煤礦井下巷道不穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)研究

武潤生

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

巷道穩(wěn)定性是煤礦井下綜采作業(yè)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到井下的綜采作業(yè)效率和綜采作業(yè)安全，一旦出現(xiàn)巷道變形、垮塌，不僅影響井下綜采作業(yè)速度，而且可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡問題，造成巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。為了確保綜采作業(yè)過程中巷道的穩(wěn)定性，目前主要通過注漿加固、加密支護(hù)等方案來提升，但效率不足，無法滿足井下快速綜采作業(yè)的需求，同時在綜采面上也是采用交替支護(hù)的方案，無法根據(jù)綜采進(jìn)度進(jìn)行跟機(jī)支護(hù)，對井下綜采作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生了較大的影響。

本文在對巷道不穩(wěn)定性原因進(jìn)行簡單分析的基礎(chǔ)上，提出了一種具有較強(qiáng)通用性的井下錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，在簡化支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提升了支護(hù)強(qiáng)度，確保了強(qiáng)礦壓波動下巷道的穩(wěn)定性。

1 巷道頂板不穩(wěn)定性分析

影響井下巷道頂板不穩(wěn)定的因素很多，主要包括綜采作業(yè)深度、煤炭硬度、采高、支護(hù)強(qiáng)度等方面，為了研究不同因素對巷道不穩(wěn)定性的影響程度，利用matlab仿真分析軟件建立井下煤層模擬塊，根據(jù)煤層的特性設(shè)置煤層的硬度系數(shù)為1，其彈性模量為3.69 GPa，工作時的壓力取27 kN/m3，對不同綜采深度、不同煤炭硬度、不同采高、不同支護(hù)強(qiáng)度情況下的巷道頂板穩(wěn)定性情況進(jìn)行仿真分析，不同煤炭硬度情況下的仿真分析結(jié)果如圖1所示[1]。

圖1 不同硬度情況下的仿真結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可知，煤層的硬度越大，在礦壓作用下煤壁受到的破壞越小，穩(wěn)定性越高，反之在礦壓波動下煤壁的穩(wěn)定性越差，巷道越容易出現(xiàn)片幫等。

按以上方案分別對其他幾個影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明開采深度越大，巷道頂板的穩(wěn)定性越弱，特別是當(dāng)綜采深度超過800 m時必須對井下巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，否則將嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定性和綜采作業(yè)安全。在綜采作業(yè)過程中采高越大，工作過程中巷道的穩(wěn)定性越差，煤壁的剪切力破壞越嚴(yán)重。支護(hù)時的支護(hù)強(qiáng)度越大，對抵抗巷道變形的能力就越強(qiáng)，巷道就越穩(wěn)定。

2 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)

在不穩(wěn)定性高的巷道中，一般來說其截面較大、煤壁的硬度較小，傳統(tǒng)單依靠錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，因此根據(jù)仿真分析結(jié)果，本文提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的模式，該支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的通用性，能夠?qū)r壁從雙向受力轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定性高的三向受力狀態(tài)[2]，從而能夠更好地起到穩(wěn)定巷道的作用。通用性的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，在支護(hù)時錨桿選用直徑為22 mm，長度為2 400 mm的錨桿，其通用性較高，能夠減少井下巷道支護(hù)時的物料種類，提升支護(hù)效率，降低物料轉(zhuǎn)運(yùn)成本。錨索選用直徑為18.6 mm，長度為6 400 mm的錨索。錨桿布置時巷幫的間隔按700 mm×800 mm設(shè)置，頂板的間隔按700 mm×700 mm設(shè)置，錨固時均選用樹脂型的錨固劑，錨桿錨固時的預(yù)緊力設(shè)置為110 N·m，錨索的預(yù)緊力設(shè)置為150 kN。

3 自移式隨機(jī)支護(hù)

在傳統(tǒng)支護(hù)方案中，為了保證綜采面綜采作業(yè)的安全性，在新截割成型的區(qū)域需要進(jìn)行臨時支護(hù)，確保綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，但臨時支護(hù)一般采用人工交替支護(hù)，效率低、穩(wěn)定性差，限制了井下綜采作業(yè)效率的進(jìn)一步提升，因此本文提出了一種新型的自移式的隨機(jī)支護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由幾個獨(dú)立的分支構(gòu)成，能夠跟隨著掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)來交替行走，實(shí)現(xiàn)隨掘進(jìn)機(jī)的隨機(jī)支護(hù)，該自移式的隨機(jī)支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。

由圖3可知，該系統(tǒng)主要包括了8組支架，這些支架通過可拆卸式鎖扣連接，支架的數(shù)量可以根據(jù)煤礦井下的實(shí)際情況調(diào)整，提高其使用時的靈活性。整個自移動式系統(tǒng)呈現(xiàn)拱形的結(jié)構(gòu)，工作時該系統(tǒng)將掘進(jìn)機(jī)主體防護(hù)起來，確保作業(yè)時的安全性。該系統(tǒng)中每個支架組均有兩個立柱支撐構(gòu)成，通過液壓系統(tǒng)控制，可以根據(jù)巷道的高度來調(diào)整支護(hù)高度，同時實(shí)現(xiàn)跟機(jī)行走支護(hù)。頂支撐體結(jié)構(gòu)采用了X形頂板，能夠適應(yīng)不同頂板的支護(hù)需求，支護(hù)面積大、可靠性高。在支架的兩側(cè)設(shè)置有側(cè)支撐結(jié)構(gòu)，主要用于對巷道側(cè)幫進(jìn)行支護(hù)，提高使用時的可靠性。

圖3 自移式支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用效果

該新型巷道穩(wěn)定性控制方案應(yīng)用以后，在巷道頂板和兩邊設(shè)置位移監(jiān)測裝置[4]，用于對綜采作業(yè)過程中巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后巷道圍巖變形量匯總

由圖4可知，優(yōu)化后巷道頂板的移近量約為113 mm，巷道兩幫的最大移近量約為84 mm，巷道頂板變形量比優(yōu)化前降低了67.5%，巷道兩幫變形量比優(yōu)化前降低了59.4%。

同時根據(jù)優(yōu)化后井下的綜采作業(yè)情況，經(jīng)過實(shí)際對比分析，新的控制技術(shù)能夠?qū)⑾锏乐ёo(hù)效率提升11.8%，同時將綜采面人員數(shù)量降低32.1%，將綜采效率提升14.6%，對提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

1）煤層的硬度越大，巷道穩(wěn)定性越高，支護(hù)力越強(qiáng)，巷道穩(wěn)定性越高，綜采作業(yè)深度越大，巷道穩(wěn)定性越差，綜采作業(yè)高度越大，巷道穩(wěn)定性越差；

2）錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)具有較強(qiáng)的通用性，能夠?qū)r壁從雙向受力轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定性高的三向受力狀態(tài)，從而能夠更好地起到穩(wěn)定巷道的作用；

3）自移式的隨機(jī)支護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)跟機(jī)自動支護(hù)，可靠性高、穩(wěn)定性好。

4）優(yōu)化后板變形量比優(yōu)化前降低了67.5%，巷道兩幫變形量比優(yōu)化前降低了59.4%；

5）新的支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑾锏乐ёo(hù)效率提升11.8%，將綜采面人員數(shù)量降低32.1%，將綜采效率提升14.6%。