煤礦井下巷道不穩定性分析及控制技術研究

武潤生

（山西寧武德盛煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

巷道穩定性是煤礦井下綜采作業的關鍵，直接關系到井下的綜采作業效率和綜采作業安全，一旦出現巷道變形、垮塌，不僅影響井下綜采作業速度，而且可能會產生嚴重的人員傷亡問題，造成巨大的人員和經濟損失。為了確保綜采作業過程中巷道的穩定性，目前主要通過注漿加固、加密支護等方案來提升，但效率不足，無法滿足井下快速綜采作業的需求，同時在綜采面上也是采用交替支護的方案，無法根據綜采進度進行跟機支護，對井下綜采作業的穩定性和安全性產生了較大的影響。

本文在對巷道不穩定性原因進行簡單分析的基礎上，提出了一種具有較強通用性的井下錨桿、錨索聯合支護結構，在簡化支護結構的基礎上提升了支護強度，確保了強礦壓波動下巷道的穩定性。

1 巷道頂板不穩定性分析

影響井下巷道頂板不穩定的因素很多，主要包括綜采作業深度、煤炭硬度、采高、支護強度等方面，為了研究不同因素對巷道不穩定性的影響程度，利用matlab仿真分析軟件建立井下煤層模擬塊，根據煤層的特性設置煤層的硬度系數為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、不同支護強度情況下的巷道頂板穩定性情況進行仿真分析，不同煤炭硬度情況下的仿真分析結果如圖1所示[1]。

圖1 不同硬度情況下的仿真結果

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

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

2 錨網索聯合支護

在不穩定性高的巷道中，一般來說其截面較大、煤壁的硬度較小，傳統單依靠錨桿的支護結構穩定性較差，因此根據仿真分析結果，本文提出了錨網索聯合支護的模式，該支護結構具有較強的通用性，能夠將巖壁從雙向受力轉換為穩定性高的三向受力狀態[2]，從而能夠更好地起到穩定巷道的作用。通用性的巷道支護結構如下頁圖2所示。

圖2 巷道支護結構圖

由圖2可知，在支護時錨桿選用直徑為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時的物料種類，提升支護效率，降低物料轉運成本。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設置，頂板的間隔按700 mm×700 mm設置，錨固時均選用樹脂型的錨固劑，錨桿錨固時的預緊力設置為110 N·m，錨索的預緊力設置為150 kN。

3 自移式隨機支護

在傳統支護方案中，為了保證綜采面綜采作業的安全性，在新截割成型的區域需要進行臨時支護，確保綜采作業過程中的穩定性，但臨時支護一般采用人工交替支護，效率低、穩定性差，限制了井下綜采作業效率的進一步提升，因此本文提出了一種新型的自移式的隨機支護系統，該系統由幾個獨立的分支構成，能夠跟隨著掘進機的掘進來交替行走，實現隨掘進機的隨機支護，該自移式的隨機支護系統結構如圖3所示[3]。

由圖3可知，該系統主要包括了8組支架，這些支架通過可拆卸式鎖扣連接，支架的數量可以根據煤礦井下的實際情況調整，提高其使用時的靈活性。整個自移動式系統呈現拱形的結構，工作時該系統將掘進機主體防護起來，確保作業時的安全性。該系統中每個支架組均有兩個立柱支撐構成，通過液壓系統控制，可以根據巷道的高度來調整支護高度，同時實現跟機行走支護。頂支撐體結構采用了X形頂板，能夠適應不同頂板的支護需求，支護面積大、可靠性高。在支架的兩側設置有側支撐結構，主要用于對巷道側幫進行支護，提高使用時的可靠性。

圖3 自移式支護系統結構

4 應用效果

該新型巷道穩定性控制方案應用以后，在巷道頂板和兩邊設置位移監測裝置[4]，用于對綜采作業過程中巷道的穩定性進行監測，結果如圖4所示。

圖4 優化后巷道圍巖變形量匯總

由圖4可知，優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化前降低了67.5%，巷道兩幫變形量比優化前降低了59.4%。

同時根據優化后井下的綜采作業情況，經過實際對比分析，新的控制技術能夠將巷道支護效率提升11.8%，同時將綜采面人員數量降低32.1%，將綜采效率提升14.6%，對提升井下綜采作業效率和安全性具有十分重要的意義。

5 結論

1）煤層的硬度越大，巷道穩定性越高，支護力越強，巷道穩定性越高，綜采作業深度越大，巷道穩定性越差，綜采作業高度越大，巷道穩定性越差；

2）錨網索聯合支護具有較強的通用性，能夠將巖壁從雙向受力轉換為穩定性高的三向受力狀態，從而能夠更好地起到穩定巷道的作用；

3）自移式的隨機支護系統，能夠實現跟機自動支護，可靠性高、穩定性好。

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

5）新的支護結構，能夠將巷道支護效率提升11.8%，將綜采面人員數量降低32.1%，將綜采效率提升14.6%。