二龍煤礦大變形巷道支護設計研究

摘 要：本文依據二龍煤礦煤層地質概況，采用動態信息設計結合理論分析對二龍煤礦巷道錨桿支護方案進行研究，得出二龍煤礦1207工作面變形控制巷道的支護方案，確定二龍煤礦巷道圍巖破壞深度，二龍煤礦巷道頂部、幫部錨桿長度、間距及數量。

關鍵詞：變形；錨桿；巷道控制；支護方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.065

0 引言

二龍煤礦位于盈余山向斜的西翼，二龍煤礦埋深西部較淺，東部埋深較大，井田南北長7.32km、東西寬度2.15km，面積18.76km2 。二龍煤礦主斜井口地面標高+1517m，現開采的水平標高為+1121m，煤田地質構造復雜，斷層發育較多，因為造成煤巖連續性較差，另外煤層埋深較大，礦山壓力顯現強烈，工作面在回采過程中，巷道變形嚴重，普通巷道支護方式難以取得很好的效果，維修費用巨大，并且占用大量的人力物力，并且還會影響采區的正常生產和礦井二水平開拓延深。例如，二龍煤礦在2012年采取維修方式修復巷道6.23km，占礦井全部巷道進尺的52.5%，維修成本年均花費3500萬，其中個別地質條件特別復雜段巷道反復整修。因此，由于生產需求，急需解決二龍煤礦的巷道變形大的支護難題。通過理論研究確定最優的支護方案。

大量研究表明，大變形巷道主要因為巖體本身整體性差，強度較弱，巷道開挖后自穩能力較弱，加之采動及埋深影響，進一步加劇巷道變形。但是合理設計巷道的支護形式、參數能夠有效控制巷道變形，進而減弱巷道變形對巷道造成的破壞和損失，提高礦井經濟效益。巷道支護形式與對于控制巷道變形影響緊密。錨桿支護對于防止巷道因變形而破壞具有明顯的優越性。錨桿支護屬于柔性支護、主動支護，它隨圍巖的整體位移而移動，錨桿支護可以吸收巷道變形積聚的能量，在巷道發生大變形后仍可保持其支護作用。因此軟巖大變形巷道采用錨桿支護可以有效的抵抗巷道變形影響。對于大變形巷道控制變形，進而吸取變形能是支護設計是一項關鍵技術，合理的支護形式和支護參數可以充分發揮錨桿支護的優越性，并且提高巷道的抗變形能力。

1 大變形巷道支護分析

任何巷道的設計都是一個動態完善的剛才，不是一次完成的。動態信息設計法需要利用每個設計環節提供的信息，并且進行收集、分析、反饋。對于變形控制巷道，該設計方法包括4部分：（1）巷道變形危險性評價、（2）巷道初始設計、（3）井下礦壓監測、（4）信息反饋及修正設計。巷道變形控制性評價目前主要采用綜合指數法進行評價，包括地質因素和開采技術因素，為巷道的初始設計提供基礎參數；初始設計以理論分析設計和數值模擬計算方法為主，并采用工程類比設計法確定合理的初始設計參數；將初始設計實施于現場，并進行巷道圍巖監測；最后根據監測結果評價巷道的支護效果，以及巷道的抗沖擊能力，必要時修正初始設計。

1.1 巷道變形控制性評價

對于巷道變形，我們可以采用綜合指數法評價巷道變形控制性評價。簡單而言主要包括以下幾方面：

（1）煤巖的物理力學性質。對試樣進行抗拉、抗壓測試，通過計算得出彈性能指數、單軸抗壓、抗拉強度。

（2）頂板巖層結構組成，厚層堅硬頂板結構容易聚積彈性能，進而造成附近區域巷道變形嚴重。

（3）地質構造及圍巖結構對巷道變形的影響。實踐證明，斷層、褶曲等地質構造對變形控制巷道變形有較大影響，尤其是斷層區域，破壞嚴重，煤巖體大多呈塊狀，連續性、膠結性差。

（4）采掘影響。工作面與采空區的位置關系，以及巷道掘進與采動影響的時間關系、采動次數等，是影響巷道變形的重要因素。

綜上所述，二龍煤礦回采的二采區埋深變化大，頂板中存在一層距離巷道較近的厚層砂礫巖，采區內斷層比較發育，并且經過力學實驗測定巷道周邊煤巖體強度較低，輸入二類軟巖。因而巷道掘進過程變形較大。

1.2 初始設計

在巷道變形控制性評價的基礎上，采取理論計算的方法，根據巷道圍巖參數和已有的實測數據確定出有針對性的支護參數。進行巷道支護設計，可分析巷道圍巖位移、應力計破壞范圍分布，支護體受力狀況；不同支護方案的支護效果；確定合理的支護參數。對于具有變形控制性的巷道，需計算各種支護方案的巷道抗變形能力，最后確定適合控制變形巷道的支護參數。

1.3 變形控制巷道的全面監測

根據理論計算確定的支護方案，進行井下施工后，本礦井主要以1207工作面為研究對象，為檢驗效果，必須對施工巷道進行合理、全面的監測。監測內容主要包括巷道表面位移。

1.4 完善支護設計

根據實測數據評價理論支護方案對巷道的抗變形能力進行評價，若初始設計沒有達到預期的控制巷道變形的能力，則需要對初始設計進行修改，完善支護設計及優化支護參數。

2 1207工作面巷道支護參數設計

根據二龍煤礦一采區已經回采的工作面巷道變形特點為依據，進行二采區工作面巷道變形控制支護方案的設計，確定該工作的巷道存在強變形控制性。采用錨桿動態信息設計法進行錨桿、錨索聯合支護參數的計算。理論計算以自然平衡拱理論為依據。

2.1 圍巖破壞范圍計算

圍巖破壞的深度對于巷道支護方案選擇至關重要，破壞深度淺巷道支護方案就簡單，破壞深度越大，代表巷道變形越大，巷道圍巖越破碎，煤層巷道煤幫破壞深度C（m），根據現場相關數據，由下式確定：

式中KCX取1.23；取2.5kN/m3；H取1000m；B取1；單軸礦壓強度19Mpa，所以取1.9；h取5m；取30°。

根據C的計算結果可以判斷圍巖破壞情況，經過理論計算可知，表征煤巖體破快，二龍煤礦1207巷道圍巖處于破壞狀態。

利用相對于層理的發線計，進行二龍煤礦巷道頂板巖層的破壞深度，按如下公式進行計算：

2.2 確定工作面巷道圍巖壓力

圍巖壓力對于確定巷道斷面，錨桿錨固力以及頂板支架壓力有重要影響，具體按照下述公式：

2.3 確定二龍煤礦二采區支護錨桿長度

頂板錨桿長度： 頂部錨桿取2.4m。

煤幫錨桿長度： 煤幫錨桿取2.4m。

2.4 確定二龍煤礦合理的巷道錨桿間排距

錨桿排距（m）按下式確定：

錨桿排拒取0.7m。

式中：z為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額定深度，取0.35m。

錨桿錨固力大小對于巷道支護至關重要，根據二龍煤礦實測巖石硬度確定錨桿錨固力大小，按如下公式計算：

利用力的平衡確定二龍煤礦巷道錨桿支護密度，即每排錨桿的數量：

二龍煤礦巷道頂板每排錨桿數取5。

通過理論計算，確定二龍煤礦圍巖壓力，巷道破壞深度以及錨桿的長度及密度。最終確定二龍煤礦巷道頂板錨桿支護方案。

3 支護效果檢驗

二龍煤礦在回采1207工作面期間科學合理的對巷道變形特征及錨桿受力特征進行動態監測。通過變形收斂儀進行巷道收斂變形監測。回采期間共建立四個監測臺站，巷道試驗區域每15m設置一組巷道收斂變形觀測點，每隔4天記錄一次監測數據。試驗巷道每7.5m還設一個錨桿錨固力觀測站，每個測站安裝2臺錨桿測力計對錨桿錨固力計進行監測。監測數據每1天收集一次。以便對不同地點不同時期的錨桿初錨力、工作錨固力有一個比較準確的監測。

通過回采期間的數據觀測和分析表明，二龍煤礦1207工作面巷道的頂底板收斂變形量較小，但有個別U型鋼棚卡子的螺栓被拉斷現象。巷道支護段的頂板離層量小，巷道圍巖整體性比之前有較大改善，巷道整體收斂變形，數據分析可知頂底板移近速度平均82.5mm/月。錨桿錨固力在監測期間隨巷道變形量增加而變大，但整體上未超出其設計最大錨固力。通過現場對巷道變形及錨桿錨固力的監測表明巷道錨桿支護方案設計合理。

4 結論

根據二龍煤礦1207工作面的地質概況，通過理論分析。采用動態信息設計法進行錨桿支護參數的計算，得出二龍煤礦1207工作面變形控制巷道的支護方案。確定二龍煤礦圍巖破壞深度，巷道頂部、幫部錨桿長度，錨桿間距及錨桿數量。

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作者簡介：楊瀧（1992-），貴州天柱人，從事礦山壓力與控制研究。