煤矿井下巷道不稳定性分析及控制技术研究

武润生

（山西宁武德盛煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

巷道稳定性是煤矿井下综采作业的关键，直接关系到井下的综采作业效率和综采作业安全，一旦出现巷道变形、垮塌，不仅影响井下综采作业速度，而且可能会产生严重的人员伤亡问题，造成巨大的人员和经济损失。为了确保综采作业过程中巷道的稳定性，目前主要通过注浆加固、加密支护等方案来提升，但效率不足，无法满足井下快速综采作业的需求，同时在综采面上也是采用交替支护的方案，无法根据综采进度进行跟机支护，对井下综采作业的稳定性和安全性产生了较大的影响。

本文在对巷道不稳定性原因进行简单分析的基础上，提出了一种具有较强通用性的井下锚杆、锚索联合支护结构，在简化支护结构的基础上提升了支护强度，确保了强矿压波动下巷道的稳定性。

1 巷道顶板不稳定性分析

影响井下巷道顶板不稳定的因素很多，主要包括综采作业深度、煤炭硬度、采高、支护强度等方面，为了研究不同因素对巷道不稳定性的影响程度，利用matlab仿真分析软件建立井下煤层模拟块，根据煤层的特性设置煤层的硬度系数为1，其弹性模量为3.69 GPa，工作时的压力取27 kN/m3，对不同综采深度、不同煤炭硬度、不同采高、不同支护强度情况下的巷道顶板稳定性情况进行仿真分析，不同煤炭硬度情况下的仿真分析结果如图1所示[1]。

图1 不同硬度情况下的仿真结果

由仿真分析结果可知，煤层的硬度越大，在矿压作用下煤壁受到的破坏越小，稳定性越高，反之在矿压波动下煤壁的稳定性越差，巷道越容易出现片帮等。

按以上方案分别对其他几个影响因素进行分析，结果表明开采深度越大，巷道顶板的稳定性越弱，特别是当综采深度超过800 m时必须对井下巷道进行加强支护，否则将严重影响巷道稳定性和综采作业安全。在综采作业过程中采高越大，工作过程中巷道的稳定性越差，煤壁的剪切力破坏越严重。支护时的支护强度越大，对抵抗巷道变形的能力就越强，巷道就越稳定。

2 锚网索联合支护

在不稳定性高的巷道中，一般来说其截面较大、煤壁的硬度较小，传统单依靠锚杆的支护结构稳定性较差，因此根据仿真分析结果，本文提出了锚网索联合支护的模式，该支护结构具有较强的通用性，能够将岩壁从双向受力转换为稳定性高的三向受力状态[2]，从而能够更好地起到稳定巷道的作用。通用性的巷道支护结构如下页图2所示。

图2 巷道支护结构图

由图2可知，在支护时锚杆选用直径为22 mm，长度为2 400 mm的锚杆，其通用性较高，能够减少井下巷道支护时的物料种类，提升支护效率，降低物料转运成本。锚索选用直径为18.6 mm，长度为6 400 mm的锚索。锚杆布置时巷帮的间隔按700 mm×800 mm设置，顶板的间隔按700 mm×700 mm设置，锚固时均选用树脂型的锚固剂，锚杆锚固时的预紧力设置为110 N·m，锚索的预紧力设置为150 kN。

3 自移式随机支护

在传统支护方案中，为了保证综采面综采作业的安全性，在新截割成型的区域需要进行临时支护，确保综采作业过程中的稳定性，但临时支护一般采用人工交替支护，效率低、稳定性差，限制了井下综采作业效率的进一步提升，因此本文提出了一种新型的自移式的随机支护系统，该系统由几个独立的分支构成，能够跟随着掘进机的掘进来交替行走，实现随掘进机的随机支护，该自移式的随机支护系统结构如图3所示[3]。

由图3可知，该系统主要包括了8组支架，这些支架通过可拆卸式锁扣连接，支架的数量可以根据煤矿井下的实际情况调整，提高其使用时的灵活性。整个自移动式系统呈现拱形的结构，工作时该系统将掘进机主体防护起来，确保作业时的安全性。该系统中每个支架组均有两个立柱支撑构成，通过液压系统控制，可以根据巷道的高度来调整支护高度，同时实现跟机行走支护。顶支撑体结构采用了X形顶板，能够适应不同顶板的支护需求，支护面积大、可靠性高。在支架的两侧设置有侧支撑结构，主要用于对巷道侧帮进行支护，提高使用时的可靠性。

图3 自移式支护系统结构

4 应用效果

该新型巷道稳定性控制方案应用以后，在巷道顶板和两边设置位移监测装置[4]，用于对综采作业过程中巷道的稳定性进行监测，结果如图4所示。

图4 优化后巷道围岩变形量汇总

由图4可知，优化后巷道顶板的移近量约为113 mm，巷道两帮的最大移近量约为84 mm，巷道顶板变形量比优化前降低了67.5%，巷道两帮变形量比优化前降低了59.4%。

同时根据优化后井下的综采作业情况，经过实际对比分析，新的控制技术能够将巷道支护效率提升11.8%，同时将综采面人员数量降低32.1%，将综采效率提升14.6%，对提升井下综采作业效率和安全性具有十分重要的意义。

5 结论

1）煤层的硬度越大，巷道稳定性越高，支护力越强，巷道稳定性越高，综采作业深度越大，巷道稳定性越差，综采作业高度越大，巷道稳定性越差；

2）锚网索联合支护具有较强的通用性，能够将岩壁从双向受力转换为稳定性高的三向受力状态，从而能够更好地起到稳定巷道的作用；

3）自移式的随机支护系统，能够实现跟机自动支护，可靠性高、稳定性好。

4）优化后板变形量比优化前降低了67.5%，巷道两帮变形量比优化前降低了59.4%；

5）新的支护结构，能够将巷道支护效率提升11.8%，将综采面人员数量降低32.1%，将综采效率提升14.6%。