下霍矿2305 运输顺槽掘进及支护技术研究

李建民

（山西三元煤业有限公司下霍煤矿，山西 长治 046000）

煤矿开采过程中，巷道围岩控制至关重要[1]。围岩支护强度足够，才能保证巷道不会出现下沉、片帮等问题[2-3]。我国专家学者之前主要针对支护存在的问题进行针对性研究[4-6]，关于支护措施安全性科学评价研究较少。对下霍煤矿2305 运输顺槽支护措施下围岩演化规律进行模拟研究，根据应力分布情况对巷道支护设计措施进行评价，并对支护区域进行顶板观测考察验证。

1 工程概况

2305运输顺槽设计长度2 355.5 m，所属3#煤层。3#煤层平均厚度4.8 m，以亮煤为主，平均煤层倾角10°。煤层顶板以粉砂岩、中粒砂岩为主，均厚3 m；煤层底板以粉砂岩为主，均厚8 m。2305 运输顺槽设计断面为矩形，宽6.6 m，高3.6 m，支护措施为锚杆、锚索支护，支护设计如图1。顶板支护使用Φ22 mm×2400 mm 型螺纹钢锚杆，单排6根，排间距1 m，托盘为150 mm×150 mm×10 mm钢板。顶锚索采用Φ21.6 mm×9000 mm 型钢绞线，单排5 根，排间距1 m。锚固剂为MSK2335 树脂锚固剂结合MSZ2360 树脂锚固剂。顶板支护辅以W钢带，钢带规格为5000 mm×280 mm×3 mm。

图1 巷道支护设计图（mm）

2 支护强度分析

为定性分析巷道支护措施安全性，采用数值运算的方法分析目前支护措施下围岩稳定性。

2.1 支护强度计算

通过测试，Φ22 mm×2400 mm 型螺纹钢锚杆单根锚固力大于130 kN，Φ21.6 mm×9000 mm 型钢绞线单根锚固力大于400 kN。通过锚杆、锚索、W 钢带、锚网、网片组合顶板产生的顶板承载应力强度、左右帮承载应力强度计算公式如下：

式中：σy为顶板承载应力，N/m2；S为支护面积，m2；F锚杆为支护区域锚杆承载力，N；F锚索为支护区域锚索承载力，N。

通过计算可知，顶板支护可以产生竖向支承应力为518 kN/m2。

同理可得左、右帮支护可以产生的支承应力为733 kN/m2。

2.2 数值模拟研究

为分析目前支护措施安全性，对支护断面进行围岩演化规律数值模拟研究。现场对3#煤层、顶板、底板岩层取样，对样本力学参数进行检测，检测结果见表1。

表1 围岩应力参数表

建立几何模型如图2，假设顶板为中粒砂岩均匀介质，底板为粉砂岩均匀介质，3#煤层为均匀介质，不考虑煤层多孔介质结构以及其中水、瓦斯等流体渗流作用。2305 运输顺槽平均埋深367 m，模型顶部均匀载荷为15 MPa，模型左、右侧、底部均为固定约束。模型为固体应力模型，运算得到围岩在0 d（模型初始状态）、10 d、20 d、30 d 时间段围岩位移量云图如图3。

图2 几何模型

图3 围岩应变演化图

通过数值运算结果可知，第0 d，围岩应变量整体为0 mm；第10 d 时，模型顶部载荷出现最大形变量为75 mm，主要形变位置为模型顶部载荷区域，载荷未传递到2305 运输顺槽位置；第20 d 时载荷传递到2305 运输顺槽断面，顶板最大形变量为50 mm，整个模型位于顶板位置为形变量最大区域；随着压力载荷的增加，巷道围岩20～30 d 之间应力变化比较小，基本未出现大的变化，20 d 之后围岩基本趋于稳定阶段，形变率几乎为0。围岩整体稳定后，形变主要位置点为顶板、左右帮顶部位置，左右帮顶部位置最大形变量为20 mm，形变量比较小。根据形变等值线图分析，巷道出现底鼓概率极小。

2305 运输顺槽围岩稳定时最大形变量为50 mm，未超过形变基准值100 mm，整体变形量较小，支护措施可靠。

3 支护效果考察

通过数值运算可知，设计支护措施可满足安全要求，巷道断面形变量最大值为50 mm。为进一步研究支护措施安全性，对已支护区域进行效果考察。现场考察措施主要有顶板离层量监测。

顶板离层观测采用电子离层仪，型号为GUD-240 矿用本安型围岩移动传感器。设备安装如图4。离层仪间距50 m，对支护区域每天进行数据观测，并记录深部、浅部位移量，观测结果如图5。现场未发现顶板变形严重、垮塌现象，巷道周边喷浆固化完成后，未出现帮补掉皮现象。浅部最大位移量28 mm，浅部孔深2.3 m，整体下陷率为1.2%，变形量较小。支护区域未出现锚杆、锚索断裂或脱锚的现象，支护稳定安全。

图4 设备安装方法

图5 顶板观测数据曲线图

4 结语

为研究2305 运输顺槽围岩支护设计是否可靠，对围岩稳定性进行分析，模拟支护措施下围岩形变量，对支护区域进行顶板观测，得到以下结论：

计算分析，2305 运输顺槽支护措施可以产生竖向支承应力为518 kN/m2；左、右帮支护可以产生的支承应力为733 kN/m2。

数值运算结论：载荷传递到2305 运输顺槽，围岩应力稳定后，顶板最大形变量50 mm。

后期顶板离层仪考察结果：顶板最大位移量65 mm，低于临界值100 mm。

（4）支护设计安全可靠，可以满足2305 运输顺槽支护要求。