【正文】 XX 煤礦 回風(fēng)大巷及輔運大巷支護初始設(shè)計 XX 科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部 1 摘 要 本設(shè)計是 XX 煤礦回風(fēng)大巷及輔運大巷支護初始設(shè)計 。采用 動態(tài)信息支護設(shè)計法 進行錨桿支護設(shè)計。設(shè)計步驟包括試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估，初始設(shè)計，綜合監(jiān)測和信息反饋，修正設(shè)計和日常監(jiān)測。在詳細(xì)調(diào)查試驗地點和評估地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合豐富的設(shè)計經(jīng)驗，提出初始設(shè)計。它包括支護形 式和參數(shù)，支護材料，井下施工工藝和安全措施，礦壓監(jiān)測等內(nèi)容。該設(shè)計實施于井下后，還應(yīng)得到礦壓監(jiān)測的驗證或修改。 關(guān)鍵詞 ： XX 煤礦 回風(fēng)大巷 輔運大巷 支護初始設(shè)計 動態(tài)信息設(shè)計 2 目 錄 摘要 前言 1 錨桿支護設(shè)計方法介紹 2 試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估 3 錨桿支護初始設(shè)計 4 錨桿支護材料 5 井下施工工藝和安全措施 6 礦壓監(jiān)測 7 噴射混凝土 3 XX 煤礦 回風(fēng)大巷及輔運大巷支護初始設(shè)計 前言 巷道支護技術(shù)是煤炭 開采工程中的一項關(guān)鍵技術(shù)。安全、合理、有效的巷道支護技術(shù)是保證礦井高產(chǎn)高效的必要條件。然而眾所周知，煤礦巷道的圍巖條件是千變?nèi)f化的，隨著開采深度加大，地質(zhì)條件會更加復(fù)雜和惡劣。采用何種支護方式才能確保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困擾廣大工程技術(shù)人員的一大技術(shù)難題。 XX 井田位于山西省長子縣東部，屬長子縣丹朱鎮(zhèn)、宋村鄉(xiāng)、南漳鎮(zhèn)、大堡頭鎮(zhèn)管轄。井田屬于太行山中段西側(cè)長治盆地的西側(cè)，地勢西高東低，海拔高度在 之間。井田內(nèi)地層總體走向為近南北向 — 北北東向，傾向西，傾角 1176。 — 12176。疊加有軸向為南北向、北北東向兩組寬緩褶皺。井田內(nèi)共含有可采煤層3 層，其中 3煤層為主要開采煤層。 3煤層位于山西組下部，煤層厚度 — ，平均 。煤層結(jié)構(gòu)簡單。 XX 礦井是設(shè)計能力為 300Mt/a。根據(jù)開采煤層賦存特點、頂?shù)装鍘r性，確定大巷大部分沿煤層布置。由于煤層大巷要求的斷面很大，寬度達(dá) 6m，高度近 4m，斷面積近 24 m2。再加上煤層比較破碎，支護難度很大。若采用傳統(tǒng)的棚式支架支護，如此大的斷面從技術(shù)上就是不可行的。因此，煤層大巷支護技術(shù)已成為 XX 礦井亟待解決的重大課題 。 錨桿支護是唯一能有效解決上述支護難題的技術(shù)途徑。根據(jù) XX 煤礦煤層大巷的特點，進行全面、系統(tǒng)、深入的研究和試驗，對推動 XX 煤礦的快速、高效建設(shè)和生產(chǎn)，以及本礦區(qū)煤巷錨桿支護技術(shù)大面積應(yīng)用和健康發(fā)展，提高巷道支護效果，降低支護成本，實現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要意義。 XX煤礦作為一個基建礦井，剛剛涉及煤巷錨桿支護技術(shù)。由于巷道斷面較大，煤層又比較破碎，特點顯著，與其它礦井的煤巷條件有較大差別。因此，從大巷開始就進行全面、系統(tǒng)的錨桿支護技術(shù)研究是非常必要的，該項目必將使 XX煤礦巷道 4 支護技術(shù)在高起點上快速發(fā)展，為礦井的 高效、節(jié)約化建設(shè)和生產(chǎn)創(chuàng)造良好的條件。 以下是 XX 煤礦回風(fēng)大巷及輔運大巷的支護初始設(shè)計 。它包括地質(zhì)力學(xué)調(diào)查，支護形式和參數(shù)設(shè)計，支護材料選擇，井下施工工藝和安全措施，礦壓監(jiān)測設(shè)計等內(nèi)容。該設(shè)計實施于井下后，還應(yīng)進行礦壓監(jiān)測，以驗證或修改本設(shè)計，保證巷道安全。 1 錨桿支護設(shè)計方法介紹 現(xiàn)有的錨桿支護設(shè)計方法很多，如基于以往經(jīng)驗和圍巖分類的經(jīng)驗設(shè)計法，基于某種假說和解析計算的理論設(shè)計法，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計法。大量實踐經(jīng)驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點，因而達(dá) 不到理想的設(shè)計效果。只有采用包括試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測和信息反饋、修正設(shè)計和日常監(jiān)測的動態(tài)信息設(shè)計方法 ,才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計方法。其中試驗點調(diào)查包括圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進行地質(zhì)力學(xué)評估和圍巖分類，為初始設(shè)計提供可靠的參數(shù)。初始設(shè)計采用數(shù)值計算和經(jīng)驗法相結(jié)合的方法進 行，根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實測數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設(shè)計。然后將初始設(shè)計實施于井下，并進行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿 受力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果驗證或修正初始設(shè)計。正常施工后還要進行日常 監(jiān)測，保證巷道安全。本設(shè)計包括試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估，錨桿支護初始設(shè)計，井下施工所需材料、設(shè)備和工藝，礦壓監(jiān)測設(shè)計和儀器等內(nèi)容。 2 試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估 XX 回風(fēng)大巷及輔運大巷的布置如圖 1。 圖 1 回風(fēng)大巷及輔運大巷布置圖 根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料，回風(fēng)大巷現(xiàn)在都是沿頂板掘進，輔運大巷沿底板掘進， 5 從頂板地應(yīng)力測試孔所取出的巖芯來看（圖 2），巷道直接頂是 15m 左右的砂質(zhì)泥巖，灰黑色，裂隙發(fā)育；砂質(zhì)泥巖之上為約 3m左右的泥巖，灰黑色、無巖芯； 泥巖之上為砂質(zhì)泥巖，厚度約為 1m，灰黑色、巖芯成小片狀，有自然裂隙；砂質(zhì)泥巖之上為泥巖，厚度約為 ，灰黑色、水平紋理發(fā)育，可見植物化石，基本無巖芯；再往上為泥質(zhì)砂巖，厚度為 ，灰色，夾薄層細(xì)砂巖。 巖 性 厚度（ m） 累計厚度 （ m） 巖層柱狀 巖 性 描 述 泥巖 灰黑色，巖芯破碎，取芯 20% 砂質(zhì)泥巖 1 19 灰黑色，巖芯成小段狀，取芯 40% 泥巖 3 18 灰黑色，巖芯破碎，取芯 30% 砂質(zhì)泥巖 15 15 灰黑色，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈小段狀，裂 隙發(fā)育，有夾層 泥，取芯率 40% 圖 2 綜合柱狀圖 地質(zhì)構(gòu)造 根據(jù)礦方提供的《山西省沁水煤田長治礦區(qū) XX 井田 3 號煤層勘探（精查）地質(zhì)報告》評審意見書，井田內(nèi)沿走向及傾向伴有落差大小不一的斷層 6 條，其中正斷層 3 條，逆斷層 3 條。作為井田北界的二崗山南北正斷層全長大于 40km，其中井田內(nèi) 3 號煤層處延伸 ，落差 130m。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱和巖漿巖。構(gòu)造屬簡單類型。 水文地質(zhì)情況 根據(jù)礦方提供的資料，礦井主要含水層為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層及太原組石灰?guī)r溶蝕裂隙含水層， 各含水層富水性奧灰?guī)r的含水性較強，其余含水層一般較弱，對礦井充水影響較??；奧灰水水位標(biāo)高為 ，高于 3 號煤層底板 ，屬于承壓開采，一般情況下在無構(gòu)造溝通時 3號煤層不會發(fā)生底板突水。 地應(yīng)力 2021 年在回風(fēng)大巷及輔運大巷進行了水壓致裂地應(yīng)力測量，測試結(jié)果回風(fēng)大巷附近最大水平主應(yīng)力為 ，方向為 N22176。 E，最小水平主應(yīng)力為 ，垂直主應(yīng)力為 ；輔運大巷附近最大水平主應(yīng)力為 ，方向為 N27176。 E，最小水平主應(yīng)力為 ，垂直主應(yīng)力為 。 粘結(jié)強度測試 采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。測試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計錨固深度上進行三組拉拔試驗。粘結(jié)強度滿足設(shè)計要求后方可在井下施工中采用。 6 3 錨桿支護初始設(shè)計 設(shè)計原則 支護參數(shù)確定的原則 (1) 一次支護原則。錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。一方面，這是礦井實現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程 ，需要保持長期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。 (2) 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散，擴大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。 (3) “三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長或全長錨固），保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。 (4) 臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應(yīng)大于臨界值。 (5) 相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參 數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。 (6) 可操作性原則。提供的錨桿支護設(shè)計應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。 (7) 在保證巷道支護效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。 支護參數(shù)確定的依據(jù) (1) 鄰近工作面或類似巷道現(xiàn)有支護狀況和礦壓觀測數(shù)據(jù)； (2) 回風(fēng)大巷及輔運大巷詳細(xì)的地質(zhì)資料以及地質(zhì)力學(xué)測試數(shù)據(jù)； (3) 數(shù)值模擬分析結(jié)果； (4) 現(xiàn)有科技成果和工程實踐經(jīng)驗。 7 巷 道支護斷面設(shè)計 考慮到掘進過程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計回風(fēng)大巷及輔運大巷的掘進斷面尺寸如下：回風(fēng)大巷斷面呈矩形，凈斷面寬 ，高 ，掘進斷面分別為寬 ，高 ，掘進斷面 ；輔運大巷掘進斷面尺寸為：巷道斷面呈矩形，凈寬 ，高 ，掘進斷面為寬 ，高 ，掘進斷面積，出車線附近斷面為寬 ，高 ，掘進斷面 m2。 錨桿支護初始設(shè)計 輔運大巷模擬方案 輔運大巷埋深 420m 左右 ，地應(yīng)力較高，煤層強度較低，巷道服務(wù)時間長，因此需要采用強力錨桿 +錨索支護系統(tǒng)進行支護。為了得到最優(yōu)支護設(shè)計方案，采用了三維離散元軟件（ 3DEC）進行了數(shù)值模擬研究。 模擬方案如下： （ 1）無支護條件下的巷道變形和應(yīng)力分布。 （ 2）采用錨桿支護條件下的巷道變形和應(yīng)力分布。 （ 3）改變頂板錨桿數(shù)目，分別模擬了頂板錨桿為 6， 7， 8 根三種。 （ 4）改變錨桿排距，分別模擬了錨桿排距： 800mm， 1000mm， 1200m 三種情況。 （ 5）改變錨索，分別模擬了有錨索和無錨索兩種情況。 輔運大巷數(shù)值模擬結(jié)果 （ 1）無支護條件下巷道圍巖變形和應(yīng)力分布 圖 3 給出了無支護條件下巷道圍巖變形分布。從圖 3 可以看出巷道頂板和兩幫變形較大：其中頂板中間部分變形最大，達(dá)到 7587mm，巷道兩幫變形為 60~75mm。巷道局部最大變形達(dá)到 。 圖 4 給出了無支護條件下巷道垂直應(yīng)力分布。從垂直應(yīng)力分布看，巷道頂板和底板垂直應(yīng)力下降最為明顯，應(yīng)力等值線呈拱形分布，應(yīng)力下降區(qū)進入頂、底板深度很大，隨著進入頂?shù)装迳疃仍黾?，垂直?yīng)力恢復(fù)為正常水平；而巷道兩幫表面垂直應(yīng)力下降明顯，低于正常水平，但進入兩幫較深部位，垂直應(yīng)力迅速升高， 高于正常水平，隨著進入深度增加，兩幫垂直應(yīng)力恢復(fù)正常水平。 圖 5 給出了無支護條件下巷道水平應(yīng)力分布。從水平應(yīng)力分布看，巷道兩幫水平應(yīng)力下降區(qū)進入兩幫深度很大，而且兩幫表面水平應(yīng)力下降劇烈，是潛在的拉深伸應(yīng)力破壞區(qū)；巷道頂?shù)装灞砻嫠綉?yīng)力下降幅度較大，但隨著進入頂?shù)装迳疃燃由?，水平?yīng)力逐漸升高，并出現(xiàn)一個水平應(yīng)力升高區(qū)，然后又逐漸恢復(fù)正常水平。 8 圖 3 無支護巷道圍巖變形