工作面回風(fēng)順槽支護(hù)方案設(shè)計(jì)及支護(hù)效果分析

張 蕾

（西山煤電集團(tuán)屯蘭礦安監(jiān)處監(jiān)察隊(duì)， 山西 太原 030206）

引言

影響煤炭產(chǎn)量及生產(chǎn)效率的因素眾多，主要包括有煤炭綜采工作面大型機(jī)電設(shè)備的自動化程度、綜采工作面的支護(hù)效果以及采煤技術(shù)等。就綜采工作面的支護(hù)而言，錨桿支護(hù)技術(shù)較其他支護(hù)技術(shù)已經(jīng)處于領(lǐng)先，而且錨桿支護(hù)技術(shù)為將來綜采工作面支護(hù)的發(fā)展方向。合理的支護(hù)設(shè)計(jì)是煤礦安全生產(chǎn)的前提，不僅能夠提高煤炭產(chǎn)量，而且還能夠保證作業(yè)人員的安全。支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性和可行性一方面取決于支護(hù)理論的先進(jìn)性，另一方面與工作面圍巖、煤層以及工作面地質(zhì)、水文條件相關(guān)。因此，綜采工作面巷道圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)是技術(shù)人員在不斷創(chuàng)新、實(shí)踐、再創(chuàng)新的努力下不斷完善而成，使其符合工作面的圍巖、煤層的特征，為取得良好的支護(hù)效果提供基礎(chǔ)[1-2]。本文以應(yīng)用最廣泛的錨桿支護(hù)技術(shù)為研究對象，以屯蘭礦運(yùn)輸順槽為載體，針對其所存在的支護(hù)問題對原有支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化并對優(yōu)化后的支護(hù)效果進(jìn)行分析。

1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)原則

簡單地說，工作面支護(hù)的主要目的是控制圍巖的變形。屯蘭礦運(yùn)輸順槽所采用的支護(hù)方式為錨桿支護(hù)，為確保優(yōu)化后的支護(hù)效果有明顯提升并滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，在優(yōu)化過程中也需遵循錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的原則。

1.1 高強(qiáng)支護(hù)原則

設(shè)計(jì)時需確保錨桿具有足夠的抗拉強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力和錨固力。為保證巷道圍巖的承載能力，需提升錨桿的自主支護(hù)能力，即便在實(shí)際支護(hù)中錨桿出現(xiàn)變形，也要求錨固段處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

1.2 柔性讓壓原則

由于巷道圍巖的強(qiáng)度較低，一旦有來壓，其塑形變形較大。當(dāng)采用錨桿支護(hù)方式時無法滿足圍巖變形大的要求，從而失去錨桿應(yīng)有的支護(hù)效果。因此，針對軟巖巷道應(yīng)選擇高強(qiáng)度高延伸率的錨桿，使得錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)主動支護(hù)的效果。

1.3 三位一體原則

工作面中兩肩角、兩幫角應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)的相關(guān)參數(shù)時應(yīng)將頂板、兩幫以及底板之間的相互影響考慮到其中，尤其是兩肩角和兩幫角的支護(hù)為關(guān)鍵[3]。

2 順槽原有支護(hù)分析

2.1 工作面概述

本文所研究煤礦的生產(chǎn)能力為60萬t/a，目前主要開采4號煤層和5號煤層。其中，4號煤層屬于薄煤層；5號煤層的平均厚度為5.08 m。本文所研究的工作面長度為713 m，傾向長度為146 m，工作面直接頂為泥巖，老頂為砂巖。其中的順槽為矩形斷面，斷面高為3.2 m，寬為5 m，工作面煤層傾角范圍為2°～5°。運(yùn)輸順槽的頂板為層狀復(fù)合頂板，煤層上巖體為軟硬交替層狀巖石，并伴有少量煤矸石。在實(shí)際開采過程中，該工作面受地質(zhì)條件、相關(guān)支護(hù)參數(shù)的影響，出現(xiàn)了巷道頂板下沉、兩幫收縮以及支護(hù)體被破壞的現(xiàn)象。

2.2 原有支護(hù)方案分析

該工作面采用的支護(hù)方式為錨桿支護(hù)，其頂板和兩幫的原支護(hù)參數(shù)如下：

1）頂板支護(hù)參數(shù)：錨桿間的排距為1 000 mm×1 500 mm，每排共有4根錨桿。所選錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼筋，直徑為20 mm，長度為2 m；采用兩支不同規(guī)格的樹脂藥卷固定，一支型號規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為K2360。錨索間的排距為1 000 mm×3 000 mm；所選錨索為鋼絞線錨索，直徑為18.9 mm，長度為7 300 mm；錨索采用三支樹脂藥卷進(jìn)行固定，一支型號為K2335，另外兩支型號為K2360；錨索托梁采用長度為0.5 m的工字鋼，垂直不至于巷道中。

2）兩幫支護(hù)參數(shù)：錨桿排距為1 500 mm，錨桿與錨桿之間的距離為1 000 mm，每排共有3根錨桿；所選錨桿的類型為左旋螺紋錨桿，直徑為18 mm，長度為1 800 mm；采用兩支規(guī)格型號為K2360的樹脂藥卷進(jìn)行固定。

2.3 原支護(hù)方案下順槽變形

本文通過工作面日常生產(chǎn)中頂板的相對位置進(jìn)行記錄，得出如圖1所示隨著時間的推移頂板下沉的監(jiān)測結(jié)果以及如圖2所示頂板的下沉速度。

圖1 工作面運(yùn)輸槽頂板下沉量

圖2 工作面運(yùn)輸槽頂板下沉速度

分析圖1可知，工作面開采到第12 d后頂板的變形逐漸趨于穩(wěn)定，即開采12 d后頂板的下沉量趨于最大；分析圖2可知，開采的第2 d頂板的下沉速度最大。造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)橹ёo(hù)抵抗頂板垂直載荷的效果較差，導(dǎo)致工作面頂板的下沉量較大。因此，需對工作面運(yùn)輸槽的原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化并改進(jìn)。

3 工作面支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

3.1 順槽錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于錨桿固定時外露的長度要求為0.1 m，錨桿的有效長度為1.8 m。因此，錨桿的總長度最短為1.9 m。錨桿進(jìn)入巖層內(nèi)的深度為500 mm，故設(shè)計(jì)錨桿長度為2.5 m。

所選錨桿為直徑20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，根據(jù)該型號錨桿的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出錨桿承受煤體的重力，如式（1）所示[4]：

式中：G代表錨桿承受煤體的重力；k代表動壓影響系數(shù)，k=0.018 4；D代表錨桿的排距，取D=3.3 m；S代表冒落包絡(luò)線內(nèi)巖體的截面積，S=1.8 m2；γ代表頂板巖體的容重，取γ=2 kN/m3[5]。將上述參數(shù)帶入式（1）得：錨桿所承受煤體的重力為173.55 kN。

由于所選錨桿的屈服強(qiáng)度為65 kN，則每排錨桿的根數(shù)為173.55/65=4.67。則，取每排錨桿的根數(shù)為5根。

綜上所述，該工作面順槽的支護(hù)參數(shù)如下：每排錨桿數(shù)量為5根，錨桿選用直徑為20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，且錨桿間排距為900 mm×1 400 mm。

根據(jù)上述錨桿的選型，根據(jù)錨索計(jì)算得出錨索的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果：所選的錨索為直徑為20 mm低松弛鋼絞線，型號為L8300；錨索間的排距為1 600 mm×1 400 mm，錨固長度為1.5 m。

3.2 優(yōu)化效果分析

將優(yōu)化后的支護(hù)方案應(yīng)用于工作面順槽中，并對應(yīng)用后的效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化支護(hù)方案下頂板下沉量

表1 優(yōu)化前后支護(hù)效果對比分析 mm

除了對頂板下沉量進(jìn)行監(jiān)測外，還對兩幫的收斂情況進(jìn)行了對比分析，如表1所示。

分析表1可知，對原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化后，在開采過程中頂板的下沉量、兩幫收斂量兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均有很大的改善，說明優(yōu)化后的支護(hù)方案支護(hù)效果極佳。

4 結(jié)語

工作面的支護(hù)效果直接決定綜采工作面生產(chǎn)的安全性，進(jìn)而決定著綜采工作面的生產(chǎn)效率。在實(shí)際開采中，應(yīng)綜合考慮工作面的地質(zhì)條件、水文條件、煤層特征等因素，確保所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能夠達(dá)到最佳的支護(hù)效果，為煤礦安全、高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。