同忻煤礦井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工程實(shí)踐

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（同煤國電同忻煤礦有限公司， 山西 大同 037003）

引言

同忻煤礦作為同煤集團(tuán)的核心煤礦，年產(chǎn)量達(dá)1 000 萬t 以上，2703 綜采面巷道為目前同忻礦最主要的綜采面巷道，其蓋山厚度約為167.2 m，煤層傾角為2.4°，平均煤層厚度約為4.7 m，該區(qū)域地質(zhì)條件相對復(fù)雜，巷道圍巖支護(hù)穩(wěn)定性差，在實(shí)際生產(chǎn)中為了確保綜采作業(yè)的安全性，經(jīng)常采用對巷道進(jìn)行二次支護(hù)的方案進(jìn)行加固，雖然安全性有了較大的提升，增加了支護(hù)作業(yè)的時間，但是影響了煤礦井下的綜采作業(yè)效率，無法滿足集團(tuán)提出的降本增效需求[1]。根據(jù)長期綜采作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，本文提出了一種煤礦井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，該方案能夠有效降低巷道支護(hù)作業(yè)時間，提升煤礦井下的綜采作業(yè)效率。

1 巷道補(bǔ)強(qiáng)原理及現(xiàn)狀分析

煤礦井下巷道的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)實(shí)際上是對巷道圍巖和支護(hù)體在支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)時機(jī)上的優(yōu)化分析，確保對井下巷道的支護(hù)穩(wěn)定性和支護(hù)可靠性。對井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)研究的主要內(nèi)容就在于通過對井下巷道圍巖狀態(tài)和穩(wěn)定性的分析確定在何時采用何種類型的支護(hù)體結(jié)構(gòu)。在實(shí)際分析的過程中主要是先計(jì)算出巷道圍巖的動態(tài)變化規(guī)律和圍巖礦壓峰值的變化狀態(tài)，然后給出最合理的支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖科學(xué)、合理的支護(hù)。

為了對不同時間點(diǎn)巷道圍巖礦壓峰值的變化情況進(jìn)行分析，本文以同忻煤礦的2703 綜采面為研究對象，在井下綜采面的不同區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的傳感器設(shè)備，對掘進(jìn)過程中巷道內(nèi)的應(yīng)力傳遞情況進(jìn)行監(jiān)測，巷道開挖后不同時間下圍巖的應(yīng)力場變化狀態(tài)如圖1 所示。圖中R 表示距離巷道中心的距離，tn表示不同時間，pn表示不同時間下的礦壓峰值，σθ表示塑性變形區(qū)應(yīng)力，σr表示彈性變形區(qū)應(yīng)力[2]。

圖1 巷道開挖后不同時間下圍巖的應(yīng)力場變化示意圖

由圖1 可知，當(dāng)井下巷道成型后，巷道的應(yīng)力場不斷向巷道的縱深位置擴(kuò)散，巷道圍巖的礦壓峰值也隨之向著巷道圍巖深處轉(zhuǎn)移，巷道周圍在綜采作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)破碎的巖層的范圍也不斷地?cái)U(kuò)大并向巖層深處延展。隨著綜采作業(yè)的繼續(xù)，在礦壓波動下井下巷道外側(cè)的圍巖裂縫不斷加大，導(dǎo)致外側(cè)的巖層的破碎程度最為嚴(yán)重，越往巖層內(nèi)側(cè)圍巖破碎程度越小。巖層的礦壓峰值區(qū)主要出現(xiàn)在巖層彈性邊界和塑性邊界的過渡區(qū)域[3]。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測表明，在綜采作業(yè)過程中巷道的圍巖礦壓峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)移的速度相對較快，當(dāng)巷道開挖后的第60 d 時巷道圍巖的峰值基本不再波動，此時的峰值點(diǎn)位于巷道中心外側(cè)約2.3 倍巷道寬度的巖層處，表明在該階段對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)具有最佳的支護(hù)效果。

2 煤礦井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

本文以同忻煤礦井下2703 巷道為分析對象，其巷道內(nèi)綜采免得蓋山厚度約為167.2 m，煤層傾角為2.4°，平均煤層厚度約為4.7 m，根據(jù)巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)理論，分析該巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的最佳時間為在巷道開挖后的第606 d，此時巷道的礦壓峰值點(diǎn)在巷道中心外側(cè)約2.3 倍處，經(jīng)過對各類支護(hù)方案在支護(hù)效率、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性方面的綜合分析，最終采用了錨索梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

圖2 煤礦井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

由圖2 可知，該補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案所采用的頂板錨索為直徑17.8 mm，長度為7 300 mm，每組設(shè)置量跟錨索，各錨索之間利用型鋼進(jìn)行連接，型鋼的跨距為2 600 mm，各錨索之間的距離約為2 000 mm。煤柱幫所采用的錨索直徑17.8 mm，長度為5 000 mm，每組設(shè)置量跟錨索，各錨索之間利用工字鋼進(jìn)行連接，工字鋼的跨距為2 100 mm，各錨索之間的距離約為1 500 mm。

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果

為了對該煤礦井下巷道補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)效果進(jìn)行分析，本文將井下巷道綜采面補(bǔ)強(qiáng)前后的圍巖控制效果進(jìn)行對比分析，在進(jìn)行頂板位移變化量監(jiān)測時，采用了十字布點(diǎn)發(fā)進(jìn)行監(jiān)控，補(bǔ)強(qiáng)前后的煤柱幫的變化量如圖3 所示。

由實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可知，在巷道補(bǔ)強(qiáng)前煤柱幫的最大變化量約為237 mm，井下補(bǔ)強(qiáng)后的最大變形量約為48 mm，補(bǔ)強(qiáng)后的變形量比優(yōu)化前降低了79.8%，而且巷道煤柱幫的穩(wěn)定時間由優(yōu)化前的約19 d，降低到優(yōu)化后的9 d，穩(wěn)定時間降低了約52.6%，能夠有效降低煤礦井下支護(hù)作業(yè)所需的時間，提升井下的綜采作業(yè)效率。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)前后頂板沉降變化量對比

4 結(jié)論

1）井下巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案是通過對井下巷道圍巖狀態(tài)和穩(wěn)定性分析后確定何時采用何種類型的支護(hù)體結(jié)構(gòu)。

2）在綜采作業(yè)過程中巷道的圍巖礦壓峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)移的速度相對較快，當(dāng)巷道開挖后的第60 d 時巷道圍巖的峰值基本不再波動，此時的峰值點(diǎn)位于巷道中心外側(cè)約2.3 倍巷道寬度的巖層處，表明在該階段對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)具有最佳的支護(hù)效果。

3）在巷道補(bǔ)強(qiáng)后煤柱幫的最大變化量比優(yōu)化前降低了79.8%，而且巷道煤柱幫穩(wěn)定時間比優(yōu)化前降低了約52.6%。