煤矿采区巷道支护设计方案研究

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　　【摘 要】随着煤炭开采量的不断增加，煤矿开采深度不断加深，开采时遇到的地质情况也是越来越复杂，对煤矿开采安全尤其是巷道支护的要求更是越来越高。目前，在煤巷支护工程中用到的最多的支护技术是锚杆支护。
　　【关键词】回风巷；悬吊理论；支护
　　近年来煤矿开采水平向深度发展，出现的软岩工程问题越来越多。软岩巷道变形量大，支护受力大，一般采用可缩性U型钢支架，但是其不但成本高、劳动强度大，而且有时还容易发生破坏。自从围岩松动圈支护理论提出，在随后的巷道支护研究中确定主要研究对象为松动圈发展过程中的碎胀变形。人们逐渐开始用锚喷支护代替U型钢支架来解决软岩支护问题，不仅支护效果好，而且经济技术效益显著。
　　1巷道断面的最佳设计
　　在我国随着矿井开采深度的增加，工作面回采机械化程度提高，要求回采巷道断面积加大，因而使矿压显现更加剧烈，回采巷道的支扩问题在煤矿生产中越来越突出。在很多矿井中，由于巷道断面缩小，严重影响工作面运输、通风，常常形成“ 爬行巷道”，从而威胁井下的安全生产，使得工作面机械生产能力不能充分发挥。而且回采巷道的多次返修还是造成煤炭企业亏损、采掘接替紧张的主要原因之一。
　　2巷道的最佳掘进时间
　　在上区段工作面推进过程中，顶板运动的发展过程分两个阶段，显著运动阶段和相对稳定阶段。在显著运动阶段，上覆岩层支承力不断发展变化，造成采空区侧煤体支承压力的变化，煤体发生较大变形。如果在显著运动阶段掘进巷道，则巷道容易产生变形破坏，不利于巷道维护。当上区段采场老项触矸后，顶板运动处于相对稳定阶段，支承压力已经重新分布，煤体变形基本稳定。此时掘进巷道，则巷道不易变形破坏，易于维护。因此，上区段采场老顶触矸后顶板运动的相对稳定阶段为沿空掘巷的最佳时间。
　　3巷道支护参数的选择
　　支护是巷道施工的一个重要环节，正确而又及时的支护，巷道掘进工作才能正常的进行。支护的工作量一般占巷道总成本的1/3～ 1/2，劳动强度大。因此选择合理的支护型式有着重要的意义。巷道支护参数的合理选择直接影响到巷道支护的经济效益并与巷道支护效果和安全生产有关。在巷道支护方案设计和井下巷道旌工中，一方面要求巷道支护参数的物理意义必须明确，能够直接指导支架的设计和巷道的施工。另一方面要求支护参数在设计和施工时，易于被现场广大工程技术人员掌握使用。
　　4巷道支护形式的选择
　　在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术经济优越性。目前的巷道锚杆支护设计方法具体可归纳为三大类：工程类比法、理论计算法和以计算机数值模拟为基础的设计方法。
　　4.1 工程类比法
　　工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在围岩条件、施工条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。这种方法不是简单照搬，而是首先搞清楚待建巷道的地质条件与围岩物理力学参数，科学的进行围岩分类的情况下，然后在针对不同的围岩类别，根据巷道生产地质条件确定锚杆支护参数。这是一种是实用的方法，在煤矿锚杆支护设计中占有主导地位。
　　实践证明，在工程条件接近时，采用工程类比法进行锚杆支护设计可能是十分有效的。然而由于煤层赋存条件千差万别，某一类别中尚存在各种不同情况，使用时必须参照多方面的经验加以应用。
　　4.2 理论计算法
　　锚杆支护理论计算法利用悬吊理论、冒落拱理论以及其它各种力学方法，分析巷道围岩的应力与变形，进行锚杆支护设计，给出锚杆支护参数的解析解。
　　4.2.1 按悬吊理论设计锚杆支护参数在层状岩层中开挖的巷道，顶板岩层的滑移与分离可能导致顶板的破碎直至冒落在节理裂隙发育的巷道中，松脱岩块的冒落可能造成对生产的威胁：在软弱岩层中开挖的巷道围岩破碎带内不稳定岩块在自重作用下了可能发生冒落。如果锚杆加固系统能够提供足够的支护阻力将松脱顶板或危岩悬吊在稳定岩层中，就能保证巷道围岩的稳定。
　　4.2.2 冒落拱理論法
　　这种方法应用冒落拱分析围岩的松动区状态，认为锚杆支护的作用是防止松动破碎区的围岩垮落。设计用主要参数的获取靠经验法并结合一定的观测手段来实现。设计主要用于确定锚杆的间、排距。
　　4.3 数值模拟分析法
　　经过几十年的发展，数值模拟分析法已在求解岩土工程问题中得到广泛的应用，并取得了巨大的成功，尽管仍存在不同的观点，但人们逐步认识到数值模拟分析是地下岩石工程设计和分析研究的重要手段。数值模拟方法是通过对结构系统构造数学模型，利用计算机求解大规模的代数联立方程组来模拟结构系统的反跌过程的。它们有其优点也有不足。
　　5.支护准侧及方法
　　对困难、复杂条件下的煤巷围岩地质力学条件和变形破坏的特点，在保证生产安全的条件下，力求获得交好的技术经济效益。
　　6 巷道支护对策
　　6.1 优化巷道位置
　　在设计阶段应根据煤系地层的岩性，合理选择巷道位置，尽可能避开软弱岩层；在地质勘探过程中，应掌握岩石物理力学性质、岩石物理化学性质以及岩石水理性质，应掌握主应力的大小及方向，合理选层、选位，尽可能躲让高应力区。
　　6.2 选择合理的支护断面
　　由于8100采区回采时间较短，巷道服务年限为至采区报废为止，综合各方面因素8100采区轨道上山施工断面选择为矩形，掘进断面10.44m2，巷道掘进荒宽3600mm，净宽3400mm，掘进荒高2900mm，轨道以上净高2600mm，设计方位跟8煤顶板掘进。预留巷道空间对提高支护体结构强度，保证巷道正常使用是非常必要的。
　　6.3 提高围岩强度
　　锚杆和注浆是两种有效的加固围岩方式，能促使形成围岩加固的承载圈，充分发挥围岩的自承能力，阻止围岩的塑性流动。
　　6.4 提高锚杆支护的预紧力，实现主动支护
　　锚杆支护是巷道最有效的支护形式，锚杆支护系统的刚度十分重要，特别是锚杆预应力起着决定性作用。较高的预应力要求锚杆具有较高的强度。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到锚杆周围更大范围的围岩中，形成支护结构。
　　6.5 及时封闭围岩
　　巷道支护现场总结的经验是：治帮先治底，治底先治水。因此，对水的处理是保证软弱围岩稳定的基础工作，尤其对于含有黏土类矿物的膨胀型软岩，隔水为第一要务。软岩巷道开挖后要及时喷射混凝土进行封闭，防止其受水和空气的影响而崩解和软化。
　　7结论
　　在煤矿的建设中应根据矿井巷道的实际地质状况来确定巷道及硐室的支护形式。锚杆等支护形式的布置随围岩条件发生变化时，其支护参数也应做相应改变，特别在地质构造地带，可考虑增加锚杆、锚索数量或辅以其它支护方式，甚至更改支护方式。
　　参考文献：
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　　作者简介：
　　张志刚，采煤高级工程师，1978年2月生。
　　（作者单位：新能矿业有限公司）
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