昌泰煤业1502皮带顺槽支护技术研究

时间：2024-07-28

郭洪臣

（山西寿阳潞阳昌泰煤业有限公司，山西晋中 045400）

皮带顺槽支护质量直接影响回采效率。本文以昌泰煤矿1502皮带顺槽支护为研究对象，对围岩进行单轴压缩试验、巴西劈裂法试验、变角剪切试验，试验测得围岩基本力学参数；使用钻孔窥视仪技术对围岩钻孔10 m范围破坏情况进行考察，分析不同距离段破坏情况；运用FLAC3D对围岩破坏情况进行数值模拟。以上述基础理论研究为基础，制定了巷道支护措施[1-5]。

1 概况

昌泰煤业1502运输巷所在煤层为15#煤层，平均厚度2.63 m，构造简单，煤层顶板为砂质泥岩，煤层底板为泥岩，倾角5°。1502皮带顺槽设计长度1141 m，巷道方位角246°，支护巷道宽4.5 m，高3 m。巷道原支护设计如图1，帮部和顶部均使用高强度螺纹钢锚杆，锚杆为Ф18 mm×2000 mm，树脂锚固剂。通过数据分析，锚杆的锚固力均不低于10 t。顶板施工永久锚杆3个，左右帮分别施工永久锚杆4个。

图1 巷道支护措施（mm）

2 力学试验、钻孔窥视仪分析及数值模拟

为对巷道支护措施进行优化，首先需要对巷道周围围岩应力情况进行理论分析。

2.1 基本参数测定

对1502皮顺槽顶板泥岩和煤体力学性质进行考察，测定基本参数。采用的测定方法为：单轴压缩试验法，测定试件的单轴抗压强度；巴西劈裂法试验，测定试件的抗拉强度；变角剪切试验，测定试件的抗剪参数。

测试出的参数见表1。

表1 围岩基本参数表

2.2 数值模拟

巷道掘进过程，巷道围岩整体稳定性决定了巷道后期支护强度要求。现以试验测定的围岩基本参数及不同岩性的力学参数为依据，对巷道围岩整体稳定性进行数值模拟分析。不同围岩基本力学参数见表2，运用FLAC3D进行围岩稳定性模拟，模拟巷道围岩位移云图如图2。

表2 巷道围岩物理力学参数

图 2 巷道围岩位移模拟图

巷道开挖后巷道表面变形破坏，应力集中区向深部转移，巷道表面位移量呈线性增加，顶板和两帮监测点位移速度明显大于巷道底板监测点。由图2（d）可知，施加支护后围岩变形量明显降低，逐渐趋于水平。巷道围岩变形稳定后，巷道顶板变形量较大，为31.8 mm。由巷道围岩位移云图2（a）可知，巷道顶板变形明显大于巷道两帮和底板，巷道围岩的最大变形量处于巷道顶板中部为31.8 mm，其次为巷道两帮。在巷道两帮围岩深部区域形成应力集中区，从巷道围岩应力分布图2（b）可知，巷道围岩最大主应力极值点位于巷道左右两帮，距离巷道表面距离约为3.2 m，应力极值为8.6 MPa，应力集中系数为2.38，而巷道顶板围岩浅部最大主应力最小，仅为0.04 MPa。从最小主应力云图2（c）和塑性区分布图2（e）可知，巷道两帮围岩的应力状态明显好于巷道顶底板。巷道底板拉应力区域较大，底板拉应力极值最大为0.82 MPa。巷道围岩主要发生塑性剪切破坏，其中，两帮围岩剪切破坏范围较大，剪切塑性区的最大厚度为3.5 m；底板围岩塑性破坏区次之，最大厚度为1.5 m；顶板剪切塑性区最小，为1.0 m。巷道底板围岩发生塑性拉伸破坏，拉伸塑性区的厚度约为0.2 m。

3 优化支护措施

根据力学参数、数值模拟结果可知，巷道变形范围最大的位置为顶板，顶板在竖向应力载荷作用下最大位移量为31.8 mm；其次为巷道两帮产生的水平位移量，最大位移量8.6 mm。巷道最大载荷为8.6 MPa，目前巷道支护措施中，顶板使用了3根锚杆，左右帮分别使用了4根锚杆，顶板3根锚杆间距1250 mm，左右帮锚杆竖向间距900 mm。通过分析，目前顶板锚杆布置情况和支护强度完全可以满足支护要求。由于左右帮主要为水平载荷，且载荷分布主要在巷道中部位置，因此，需要将左右帮的锚杆竖向间距缩短。通过分析，将左右帮锚杆竖向距离调整到800 mm，优化后支护措施如图3。

图3 优化后巷道支护措施（mm）

4 效果考察

对优化后的巷道支护措施进行后期效果考察，主要考察巷道顶板和巷道左右帮部位移量，考察期为75 d。由图4可知，巷道顶板深部最大变形量为41 mm，浅部最大位移量为18 mm，左右帮深部最大位移量为21 mm，浅部最大位移量为11 mm。现场考察未发现巷道出现大的变形，和原设计支护措施相比，左右帮稳定性更好。优化后的支护措施可以有效控制巷道左右帮变形量，在使用同等材料情况下，支护的巷道稳定性更好。

图4 位移分析图