掘進巷道頂板支護優(yōu)化設計研究
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摘要：煤礦井下巷道頂板的支護方式直接關系到井下綜采作業(yè)效率和安全性，針對目前井下巷道頂板支護方式復雜、效率低下，支護穩(wěn)定性差的缺陷，提出了一種新的煤礦井下巷道頂板支護方式，根據(jù)實際應用表明該支護方案具有結構簡單、支護效率高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，與傳統(tǒng)支護方案相比，支護時的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護成本降低了27.2%，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量比優(yōu)化前降低了25%，極大地提升了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采作業(yè)的經(jīng)濟性，具有較大的應用推廣價值。
關鍵詞：巷道頂板；支護效率；穩(wěn)定性
隨著綜采技術的不斷進步，煤礦井下的開采深度不斷增加，地質(zhì)條件愈加復雜，特別是在礦壓波動下的巷道頂板垮塌等日益嚴重，為了保障井下綜采作業(yè)的安全性，不得不采用加強巷道支護、增加支護點位的方式對綜采面頂板進行全面支護，雖然在一定程度上的提升了煤礦井下巷道頂板的穩(wěn)定性，但不僅顯著增加了巷道支護的成本而且也降低了巷道頂板支護的效率，給煤礦井下的綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟性造成了極大的影響。為了滿足各煤炭生產(chǎn)企業(yè)對井下綜采作業(yè)效率不斷提升的需求，本文提出了一種新的井下巷道頂板支護方式，以錨網(wǎng)聯(lián)合支護為核心，輔以巷道圍巖深孔注漿加固技術，實現(xiàn)了對井下巷道圍巖的可靠支護，根據(jù)實際應用表明該支護方案具有結構簡單、支護效率高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，與傳統(tǒng)支護方案相比，支護時的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護成本降低了27.2%，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量比優(yōu)化前降低了25%，極大地提升了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采作業(yè)的經(jīng)濟性具有極大的應用推廣價值。
1巷道頂板變形理論分析
以典型的深煤層地質(zhì)結構為研究對象，其巷道頂板為砂巖、泥巖混合型結構，多數(shù)屬于典型的厚煤層軟弱型復合頂板，基本頂中多為粗砂巖，結構穩(wěn)定性相對較差，以此地形條件為基礎，假設巷道的斷面為半圓拱形結構，采用傳統(tǒng)的錨桿加強支護方案，支護錨桿選擇直徑為22mm的錨桿，各錨桿之間的間距為600mm×600mm。利用FLAC數(shù)值分析的方式，模擬井下巷道礦壓波動下對巷道頂板和巷道兩幫變形量和支護強度的關系，結果如圖1所示，圖中1表示巷道深度為1000m，2表示巷道深度為900m，3表示巷道深度為800m，4表示巷道深度為700m，5表示巷道深度為600m，6表示巷道深度為500m。由圖1可知，煤礦井下巷道頂板和兩幫的變形量均與支護強度成正比，支護強度越強，巷道頂板和兩幫的變形量越小，支護強度越弱，在礦壓波動下的變形量越大，而且巷道深度越大，同等條件下的變形量就越大。由此分析可知，隨著深度的增加，在礦壓波動下緊靠傳統(tǒng)的錨索支護方案無法滿足對支護穩(wěn)定性的需求。可以通過在井下圍巖上鉆孔進行注漿，提高頂板圍巖的結構強度，抑制礦壓波動下的裂縫的擴展，提升巷道支護可靠性。
2井下混合支護方案
根據(jù)對井下巷道在礦壓波動下的變形情況的分析，本文提出了一種新的以錨網(wǎng)聯(lián)合支護為核心，輔以巷道圍巖深孔注漿加固技術，該技術方案主要是分階段對巷道圍巖進行加固，首先采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護，防止出現(xiàn)巷道頂板冒頂，然后在錨固階段對巖壁進行灌漿加固，滿足支護可靠性需求。錨網(wǎng)聯(lián)合支護，錨網(wǎng)聯(lián)合支護是指在巷道的造殼成梁階段，利用錨桿和金屬護網(wǎng)，在巷道頂板形成可靠支護結構，該結構的主要目的是用來避免巷道發(fā)生片幫、頂板冒落等，同時還用于防止頂板和圍巖在礦壓波動下出現(xiàn)過大的波動，降低圍巖碎裂現(xiàn)象，延緩頂板碎裂，確保巷道綜采前期的穩(wěn)定性。支護完成后利用短錨索以及相應的配件結構在以上支護結構的基礎上，錨固到井下巷道深處的巖層內(nèi)，建立頂板加強梁，形成一個具有較大承載能力的墻體，使其具有更高的承載能力，加強梁建立后對巷道圍巖進行噴漿成巷處理。當巷道掘進超過100m后，開始對圍巖出現(xiàn)裂紋的地方進行打孔注漿，利用鉆進在巖壁上設置注漿孔，注漿孔的直徑設置為30mm，注漿孔之間的距離設置為1500mm，每個區(qū)域設置7組注漿孔，注漿孔應和圍巖成45°斜角，確保能有效的將不同層面上的裂紋進行串聯(lián)起來，增強注漿加固的效果，注漿時注漿管路采用鍍鋅鋼管，注漿速度根據(jù)井下管路直徑靈活調(diào)整。注漿料采用硅酸鹽水泥材料，水灰配比按照1.0∶1.2進行制備，待灌漿料充分凝固后利用長度較大的單體錨索，對巷道頂板更深處的巖層進行固定，同時提升錨索的預拉力，使灌漿體和錨網(wǎng)支護結構形成一個完整的承載體，有效提升對巷道頂板的支撐可靠性，該混合支護方案如圖2所示。
3巷道頂板控制效果分析
為了對新型頂板支護方案的支護效果進行分析，在巷道內(nèi)設置大量位移傳感器，對不同控制方案下巷道頂板和兩幫的變形情況進行監(jiān)測，井下巷道支護優(yōu)化前后的頂板和兩幫變化情況進行對比，結果如圖3所示。由圖3可知，優(yōu)化前巷道頂板的最大變形量約為160mm，巷道兩幫的變形量約為80mm，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量約為40mm，比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量約為60mm，比優(yōu)化前降低了25%，由此表明采用優(yōu)化后的頂板支護方案，能夠有效的降低在綜采作業(yè)過程中頂板的變形量，提升巷道的穩(wěn)定性。由于采用了混合支護的方式，實現(xiàn)了對支護結構的優(yōu)化，降低了支護時對支護材料的使用量，根據(jù)實際應用表明，優(yōu)化后支護時的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護成本降低了27.2%，極大的提升了井下巷道支護的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。
4結論
針對目前井下巷道頂板支護方式復雜、效率低下，支護穩(wěn)定性差的缺陷，提出了一種新的井下巷道頂板支護方式，以錨網(wǎng)聯(lián)合支護為核心，輔以巷道圍巖深孔注漿加固技術，實現(xiàn)了對煤井下巷道頂板支護安全性的有效提升，根據(jù)實際應用表明：1）煤礦井下巷道頂板和兩幫的變形量均與支護強度成正比，支護強度越強，巷道頂板和兩幫的變形量越小，支護強度越弱，在礦壓波動下的變形量越大，而且巷道深度越大，同等條件下的變形量就越大。2）與傳統(tǒng)支護方案相比，新方案的支護時的效率比優(yōu)化前提升了16.9%，支護成本降低了27.2%，優(yōu)化后巷道頂板的最大變形量比優(yōu)化前降低了75%，巷道兩幫的變形量比優(yōu)化前降低了25%，極大的提升了煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采作業(yè)的經(jīng)濟性。
參考文獻
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作者：王鑫 單位：陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責任公司