煤矿松软围岩巷道宽度优化的实践

摘 要：昌汉沟矿属比较典型的松软围岩矿井，按以往经验选巷宽后发现巷道变形严重甚至顶板冒落，本文对巷道围岩稳定性进行理论分析，优选了巷道合理宽度，实践表明优选巷宽能有效控制围岩变形，为矿井的安全稳定生产提供保障。

关键词：松软围岩；围岩变形；巷宽优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.080

1 引言

昌汉沟煤矿5-1煤直接顶为砂质泥岩和粉砂岩，强度为16.29MPa，煤层矿压强度为20～30MPa，属于比较典型的松软围岩。按照神東经验，矿井煤巷掘进宽度定为5400mm，发生了顶板冒落、巷道变形量大，围岩得不到有效控制的严重局面。松软围岩条件如何确定巷道宽度对矿井安全生产具有重要意义，理论分析和数值计算表明，影响金烽矿区煤层巷道围岩稳定性的主要因素及其排序为①埋深；②围岩强度；③护巷煤柱宽度；④原岩水平应力大小和方向；⑤巷道宽高；⑥煤层厚度；⑦煤层作用。为此，寻找符合昌汉沟煤矿围岩条件下合理的煤巷宽度，首先要从理论上探索。

2 巷道围岩稳定性理论分析

2.1 顶板变形对巷道影响

根据材料力学有关研究，将巷道顶板当做两端固定梁，上面受到垂直应力q作用，梁出现弯曲，其受力状态可以简化成图1所示。

当巷道顶板出现冒落时，直接顶选定为第一层岩层弹性模量设定为E，厚度为h，单位进尺时在岩层上产生的轴向旋转力矩为J。顶板上均匀承受垂向载荷q作用。上部覆岩厚度为H，重量为r，巷道宽度为L，巷道顶板在上覆载荷作用下出现的弯曲变形量F可以采用下式进行计算：

；h=2m；

式中：E——5-1煤直接顶第1层粉砂岩层的弹性模量，取值6.43×103MPa；

H——5-1煤直接顶（粉砂岩）上部覆岩厚度，取值120m；

γ——覆岩容重，取值2691kg/m3。

将E=6.43×103MPa，H=120m，γ=2691kg/m3，带入上式中可以求得Fmax。

当巷道顶板的最大下沉量值Fmax小于巷道顶板的允许变形量时，顶板岩层不会出现断裂，顶板不会发生冒落。根据有关研究结果，巷道顶板出现冒落的变形量值一般不超过50mm。当巷道周边存在有渗水，地质构造带时，顶板出现冒落的允许变形量值会显现降低。巷道宽度在5000mm时，巷道顶板覆岩第一层岩层的厚度在2m时，求得的Fmax为1.24mm。巷道顶板的下沉量值远小于顶板的允许下沉量值，此时巷道顶板不会出现冒落。

同样随着时间的增加，顶板的下沉量值不断的增加，掘进时间越短，顶板出现的弯曲下沉量值越低，顶板越稳定。

2.2 顶板剪切冒落

根据掘进巷道顶板受力特点分析，当巷道直接顶强度较低时（第一层岩层完整性差，强度低），容易在巷帮出现剪切滑落破坏。具体的力学简化模型如图2所示。从图中可以看出，巷道顶板岩层沿着巷帮以某一倾角出现滑移剪切破坏。

两煤帮支撑点的剪力，发生在两煤帮支撑点的延伸剪切应力τ帮为：。

当时，即时，在巷道顶板帮角位置不会出现剪切滑移破坏（此处q取值为3.23MPa）。

从分析中可以看出，巷道直接顶是厚度为2m的砂岩时，巷道顶板出现剪切滑移破坏的极限宽度为5300mm。煤矿井下的岩性条件受环境影响较为明显，在具体确定某一范围内巷道的断面以及支护参数时应根据计算结果综合确定。

3 巷道宽度的优化

从上述分析可以得出，为了降低巷道顶板变形量，在巷道宽度满足使用的前提下应尽量降低巷道宽度，当对巷道断面有要求时（例如通风），在尽可能降低巷道宽度的前提下可以适当增加巷道高度，以便保证巷道顶板稳定。巷道的直接顶为厚度在2m的砂岩，完整性较好，计算出来的顶板最大变形量值在1.24mm，远远小于顶板运行变形量值。同时为了保证巷道顶板在巷帮位置不出现剪切滑移破坏，巷道的宽度应控制在5300mm以内。当巷道直接顶厚度在2m以内时，其他的岩性条件未出现变化时，为了保证巷道顶板稳定，巷道宽度应适当的降低。

巷道的宽度应便于联巷开口调机，巷道宽度在5000mm时，可一次性完成30°抹角，巷宽太小抹角困难。综上所述，巷道宽度以4800～5300mm为宜，最终确定巷宽为5000mm。

4 结语

针对昌汉沟矿松软围岩导致的巷道变形，本文对巷道宽度优选提供了一个可靠的参考。施工实践证明，结合特定地质地层条件，充分考虑各项因素对巷道变形的影响，理论联系实际，巷道的留设做到有的放矢，就能有效控制围岩变形，为矿井的安全稳定生产提供保障，为类似条件巷道宽度留设提供一定的理论借鉴和实践参考。

参考文献：

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[3]尹光志，代高飞，万玲，张东明.南桐煤矿开采岩移规律的数值模拟[J].重庆：重庆大学学报（自然科学版），2001.

作者简介：王振（1986-），男，山西晋城人，硕士，现主要从事矿井设计工作。