【摘要】通過對(duì)沿空掘巷錨桿支護(hù)在巷道的掘進(jìn)時(shí)間、布置、斷面、支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析，并在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)影響支護(hù)的各個(gè)因素，提出科學(xué)支護(hù)設(shè)計(jì)方法，從而得出一套合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。
1概述
童亭煤礦S1073工作面位于S107采區(qū)淺部，上部為已回采結(jié)束的S1071工作面，下部為已回采結(jié)束的S1077工作面，左至CF8-1∠60～70°H=5～15m斷層保護(hù)煤柱，右至S107集中巷保護(hù)煤柱。
2參數(shù)優(yōu)化途徑
沿空掘巷錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，不是只從單純的支護(hù)參數(shù)來考慮，而是從回采巷道的布置以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用信息反饋等方面整體考慮。
2.1S1073機(jī)巷掘進(jìn)的時(shí)間優(yōu)化
S1073機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)間優(yōu)化即尋找巷道掘進(jìn)的最佳時(shí)間，在上區(qū)段工作面推進(jìn)過程中，頂板運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過程分兩個(gè)階段，顯著運(yùn)動(dòng)階段和相對(duì)穩(wěn)定階段。在顯著運(yùn)動(dòng)階段，上覆巖層支承壓力不斷發(fā)展變化，造成采空區(qū)側(cè)煤體支承壓力的變化，煤體產(chǎn)生較大變形，如果在顯著運(yùn)動(dòng)階段掘進(jìn)巷道，則巷道容易產(chǎn)生變形破壞，不利于巷道維護(hù)。當(dāng)上區(qū)段采場(chǎng)老頂觸矸后，頂板運(yùn)動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定階段，支承壓力已經(jīng)重新分布，煤體變形基本穩(wěn)定，此時(shí)掘進(jìn)巷道，則巷道不易變形破壞，易于維護(hù)。因此，上區(qū)段采場(chǎng)老頂觸矸后頂板運(yùn)動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定階段為沿空掘巷的最佳時(shí)間。
2.2S1073機(jī)巷掘進(jìn)位置優(yōu)化
根據(jù)采場(chǎng)周邊支承應(yīng)力分布，可能的巷道掘進(jìn)位置有三種：在應(yīng)力降低區(qū)中的沿空掘巷；在應(yīng)力升高區(qū)中的煤柱掘巷；在原巖應(yīng)力區(qū)的大煤柱護(hù)巷。首先在應(yīng)力升高區(qū)掘進(jìn)巷道后，巷道圍巖由三向受壓狀態(tài)變成單向受壓狀態(tài)，由于正處在應(yīng)力升高區(qū)，巷道圍巖必然要發(fā)生塑性破壞，產(chǎn)生較大變形。當(dāng)受本工作面采動(dòng)影響時(shí)，由于應(yīng)力疊加，巷道難以維護(hù)；在原巖應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)巷道，雖然巷道比較容易維護(hù)，但煤柱損失比較大，不符合充分利用和節(jié)約煤炭資源的原則，故這兩種位置都不可取。由于應(yīng)力降低區(qū)的煤體已發(fā)生塑性變形，處于卸壓狀態(tài)，因此在應(yīng)力降低區(qū)中掘巷不會(huì)引起支承壓力分布和煤體力學(xué)狀態(tài)的明顯變化，易于維護(hù)。在應(yīng)力降低區(qū)中沿空掘巷分為完全沿空掘巷和小煤柱護(hù)巷兩種。完全沿空掘巷雖然能充分開采煤炭資源，但存在巷道漏風(fēng)、采空區(qū)積水等不利因素。因此沿空掘巷的最佳位置應(yīng)為留小煤柱護(hù)巷，最佳煤柱尺寸應(yīng)是在煤柱不發(fā)生貫通裂隙向采空區(qū)漏風(fēng)，誘發(fā)自燃的條件下，最小的煤柱尺寸。
2.3S1073機(jī)巷斷面形式優(yōu)化
機(jī)巷的斷面形式包括斷面形狀和斷面尺寸，從受力角度考慮，拱形斷面優(yōu)于梯形和矩形斷面。但由于回采巷道，根據(jù)地質(zhì)資料分析存在許多小斷層，如果采用拱形斷面，很多情況下需要破頂，增加掘進(jìn)工程量和運(yùn)矸量，更主要的是拱形斷面不利于回采工作面端頭支護(hù)，阻礙工作面快速推進(jìn)。因此回采巷道一般設(shè)計(jì)為矩形或梯形斷面。
2.4S1073機(jī)巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化
支護(hù)參數(shù)選擇的合理與否對(duì)支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)效益有明顯影響。參數(shù)選擇不當(dāng)就可能造成浪費(fèi)，或?qū)е轮ёo(hù)失敗，目前很多礦區(qū)的錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或采用工程類比確定的，且設(shè)計(jì)一成不變，其實(shí)，沿空巷道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，它要充分利用每個(gè)過程提供的信息。先根據(jù)沿空巷道圍巖的錨固機(jī)理，針對(duì)巷道圍巖破壞的力學(xué)機(jī)制，采用數(shù)值模擬、解析法和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，提出合理的錨桿直徑、錨桿長(zhǎng)度、支護(hù)密度、安裝角度、組合構(gòu)件的形式和強(qiáng)度等支護(hù)參數(shù)。然后將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下，并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測(cè)，根據(jù)反饋信息驗(yàn)證或修正初始設(shè)計(jì)。
3實(shí)際應(yīng)用
3.1地質(zhì)條件
S1073機(jī)巷沿10煤層走向水平布置，上部為已采過的S1071采空區(qū)，巷道埋深約為300m。煤層平均厚度為3.6m，煤層傾角為5°～16°，平均9°左右。煤層直接頂為細(xì)砂巖，厚度約5.0m；直接底為粉砂巖、細(xì)砂巖，厚度約9.0m。
3.2S1073機(jī)巷參數(shù)優(yōu)化
3.2.1掘進(jìn)時(shí)間優(yōu)化
S1073機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)S1071采面已回采過近兩年，已基本穩(wěn)沉，因此上區(qū)段采場(chǎng)老頂已基本穩(wěn)定，巷道開始掘進(jìn)不會(huì)受上區(qū)段采場(chǎng)支承壓力變化的影響。
3.2.2掘進(jìn)位置優(yōu)化
根據(jù)圍巖力學(xué)參數(shù)和原巖應(yīng)力分布及在現(xiàn)場(chǎng)壓力實(shí)測(cè)結(jié)果，煤柱最佳尺寸為2.5m時(shí)應(yīng)力最小，為了防止錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，使錨桿錨固力減弱，設(shè)計(jì)煤柱尺寸加寬到3m。
3.2.3斷面優(yōu)化
綜合考慮通風(fēng)、綜采支架運(yùn)輸?shù)男枰艾F(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度，S1073機(jī)巷斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬4.0m，凈中高2.8m。
3.2.4支護(hù)參數(shù)優(yōu)化
根據(jù)巷道地質(zhì)和生產(chǎn)條件，建立圍巖的力學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同錨桿直徑和長(zhǎng)度、支護(hù)密度的支護(hù)方案，并分析錨桿直徑和長(zhǎng)度、支護(hù)密度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響。最后確定S1073機(jī)巷頂板打5根φ22-L2400mm高強(qiáng)錨桿，在巷道頂板每隔2排鋼帶中間補(bǔ)打2根φ17.8-7300mm錨索。
3.2.5參數(shù)監(jiān)測(cè)
為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，巷道掘進(jìn)30m后安設(shè)第一個(gè)觀測(cè)站，巷道每掘進(jìn)30～50m后再安設(shè)下一個(gè)觀測(cè)站，在掘進(jìn)期間分別對(duì)頂板離層、巷道表面位移和錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。頂板離層采用頂板離層指示儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中深基點(diǎn)觀測(cè)深度為6m，淺基點(diǎn)觀測(cè)深度為4m；頂板壓力觀測(cè)采用液壓枕。頂板離層在掘進(jìn)30m后趨于穩(wěn)定，根據(jù)離層儀數(shù)據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，離層量都很小，液壓枕讀數(shù)變化也很小，這說明優(yōu)化后的錨固參數(shù)有效地控制了頂板的離層，并發(fā)揮巖石的自身承載能力，防止了離層往深部擴(kuò)展。巷道圍巖表面位移采用十字布點(diǎn)法觀測(cè)，每隔30～50m設(shè)一組布點(diǎn)，頂板最大下沉量為30mm，兩幫最大移近量為40mm，其中小煤柱側(cè)煤幫移近量為20mm。
從以上數(shù)據(jù)可以看出，兩幫移近量較大，并且采空區(qū)側(cè)煤幫的移近量明顯大于實(shí)體煤側(cè)。頂板下沉量相對(duì)較小，并且在3～5天后即趨于穩(wěn)定。從總的支護(hù)效果看，巷道支護(hù)狀況良好，圍巖的變形得到有效的控制。錨桿受力通過安設(shè)測(cè)力錨桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，頂板錨桿受力較大，且在離孔口0.9～1.2m處達(dá)到最大，說明頂板在此處有離層破壞的趨勢(shì)，這與頂板離層觀測(cè)結(jié)果也是相符的。兩幫錨桿受力是工作面?zhèn)却笥诓煽諈^(qū)側(cè)，主要是由于留設(shè)的小煤柱使開采應(yīng)力集中向遠(yuǎn)處移動(dòng)。造成煤體內(nèi)部應(yīng)力較大的原因。從整個(gè)巷道錨桿的受力情況來看，絕大部分錨桿受力在其屈服載荷以下，沒有出現(xiàn)錨桿因受力過大而被拉斷的現(xiàn)象，說明錨桿的設(shè)計(jì)選型是科學(xué)的，合理的。
從分析結(jié)果來看。頂板離層量、巷道表面位移量及錨桿錨受力都在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)，并有效地控制了頂板下沉和兩幫位移，保證了巷道的安全狀態(tài)，說明優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)是合理的、可靠的。
4結(jié)束語
?。?）沿空掘巷錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化要先進(jìn)行過程優(yōu)化，從巷道的布置設(shè)計(jì)、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及信息反饋等方面綜合考慮，找到最佳的過程，再對(duì)最佳的過程中具體的支護(hù)參數(shù)運(yùn)用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
?。?）頂板的運(yùn)動(dòng)發(fā)展階段直接影響掘巷時(shí)間的選擇。在頂板運(yùn)動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定階段掘巷不受上區(qū)段工作面的采動(dòng)影響，是最佳的掘巷時(shí)間。
?。?）同架棚支護(hù)形式相比，錨網(wǎng)支護(hù)具有良好的可縮性，更適用于沿空巷道等大變形巷道。
?。?）采用錨網(wǎng)支護(hù)大大減少了金屬支架的搬運(yùn)量，更為重要的是在工作面回采過程中，簡(jiǎn)化工作面上下端頭的超前維護(hù)，有利于工作面的高效、快速推進(jìn)及“雙高”礦井建設(shè)。
?。?）實(shí)際應(yīng)用表明，經(jīng)過優(yōu)化的沿空掘巷錨桿支護(hù)參數(shù)不僅提高了巷道支護(hù)效果，保證了巷道安全，而且節(jié)約了支護(hù)成本。
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