼓量也較大，棚式支護也不能對前期新開掘巷道進行巷道變形控制，并且頂板軟弱風化，易破碎，棚式支護無法有效控制頂板巖石的冒落。因此，棚式支護不滿足三軟煤層回采巷道支護的要求，設計方案變更為錨網索聯合支護。

3　三軟煤層巷道支護數值模擬分析

3.1模型建立

采用通用離散元軟件UDEC4.0[5]，結合該典型礦區現場生產地質條件，該煤礦煤層巷道沿5-1號煤層沿底板掘進，巷道斷面（寬×高）4.0m×3.0m。構建數值計算模型，施加上覆巖層的自重載荷上邊界載荷按采深200m計算，巷道圍巖本構關系采用摩爾-庫倫模型。模型總體尺寸為（寬×高）50×30m，構建模型如圖2所示。

3.2模擬方案選取

根據現場實際及理論計算設計錨網索聯合支護方案錨桿長度模擬方案如下：方案一，頂錨長度為2m；方案二，頂錨長度為2.2m；方案三，頂錨長度2.4m，詳細方案見表1。

表1　錨桿長度設計參數

3.3錨桿長度數值模擬結果分析

采用三種不同方案支護，巷道圍巖變形曲線圖如圖3所示。

通過圖3可以得出：（1）當錨桿間排距相同時，通過改變錨桿長度，頂板模擬下沉量從323mm減少至72.3mm，底鼓量改善較小，兩幫移近量從277mm降至66.9mm，可見通過加強錨桿的強度和長度，可有效改善兩幫移近量；（2）當錨桿間排距相同時，通過改變錨桿長度，當錨桿長度由2.0m加長到2.2m時，頂板下沉量減少了100mm，兩幫移近量減少了67mm；由2.2m加長到2.40m頂板下沉量減少了123mm，兩幫移近量減少了115.3mm；錨桿長度由2.4m加長到2.6m時，頂板下沉量減少了27.7mm，兩幫移近量減少了27.8mm。可以看出，當錨桿長度增加到一定長度時，再增加錨桿長度，對巷道圍巖控制的效果不明顯。

巷道周邊塑性區分布模擬結果如圖4所示。

通過圖4可以看出：

（1）巷道周圍塑性區主要分布在兩幫煤壁中，影響半徑小于5m，頂板塑性區主要分布在巷道兩測肩角上方，底板塑性區分布于巷道底角下方。頂板和底板塑性區影響范圍較大；

（2）彈性區主要分布在兩幫煤壁中，影響半徑很廣。頂板和底板中彈性區主要集中在巷道中部，類似扇形分布，且底板中彈性區較頂板彈性區分布廣；

（3）觀察方案一至方案三塑性區分布可知：隨著錨桿長度增加，支護強度增加，巷道周圍塑性區分布范圍逐漸減小。在方案三中，塑性區已變得很小，說明巷道得到了有效支護。

通過以上分析得出：該典型礦區三軟煤層回采巷道頂錨桿采用Φ22×2.40m左旋螺紋鋼錨桿，間排距800×800mm，并架設鋼筋梯，頂網為金屬網。幫錨桿采用Φ18×1.80m圓鋼錨桿，間排距800×800mm，幫網也采用金屬網，錨索長度為8.90m，間排距為1600×2400mm，錨索安裝角20°。巷道支護設計斷面如圖5所示。

4　結論

依據科學采礦思路，研究我國典型礦區三軟煤層開采中存在問題，基于三軟煤層回采巷道合理支護技術的狀況，發展錨網索聯合支護技術是解決受動壓影響下三軟煤層回采巷道變形嚴重的一種有效途徑。通過對該典型礦區5-1-103工作面回采巷道錨網索聯合支護技術參數的優化設計，將大大改善三軟煤層回采巷道圍巖變形現狀，可為其它具有相似地質條件的三軟煤層回采巷道合理支護優化設計提供參考和借鑒。

[1]韓玉鑒.大斷面三軟煤層煤巷掘進防片幫與冒頂技術研究[J].河南理工大學學報（自然科學版）,201,38(04):391-397.

[2]張永進.孔莊礦%三軟&煤層巷道錨桿支護技術研究與應用[J].能源技術與管理,2011(06):43-45.

[3]魯巖,方新秋,柏建彪.基于模擬優化確定深井軟巖巷道錨桿支護技術的應用[J].煤炭工程,2007(04):25-28.

[4]趙義華,李新龍.平禹一礦三軟煤層巷道錨桿支護技術[J].中州煤炭,2010,(05):18-20.

[5]王金安,陳元麒等.巖土工程數值計算方法實用教程[M].福建:科學出版社,2010.

謝小平

鄧應明（1992—），男，貴州石阡人，貴州六盤水師范學院采礦工程系采礦工程專業本科生，主要從事:煤礦方面的研究工作。