下霍礦2305 運輸順槽掘進及支護技術研究

李建民

（山西三元煤業有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

煤礦開采過程中，巷道圍巖控制至關重要[1]。圍巖支護強度足夠，才能保證巷道不會出現下沉、片幫等問題[2-3]。我國專家學者之前主要針對支護存在的問題進行針對性研究[4-6]，關于支護措施安全性科學評價研究較少。對下霍煤礦2305 運輸順槽支護措施下圍巖演化規律進行模擬研究，根據應力分布情況對巷道支護設計措施進行評價，并對支護區域進行頂板觀測考察驗證。

1 工程概況

2305運輸順槽設計長度2 355.5 m，所屬3#煤層。3#煤層平均厚度4.8 m，以亮煤為主，平均煤層傾角10°。煤層頂板以粉砂巖、中粒砂巖為主，均厚3 m；煤層底板以粉砂巖為主，均厚8 m。2305 運輸順槽設計斷面為矩形，寬6.6 m，高3.6 m，支護措施為錨桿、錨索支護，支護設計如圖1。頂板支護使用Φ22 mm×2400 mm 型螺紋鋼錨桿，單排6根，排間距1 m，托盤為150 mm×150 mm×10 mm鋼板。頂錨索采用Φ21.6 mm×9000 mm 型鋼絞線，單排5 根，排間距1 m。錨固劑為MSK2335 樹脂錨固劑結合MSZ2360 樹脂錨固劑。頂板支護輔以W鋼帶，鋼帶規格為5000 mm×280 mm×3 mm。

圖1 巷道支護設計圖（mm）

2 支護強度分析

為定性分析巷道支護措施安全性，采用數值運算的方法分析目前支護措施下圍巖穩定性。

2.1 支護強度計算

通過測試，Φ22 mm×2400 mm 型螺紋鋼錨桿單根錨固力大于130 kN，Φ21.6 mm×9000 mm 型鋼絞線單根錨固力大于400 kN。通過錨桿、錨索、W 鋼帶、錨網、網片組合頂板產生的頂板承載應力強度、左右幫承載應力強度計算公式如下：

式中：σy為頂板承載應力，N/m2；S為支護面積，m2；F錨桿為支護區域錨桿承載力，N；F錨索為支護區域錨索承載力，N。

通過計算可知，頂板支護可以產生豎向支承應力為518 kN/m2。

同理可得左、右幫支護可以產生的支承應力為733 kN/m2。

2.2 數值模擬研究

為分析目前支護措施安全性，對支護斷面進行圍巖演化規律數值模擬研究。現場對3#煤層、頂板、底板巖層取樣，對樣本力學參數進行檢測，檢測結果見表1。

表1 圍巖應力參數表

建立幾何模型如圖2，假設頂板為中粒砂巖均勻介質，底板為粉砂巖均勻介質，3#煤層為均勻介質，不考慮煤層多孔介質結構以及其中水、瓦斯等流體滲流作用。2305 運輸順槽平均埋深367 m，模型頂部均勻載荷為15 MPa，模型左、右側、底部均為固定約束。模型為固體應力模型，運算得到圍巖在0 d（模型初始狀態）、10 d、20 d、30 d 時間段圍巖位移量云圖如圖3。

圖2 幾何模型

圖3 圍巖應變演化圖

通過數值運算結果可知，第0 d，圍巖應變量整體為0 mm；第10 d 時，模型頂部載荷出現最大形變量為75 mm，主要形變位置為模型頂部載荷區域，載荷未傳遞到2305 運輸順槽位置；第20 d 時載荷傳遞到2305 運輸順槽斷面，頂板最大形變量為50 mm，整個模型位于頂板位置為形變量最大區域；隨著壓力載荷的增加，巷道圍巖20～30 d 之間應力變化比較小，基本未出現大的變化，20 d 之后圍巖基本趨于穩定階段，形變率幾乎為0。圍巖整體穩定后，形變主要位置點為頂板、左右幫頂部位置，左右幫頂部位置最大形變量為20 mm，形變量比較小。根據形變等值線圖分析，巷道出現底鼓概率極小。

2305 運輸順槽圍巖穩定時最大形變量為50 mm，未超過形變基準值100 mm，整體變形量較小，支護措施可靠。

3 支護效果考察

通過數值運算可知，設計支護措施可滿足安全要求，巷道斷面形變量最大值為50 mm。為進一步研究支護措施安全性，對已支護區域進行效果考察。現場考察措施主要有頂板離層量監測。

頂板離層觀測采用電子離層儀，型號為GUD-240 礦用本安型圍巖移動傳感器。設備安裝如圖4。離層儀間距50 m，對支護區域每天進行數據觀測，并記錄深部、淺部位移量，觀測結果如圖5。現場未發現頂板變形嚴重、垮塌現象，巷道周邊噴漿固化完成后，未出現幫補掉皮現象。淺部最大位移量28 mm，淺部孔深2.3 m，整體下陷率為1.2%，變形量較小。支護區域未出現錨桿、錨索斷裂或脫錨的現象，支護穩定安全。

圖4 設備安裝方法

圖5 頂板觀測數據曲線圖

4 結語

為研究2305 運輸順槽圍巖支護設計是否可靠，對圍巖穩定性進行分析，模擬支護措施下圍巖形變量，對支護區域進行頂板觀測，得到以下結論：

計算分析，2305 運輸順槽支護措施可以產生豎向支承應力為518 kN/m2；左、右幫支護可以產生的支承應力為733 kN/m2。

數值運算結論：載荷傳遞到2305 運輸順槽，圍巖應力穩定后，頂板最大形變量50 mm。

后期頂板離層儀考察結果：頂板最大位移量65 mm，低于臨界值100 mm。

（4）支護設計安全可靠，可以滿足2305 運輸順槽支護要求。