許光輝

（陜西火石咀煤礦有限責(zé)任公司 陜西咸陽(yáng) 713500）

摘 要：煤礦的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)化內(nèi)容，安全問(wèn)題是煤礦生產(chǎn)開(kāi)展的最基本條件，煤礦回采巷道礦山壓力控制與支護(hù)工作對(duì)于采煤環(huán)節(jié)具有十分重要的作用，因此國(guó)家和煤礦企業(yè)技術(shù)人員對(duì)于該問(wèn)題的研究也較為充分，本文將重點(diǎn)對(duì)回采巷道礦山壓力控制的理論和模型進(jìn)行分析，對(duì)相應(yīng)回采巷道側(cè)煤柱支護(hù)參數(shù)進(jìn)行討論，最后分析支護(hù)選型以及相應(yīng)控制策略。

關(guān)鍵詞：煤礦；回采巷道；礦山壓力；支護(hù)

煤礦的開(kāi)采工作將會(huì)影響礦山的諸多方面活動(dòng)，主要表現(xiàn)在礦山整體的壓力分布情況、巖層運(yùn)動(dòng)軌跡情況、礦山應(yīng)力分布等。重力應(yīng)力場(chǎng)的變化是導(dǎo)致頂板坍塌、巖層運(yùn)動(dòng)破壞作用的主要原因。為了保證煤礦正常生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展，確保工作人員生命安全，增加煤礦效益，分析煤礦回采巷道礦山壓力控制的主要問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因開(kāi)展針對(duì)性對(duì)策討論十分必要。

1 回采巷道礦山壓力控制理論

在回采巷道煤炭開(kāi)采過(guò)程中，地下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)由于礦山壓力變化而變化，主要的應(yīng)力變化來(lái)源主要分為以下三個(gè)方面：

第一，采動(dòng)支承壓力范圍外，即開(kāi)挖和維護(hù)原始應(yīng)力場(chǎng)中的巷道。原始應(yīng)力場(chǎng)的特征主要表現(xiàn)在兩種類(lèi)型的改變：一是單純由于上部巖層的重力作用，直接向下作用的應(yīng)力；另一種是同時(shí)存在重力和殘余應(yīng)力的綜合作用，巖層內(nèi)部本身積累著一定的應(yīng)力作用。

第二，采動(dòng)支承壓力范圍內(nèi)維護(hù)和開(kāi)挖巷道，其巷道圍巖應(yīng)力的分布情況主要是由重力決定的，實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)展過(guò)程中，如果巖層運(yùn)動(dòng)完全消失，那么該范圍內(nèi)的應(yīng)力也趨近于零。

第三，在采動(dòng)支承壓力的高應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖和維護(hù)巷道其主要的應(yīng)力來(lái)源為整體重力。

2 煤礦回采巷道礦山壓力控制措施

2.1 確定巷道開(kāi)挖位置

對(duì)于巖層運(yùn)動(dòng)已經(jīng)被破壞的煤層開(kāi)挖過(guò)程中，第一步需要確定礦山整體應(yīng)力場(chǎng)的整體分布情況，在開(kāi)挖和維護(hù)的過(guò)程中盡可能的將巷道開(kāi)掘的應(yīng)力場(chǎng)向內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)的臨界點(diǎn)轉(zhuǎn)移。增加留煤柱的寬度是不回收條件下開(kāi)挖巷道處理應(yīng)力場(chǎng)變化的最佳方法，其優(yōu)點(diǎn)是能夠最大限度的將護(hù)巷煤柱受到的應(yīng)力和變形降到最小，這樣對(duì)于整個(gè)巷道和煤礦而言，安全系數(shù)最高。如果在縮小應(yīng)力場(chǎng)的巷道留煤柱寬度采用線縮小模式，其核心工作是保證巷道漏風(fēng)的問(wèn)題，而且必須待內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)完全穩(wěn)定才能開(kāi)展后續(xù)開(kāi)挖工作。

2.2 科學(xué)安排挖掘時(shí)間

通過(guò)分析煤礦回采巷道內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的煤層整體應(yīng)力分布情況和變化情況，結(jié)合相應(yīng)位置關(guān)系可以了解到挖掘時(shí)間對(duì)于整體應(yīng)力分布和變化的影響具有十分重要的作用，因此在回采過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)確保回采工作順利的前提下，對(duì)計(jì)劃距離和時(shí)間內(nèi)挖掘內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)外之外的巷道，之后再一定時(shí)間之后開(kāi)展內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的巷道開(kāi)掘工作。開(kāi)掘過(guò)程中，技術(shù)人員必須嚴(yán)格控制滯后時(shí)間域距離，使其能夠確保回采巷道的穩(wěn)定并且持續(xù)開(kāi)挖。對(duì)于巷道開(kāi)掘時(shí)間的計(jì)算應(yīng)當(dāng)在開(kāi)挖前進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，保證科學(xué)合理，使得開(kāi)掘時(shí)間與位置能夠與計(jì)劃相符。

3 保證支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 重視發(fā)展過(guò)程支護(hù)設(shè)計(jì)

影響支護(hù)設(shè)計(jì)的主要因素有巷道開(kāi)掘和維護(hù)的時(shí)間長(zhǎng)度、內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力變化情況。通過(guò)對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)影響因素的分析，將支護(hù)設(shè)計(jì)工作分為兩個(gè)階段：內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)形成前階段和內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)形成階段。形成前階段主要分為三個(gè)部分：第一，工作面推進(jìn)之前原有巷道壓力導(dǎo)致的發(fā)展變化；第二，工作面推進(jìn)后，采場(chǎng)推進(jìn)導(dǎo)致的回采空間變化，礦山壓力增加，彈性壓縮和塑性破壞過(guò)程從煤壁靠近邊緣的位置開(kāi)始呈現(xiàn)，逐漸向各個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)張。第三，當(dāng)工作面推進(jìn)到內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)完全呈現(xiàn)塑性狀態(tài)時(shí)，采場(chǎng)推進(jìn)與支撐壓力將會(huì)持續(xù)增加，承壓壓力快速降低。形成階段，也就是工作面進(jìn)入斷裂破壞的嚴(yán)策內(nèi)發(fā)展和破壞的過(guò)程，主要分為三個(gè)部分：第一，巖梁裂斷運(yùn)動(dòng)；第二，巖梁裂斷運(yùn)動(dòng)的發(fā)展變化；第三，巖梁裂斷運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。在這一階段內(nèi)，礦山壓力不斷變化，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍煤層會(huì)發(fā)生壓縮變形，其主要特點(diǎn)是每次變化過(guò)程都是一個(gè)先增后減的過(guò)程。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

支護(hù)設(shè)計(jì)工作在開(kāi)展之前必須充分的對(duì)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)掌握，從而根據(jù)實(shí)際應(yīng)力情況來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)工作。煤礦回采巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)需要以應(yīng)力場(chǎng)的基本情況為依據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行全面分析，其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)化對(duì)不同空間條件進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的定量研究，處理相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，以定量研究為中心。第一，分析變化范圍內(nèi)的發(fā)展過(guò)程。這一環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容是對(duì)處于采動(dòng)支承作用范圍的巖層運(yùn)動(dòng)及破壞形式，分析相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和巖層變化情況。第二，確定礦壓設(shè)計(jì)的基本信息。在開(kāi)展礦壓設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分對(duì)多種形式的空間形態(tài)進(jìn)行分析，分析煤礦回采航到礦山壓力的主要來(lái)源、強(qiáng)度、裂斷巖梁的運(yùn)動(dòng)變化等，結(jié)合前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的“采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)”相關(guān)理論，進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)。第三，完善相應(yīng)理論內(nèi)容。在保證對(duì)基本的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律掌握后，對(duì)巖層的破壞運(yùn)動(dòng)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行判定，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的影響，對(duì)照前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，應(yīng)用到自身礦山的生產(chǎn)中。為了更好的完成支護(hù)設(shè)計(jì)必須全面的對(duì)礦山的巖層基本信息進(jìn)行全面細(xì)致的分析，采用定量研究的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際應(yīng)力變化場(chǎng)進(jìn)行模仿，提升設(shè)計(jì)的安全性。

4 工程實(shí)例

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，巷道頂板采用錨桿+鋼帶+網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿采用直徑22mm螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.2m，每孔裝藥量2卷，配（12O×l2O×6）mm 的碟形托盤(pán)和金屬網(wǎng)支護(hù)。巷中打兩趟錨索，錨索排距2m，錨索間距不大于3m。煤幫采用錨桿網(wǎng)支護(hù)，排距與頂錨桿相對(duì)應(yīng)，上下幫每排各3根，錨桿采用直徑20mm 的右旋等強(qiáng)錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為2m，每孔裝藥量1卷，配（12O×l2O×6）mm 的碟形托盤(pán)和菱形金屬網(wǎng)支護(hù)。如圖1所示。

5 應(yīng)用分析

5.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)圍巖分類(lèi)結(jié)果，頂板大青灰?guī)r屬于Ⅰ～Ⅱ類(lèi)圍巖?？紤]到巷道的頂板巖層組合是變化不定的，有些位置大青灰?guī)r的厚度可能較小。綜合圍巖分類(lèi)和數(shù)值模擬分析結(jié)果，頂板比較完整時(shí)不需要支護(hù)，頂板不完整時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)；頂板厚度1-2m之間時(shí)進(jìn)行支護(hù)，大于2m時(shí)不需要支護(hù)。錨桿支護(hù)的下述參數(shù)的設(shè)計(jì)原則是：在成本相近的條件下優(yōu)先采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)和材料，并研究試用更經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)材料，適應(yīng)錨桿支護(hù)的要求。

（1）錨固形式

本設(shè)計(jì)確定采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，在機(jī)具等條件具備時(shí)優(yōu)先采用全長(zhǎng)錨固錨桿。加長(zhǎng)錨與全長(zhǎng)錨固與端頭錨固相比的優(yōu)點(diǎn)是：防止頂板巖層的相互錯(cuò)動(dòng)，提高巖層的抗剪能力；可以阻止任何兩點(diǎn)的相對(duì)變形和離層，保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性；錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度加大，能有效地限制圍巖變形；避免了因錨桿托盤(pán)上巖石塌落后引起的錨桿失效，使錨桿始終發(fā)揮其自身的較大錨固力。

（2）錨桿結(jié)構(gòu)

為了滿(mǎn)足加長(zhǎng)錨固的需要，錨桿桿體選擇已獲專(zhuān)利的金屬粗尾錨桿，桿尾螺紋規(guī)格為M24，采用滾絲加工工藝而成。螺母為加厚螺母。這種錨桿的強(qiáng)度高，延伸率大，在錨尾位置保證不發(fā)生破斷，表面的凹凸紋理可以保證錨固劑與桿體間的足夠的錨固力。

（3）桿體直徑

錨桿直徑選擇主要從如下二個(gè)方面考慮：（1）技術(shù)合理性：?jiǎn)渭儚木S護(hù)圍巖穩(wěn)定性的角度上看，錨桿阻力越大越好，即桿體直徑越大，越能保持巷道的穩(wěn)定性。但是，在孔徑一定的條件下，錨桿直徑的加大則意味著錨固厚度的減少，錨固劑厚度為3mm時(shí)錨桿的錨固力最大。（2）經(jīng)濟(jì)合理性：鉆孔的直徑是一定的，所以加長(zhǎng)錨固時(shí)錨桿直徑增加，錨固劑的用量卻減少，總的成本并不一定增加很多。綜合上述兩個(gè)因素，確定使用？20mm的桿體直徑。

（4）錨固劑型號(hào)及數(shù)量

頂板錨桿采用樹(shù)脂錨固劑（即錨固長(zhǎng)度為1300mm）。為保證錨桿有可靠的錨固效果，且便于安裝，每孔中裝入兩種速度的錨固劑，即孔底為快速錨固劑，其余為慢速錨固劑。錨固劑直徑為25mm。采用樹(shù)脂錨固劑，型號(hào)為z2550。

（5）托梁及護(hù)網(wǎng)

鋼筋梯子梁：為了保證錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體性和可靠性，保證需要支護(hù)處頂板安全，設(shè)計(jì)使用型號(hào)為。

護(hù)網(wǎng)：頂板采用菱形金屬網(wǎng)滿(mǎn)護(hù)，以防漏頂。金屬網(wǎng)用10#絲編織，網(wǎng)長(zhǎng)度依巷道寬度而定為5.0米，寬度依循環(huán)而定為800mm，網(wǎng)格60*60mm?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用50*50 12#鉛絲 寬度與錨桿排距相適應(yīng)。

（6）托盤(pán)

托盤(pán)的承載能力應(yīng)與錨桿的力學(xué)性相適應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)確定使用中間凸出的方形托盤(pán)。托板型號(hào)為T(mén)120，尺寸為120*120*8mm冷壓碟形鋼板。

5.2兩幫支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)試驗(yàn)得知，8號(hào)煤較硬，f值達(dá)到5左右。所以對(duì)于軌道巷的支護(hù)強(qiáng)度不用過(guò)大。根據(jù)前面的分析，采用的參數(shù)如下。

兩幫采用 18的金屬錨桿，長(zhǎng)度2.2m。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育的情況，采用錨索加固或在不可控段巷道應(yīng)用金屬支架。煤幫在使用金屬粗尾錨桿時(shí)同時(shí)采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。

5.3錨桿間排距設(shè)計(jì)

在頂板及兩幫錨桿參數(shù)確定以后，主要是確定錨桿的布置及位置。根據(jù)《煤巷樹(shù)脂錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，Ⅰ類(lèi)圍巖，而且頂板是灰?guī)r，所以不用支護(hù)；Ⅱ類(lèi)圍巖頂板，頂板較完整的采用單體錨桿，頂板較破碎，使用錨桿加錨網(wǎng)。通過(guò)數(shù)值模擬分析后，驗(yàn)證得出選取的錨桿支護(hù)參數(shù)比較合理。

在巷道頂板比較破碎的位置，錨桿支護(hù)最大間排距為1.0m、最小間排距0.7m。因此，錨桿的間排距為0.7～1.0m。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦回采巷道礦山壓力控制技術(shù)的理論分析，研究得出相應(yīng)實(shí)用理論，尋找到解決礦壓控制與設(shè)計(jì)核心內(nèi)容，從而更好的為之后的生產(chǎn)工作提供良好的理論支持。在完成內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究之前，首先明確開(kāi)挖的具體位置和開(kāi)挖時(shí)間，從而更好的開(kāi)展針對(duì)性調(diào)查，便于在控制過(guò)程中采用準(zhǔn)確有效的措施，保證回采巷道開(kāi)掘和維護(hù)的穩(wěn)定。通過(guò)長(zhǎng)期大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)形成全面的煤礦回采巷道礦山壓力控制研究體系，加強(qiáng)對(duì)于礦山生產(chǎn)研究工作的發(fā)展，采用科學(xué)高效的技術(shù)更好的完成實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的主要問(wèn)題，更好的保證礦山生產(chǎn)過(guò)程中的安全，提升整體礦山的安全系數(shù)，使得煤礦開(kāi)采工作順利高效進(jìn)行，安全作用，使整體煤礦綜合效益高效提升。

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