深部工作面巷道支護(hù)分析

賀 亮

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037024）

1 工程概況

1.1 工作面位置

2141工作面位于21區(qū)下山西翼，工作面切眼西到礦井邊界煤柱，東為21區(qū)下山煤柱，北鄰2121工作面（已采），南鄰2161工作面（未采）。該工作面上巷為沿空掘巷，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 439 m（平距）；下巷實(shí)體煤掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 537 m（平距）。上巷對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高為+590.1～+614.2 m，井下標(biāo)高為-39.4～-64.8 m；下巷對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高為+590.1～+606.8 m，井下標(biāo)高為-68.7～-97.2 m。工作面平均采深684.4 m。2141工作面下巷的斷面形狀為拱形，毛斷面下寬為4 900 mm，高為3 600 mm；凈斷面下寬為4 200 mm，高為3 600 mm。巷道為全煤巷道，沿底板掘進(jìn)，其中頂煤厚度為19 m左右。巷道平均埋深684.4 m。

1.2 現(xiàn)工作面下巷支護(hù)情況分析

2141工作面下巷采用36 kg/m的U型鋼木背板支護(hù)，斷面形狀為拱形，毛斷面下寬為5 500 mm，高為3 700 mm；凈斷面下寬為4 900 mm，高為3 700 mm。巷道為全煤巷道，沿底板掘進(jìn)，其中頂煤厚度為19 m左右。2141工作面下巷的支護(hù)有如下特點(diǎn)：

1）煤巷道，頂煤厚度大，煤層具有沖擊傾向性。

2）巷道在實(shí)體煤中掘進(jìn)，但靠近21201工作面還預(yù)留一個(gè)150 m的工作面（2161工作面）沒(méi)有開(kāi)采，2181工作面已經(jīng)回采完畢，21201工作面正在回采，2141下巷相當(dāng)于在一個(gè)大煤柱中掘進(jìn)，該煤柱沒(méi)有屈服，巷道受高地應(yīng)力及2101工作面超前支承壓力及2181工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力的共同作用，尤其是高位堅(jiān)硬巖梁的斷裂對(duì)2141工作面下巷造成很大影響，使得該巷道圍巖儲(chǔ)存了大量的彈性能。由于本巷道處于高應(yīng)力區(qū)，所以巷道變形量大且易發(fā)生沖擊，礦壓（兩幫移近和頂板下沉）在巷道掘進(jìn)時(shí)將有明顯的顯現(xiàn)。

巷道破壞嚴(yán)重主要是煤層具有沖擊傾向性以及頂板破碎矸石不穩(wěn)造成的。如果不采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，巷道圍巖的不穩(wěn)定會(huì)愈加劇烈，從而加劇了巷道支護(hù)的難度，致使巷道失穩(wěn)破壞。只有使頂板破碎矸石固化，使之成為一體，發(fā)揮其支承作用，才能改善這種狀況?；谝陨显?，我們通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)定、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)計(jì)出一套經(jīng)濟(jì)、安全、快速并且合理的巷道支護(hù)方案，確保某煤礦能夠正常的進(jìn)行生產(chǎn)[1]。

2 工作面下巷支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

2.1 2141工作面下巷支護(hù)改進(jìn)途徑

根據(jù)2141工作面下巷的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，對(duì)該巷道支護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)的新方案采用爆破卸壓、高壓水力壓裂卸壓，增大巷道斷面，減小巷道通風(fēng)阻力；采用主動(dòng)支護(hù)，提高圍巖自身承載能力。

考慮現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖情況的變化以及機(jī)電運(yùn)輸?shù)确矫娴囊蛩?，斷面的收縮率約按15%計(jì)算，巷道圓拱設(shè)計(jì)為半徑2 000 mm，巷道寬度4 200 mm，巷道高度3 600 mm。

由于2141工作面下巷為全煤巷道，頂煤厚度為1.9 m左右。從井下情況看，該煤層煤質(zhì)相對(duì)較脆，硬度不高，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，煤層具有沖擊傾向性。因此支護(hù)對(duì)策采用主動(dòng)支護(hù)，采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，簡(jiǎn)稱(chēng)錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下，采用減小錨桿支護(hù)的間、排距，加大錨索的長(zhǎng)度等措施處理[2]。

2.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

2141工作面下巷布置在實(shí)煤體2號(hào)煤層中，埋深700 m左右。頂煤厚度約為19 m，煤層傾角20°該煤層煤質(zhì)相對(duì)較脆，硬度不高，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，煤層具有沖擊傾向性。巷道破壞嚴(yán)重主要是頂板破碎矸石不穩(wěn)造成的。只有利用錨桿、錨索加固圍巖、懸吊下部松動(dòng)巖石，錨固在圍巖深部的穩(wěn)定巖層中，使頂板破碎矸石固化，發(fā)揮支撐作用才能減小巷道的破壞、不穩(wěn)定程度。由此巷道采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。再根據(jù)深井巷道支護(hù)原則、原理和方法，巷道斷面形狀選擇為上部呈半圓形，半徑r=2 000 mm，下部呈梯形。最后通過(guò)計(jì)算來(lái)確定錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)。

2.2.1 錨索的長(zhǎng)度

為了保證頂板錨索能錨固到穩(wěn)定的煤層中。通常情況下根據(jù)鉆機(jī)的工作能力和巷道圍巖巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，小型號(hào)錨索長(zhǎng)度在5.5～9.5 m之間，再考慮到巷道寬度和張拉長(zhǎng)度通常為0.4 m等因素。所以錨索的總長(zhǎng)度在5.9～9.9 m之間選擇。一般設(shè)計(jì)的錨索長(zhǎng)度在6～8 m之間滿(mǎn)足要求。所以在這里我們所取錨索的長(zhǎng)度確定為7 m[3]。

2.2.2 錨索的支護(hù)密度

根據(jù)“承載拱”理論，再參考錨固力和試驗(yàn)結(jié)果，錨索間、排距應(yīng)滿(mǎn)足下式：

式中：L為錨索長(zhǎng)度，m；S為錨索間距，m。所以錨索間距為S≤3.5 m。

根據(jù)沖擊地壓礦井深部巷道不穩(wěn)定條件和長(zhǎng)期以來(lái)某煤礦巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，錨索間距確定為2 200 mm，排距確定為1 400 mm。

2.2.3 錨桿的長(zhǎng)度L

錨桿的長(zhǎng)度按如下公式計(jì)算：

式中：L1為錨桿在圍巖以外所露出的長(zhǎng)度，取150 mm；L2為錨桿在圍巖以?xún)?nèi)的有效長(zhǎng)度，mm；L3為錨桿錨固段的長(zhǎng)度，加長(zhǎng)錨固取1 654 mm（使用K2460和Z2460兩個(gè)藥卷）。

錨桿有效長(zhǎng)度L2不能小于巷道嚴(yán)重松動(dòng)破碎的范圍。根據(jù)以往所支護(hù)巷道的破壞情況來(lái)看，巷道松動(dòng)破碎范圍大，取錨桿有效長(zhǎng)度L2=600 mm，則錨桿長(zhǎng)度：L=L1+L2+L3=150 mm+600 mm+1 654 mm=2 404 mm。

綜合考慮機(jī)電運(yùn)輸、安裝、巷道斷面收縮率和巷道尺寸等多方面的因素，確定錨桿長(zhǎng)度為2400mm[4]。

2.2.4 錨桿間排距的確定

要保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，減小巷道的破壞，錨桿必須要有足夠的支護(hù)強(qiáng)度。根據(jù)之前大量巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的支護(hù)強(qiáng)度q應(yīng)在0.25～0.4 MPa之間選取。在這里我們確定為q=0.32 MPa。假設(shè)錨桿的支護(hù)阻力T在150～180 kN之間選取，并且錨桿的間距和排距相等，則0.7～0.8m。

為了加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性和巷道總體的支護(hù)效果，在這里我們?nèi)⌒≈?，確定錨桿的間排距為Sj=Sp=700 mm。

2.2.5 錨桿的類(lèi)型

根據(jù)礦井的地質(zhì)條件以及圍巖（煤層）變形特征，在支護(hù)設(shè)計(jì)中，頂板最小支護(hù)強(qiáng)度為95 t/m，錨桿系統(tǒng)的最大讓壓距離為30 mm，讓壓點(diǎn)170～200 kN。而且要求錨桿工況點(diǎn)應(yīng)在彈性范圍內(nèi)[5]。

根據(jù)以上要求，選用高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿（如圖1所示），其具體參數(shù)如下：

圖1 高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿

桿體直徑d=22 mm，錨桿有效長(zhǎng)度L=2 200 mm；

桿體材料為Q500礦用高強(qiáng)螺紋鋼，其屈服荷載大于100 kN，抗壓荷載大于250 kN。

2.2.6 噴射混凝土

噴層厚度t=80 mm，抗壓強(qiáng)度Sc=22.8 MPa，剪切強(qiáng)度 τb=5 MPa。

3 理論驗(yàn)算錨噴網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性

實(shí)測(cè)原巖應(yīng)力P0=30 MPa；視密度為ρ=2 638 kg/m3；彈性模量 E=9.07×103MPa；泊松比 μ=0.25；黏聚力C=1 MPa；內(nèi)摩擦角φ=39°；R0為半圓拱巷道拱半徑，取2 m。

3.1 錐形剪切體參數(shù)的計(jì)算

起始破壞角α：

椎形剪切體底寬h：

相鄰錨桿間的半夾角δ：

承載環(huán)厚度W：

承載環(huán)剪切長(zhǎng)度S：

剪切滑移線(xiàn)水平軸的平均夾角θ：

在S范圍內(nèi)錨桿根數(shù)n：

式中：e為錨桿間距，取0.7 m。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得n=4。

錨桿與破壞面的夾角β：

3.2 圍巖錨固后的凝聚力C1

式中：i為錨桿排距，取0.7 m；τs為錨桿抗拉強(qiáng)度，200 MPa；F為垂直于加載方向試件的斷面積，3.14 cm2。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得C1=1.13 MPa。

3.3 錨噴后圍巖塑性區(qū)半徑Rp

式中：Pi為噴層抗力，取0.64 MPa。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Rp=3.3 m。

3.4 錨噴后圍巖松動(dòng)區(qū)半徑Rb

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Rb=2.87 m。

3.5 錨桿間距和錨桿有效長(zhǎng)度驗(yàn)算

錨桿間距

錨桿的有效長(zhǎng)度2.2 m＞Rp-R0=3.3-2=1.3 m＞Rb-R0=2.87-2=0.87 m，說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度大于松動(dòng)圈和塑性區(qū)，錨桿的長(zhǎng)度能夠滿(mǎn)足巷道支護(hù)的需要[6]。

圖2 承壓拱理論計(jì)算圖

4 結(jié)論

在進(jìn)行上述理論驗(yàn)算之后，證明了支護(hù)形式的選擇和支護(hù)參數(shù)的確定都是可行的。只有把巷道兩幫位移和頂?shù)装逡平靠刂频皆试S的范圍之內(nèi)才能夠滿(mǎn)足礦井的安全生產(chǎn)。為了保證礦井安全、高效、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行生產(chǎn)，就要選擇一種最合理的支護(hù)方案，該支護(hù)方案的合理與否需要通過(guò)進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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