煤礦大斷面巷道支護設計與應用

李海斌， 李 琰， 范敬豐， 張 丹

(山西省蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000)

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司1301工作面為一次采全高綜采工作面，原設計開切眼巷道斷面為矩形斷面，寬8 m高3.5 m，支護方式為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護。受采礦開采設備及工藝技術(shù)發(fā)展影響，原設計斷面已不滿足現(xiàn)有新設備安裝需要，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定開切眼尺寸變更為寬度9 m、高度4 m，需重新對開切眼支護進行設計。

1 項目背景

1301工作面位于玉溪煤礦井田一盤區(qū)南部東側(cè)，東西走向，大采高綜采工藝回采3#煤層，開切眼寬度9 m、高度4 m、長200 m，為保證巷道施工安全，決定對開切眼進行設計優(yōu)化。

根據(jù)地面勘探鉆孔資料及綜合柱狀圖可知，3#煤層位于山西組下部，埋深大約在500 m～600 m，厚度在5.12 m～7.20 m，平均5.85 m，純煤厚度4.62 m～7.00 m，平均5.71 m，結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采。

煤層特征：該煤層為緩傾斜煤層，煤層傾角小于8°，煤層層理發(fā)育，根據(jù)煤層檢測報告：3#煤層屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。

頂?shù)装鍘r性特征：a)老頂：中粒砂巖，厚度5.3 m；b)直接頂：泥巖，厚度2.4 m；c)直接底：泥巖，厚度1.5 m；d)老底：砂質(zhì)砂巖，厚度8.3 m。

2 1301工作面開切眼支護措施

2.1 支護設計依據(jù)

通過現(xiàn)場對順槽頂?shù)装邈@孔取芯，可掌握3#煤層、頂板巖層、底板巖層的巖性及分層厚度等物理力學性質(zhì)參數(shù)。根據(jù)得到的參數(shù)可為開切眼支護形式與參數(shù)提供理論基礎依據(jù)，采用工程類比法確定開切眼的支護形式和支護參數(shù)[1-3]。

2.2 支護材料性能合理匹配及優(yōu)選

2.2.1 錨固劑選擇

考慮錨桿“三徑”的最佳匹配，確定巷道支護錨固劑選用K2335和Z2360型樹脂錨固劑。

2.2.2 錨索規(guī)格選型

根據(jù)玉溪煤礦3#煤層的地質(zhì)力學特點，開切眼頂板采用直徑為Φ21.8 mm、長8 300 mm的1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索。

2.2.3 錨桿規(guī)格選型

開切眼頂板和非采煤幫選用Φ22 mm、長2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿；采幫選用Φ22 mm、長2 000 mm的玻璃鋼錨桿。

2.2.4 錨桿(索)托梁規(guī)格選型

開切眼頂板錨索采用W型鋼帶，其余巷道頂板及巷幫采用由Φ14 mm鋼筋焊接的鋼筋梯子梁作為錨桿拖梁。

2.2.5 錨桿(索)托盤規(guī)格選型

1) 錨桿托盤：頂板及兩幫選用150 mm×150 mm×10 mm鋼板壓制的拱形托盤。

2) 錨索托盤：開切眼頂板錨索因采用W鋼帶護板，故與之配套采用300 mm×280 mm×14 mm(長×寬×厚)的W護板托盤。

2.2.6 護網(wǎng)規(guī)格選型

開切眼頂板及非采幫金屬選擇由10號鐵絲編織的網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片間搭接長度大于100 mm，聯(lián)網(wǎng)間隔小于100 mm；采幫使用塑料阻燃網(wǎng)片。

2.3 支護參數(shù)設計

2.3.1 錨桿(索)支護形式

根據(jù)巷道的圍巖條件和物理力學特征，開切眼頂板及兩幫采用加長錨固。

2.3.2 錨索錨固長度與錨固力

1) 錨索錨固長度：為使錨固系統(tǒng)發(fā)揮最大的效能，按照錨桿桿體極限載荷和樹脂藥卷與圍巖的粘結(jié)強度確定錨桿必須的錨固長度l0。

本次支護采用直徑21.8 mm錨索，錨索的破斷載荷大于500 kN，錨索的錨固段為比較穩(wěn)定的砂巖，錨索的錨固長度計算見式(1)。鉆孔壁與樹脂錨固劑間的粘結(jié)力取τ=3 MPa。

(1)

式中：l0為直徑為Φ=21.8 mm錨索的錨固長度；Pm為設計錨固力，取錨索破斷載荷，MPa；R為錨索孔半徑，15 mm；τ為樹脂藥卷與鉆孔壁的粘結(jié)強度，取τ=3 MPa。

計算需用直徑為Φ=23 mm的樹脂藥卷錨固劑長度l，見式(2)。

(2)

式中：l1為直徑為Φ=22 mm錨索需用樹脂藥卷錨固劑的長度，mm；R1為錨索半徑，取11 mm；R2為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm。

為提高掘進速度同時確保錨索盡快獲得錨固力，考慮到現(xiàn)場施工操作速度和不同藥卷凝膠時間的配合，每孔用一支K2335型和兩支Z2360型樹脂錨固劑，三支錨固劑的總長度為l=1.55 m，則每根錨索的實際錨固長度為式(3)計算結(jié)果。

(3)

式中，L為直徑為Φ=21.8 mm錨索的實際錨固長度，mm。

2) 錨索錨固力計算見式(4)。

PM=2πRτL0=2×3.14×15×3×1.97=556.72 kN

(4)

式中，PM為直徑為21.8 mm錨索的實際錨固力。

2.3.3 錨桿錨固長度與錨固力

1) 錨桿錨固長度：本次錨桿選用錨桿直徑為Φ22 mm，開切眼頂板錨桿錨固的巖層主要為3#煤層和泥巖。由于錨桿錨固的巖體為巷道淺部圍巖，本次按松軟破碎圍巖考慮粘結(jié)力，取τ=1.6 MPa。

Φ22 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的破斷載荷為189 kN。

錨固長度計算見式(5)。

(5)

式中：Pm為設計錨固力，Φ=22 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體的極限載荷為189 kN；R為錨桿孔半徑，取15 mm；τ為樹脂藥卷與鉆孔壁的粘結(jié)強度，取τ=1.6 MPa。

樹脂錨固藥卷長度l計算見式(6)。

(6)

式中：R1為錨桿桿體半徑，取11 mm；R2為樹脂藥卷錨固劑半徑，取11.5 mm。

為保證錨桿盡快獲得錨固力，提高掘進速度，并考慮到施工操作速度和不同藥卷凝膠時間的配合，在實際施工中，每孔采用一支K2335型和一支Z2360型樹脂錨固劑，2卷錨固劑的總長度為l=0.95 m，則每孔實際錨固長度計算見式(7)。

(7)

2) 錨桿錨固力計算見式(8)。

PM=2πRτL0=2×3.14×15×1.6×1.208
=182.02 kN

(8)

2.3.4 錨桿(索)預緊力

根據(jù)國內(nèi)外錨桿支護實踐經(jīng)驗，并結(jié)合開切眼的實際條件與施工機具，選擇錨桿預緊力為其桿體屈服載荷的30%～50%，即頂板錨桿預緊扭矩應大于等于200 N·m，非采煤幫錨桿預緊力扭矩應≥150 N·m，采幫玻璃鋼錨桿預緊扭矩應≥40 N·m；錨索的張拉預緊力≥300 kN。

2.3.5 錨固劑的選型

錨桿采用一支K2335和一支Z2360樹脂錨固劑；錨索采用一支K2335和兩支Z2360樹脂錨固劑；開切眼采幫玻璃鋼錨桿樹脂藥卷錨固劑采用一支Z2360。

3 巷道支護方案實施

開切眼頂板選用規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，呈矩形布置；每排10根；間距900 mm，排距900 mm；靠近非采幫的一根頂錨桿距巷幫450 mm，靠近采幫的一根頂錨桿距巷幫450 mm；安裝預緊扭矩≥200 N·m；非采幫選用規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，呈矩形布置；每排5根；間距900 mm，排距900 mm；起錨高度250 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150mm，安裝預緊扭矩≥150 N·m；采幫選用規(guī)格為Φ22 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，呈矩形布置；每排5根；間距900 mm，排距900 mm；起錨高度250 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150 mm，安裝預緊扭矩≥40 N·m；頂板錨索選用Φ21.8 mm×8 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，呈矩形布置；每排6根；間距1 500 mm，排距1 800 mm；靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150 mm，靠近非采幫的一根頂錨桿距巷幫750 mm，靠近采幫的一根頂錨桿距巷幫750 mm；安裝張拉預緊力≥300 kN。

1301工作面開切眼支護見圖1。

圖1 1301工作面開切眼支護圖

4 支護方式實施效果

4.1 確定開切眼支護方式

針對開切眼大跨度的特點，巷道支護方式選擇為：非采煤幫采用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護；采煤幫采用錨網(wǎng)+木托梁聯(lián)合支護；頂板采用錨網(wǎng)錨梁+W鋼帶聯(lián)合支護。并對支護進行有效計算，做到支護設計有理有據(jù)。

4.2 巷道頂板離層及位移變形監(jiān)測

根據(jù)開切眼完成施工4個月期間對巷道進行頂板離層及巷道位移變形觀測，觀測結(jié)果顯示，巷道兩幫最大變形量32 mm；頂?shù)装遄畲笞冃瘟?9 mm，符合錨桿(索)伸縮率要求，說明該支護方式的選取和錨桿(索)密度、強度、長度等參數(shù)可有效控制巷道圍巖變形，滿足支護要求，

5 結(jié)語

玉溪煤礦1301工作面開切眼距完成施工4個月來，現(xiàn)場施工及后期觀測情況表明，支護設計合理，支護效果良好，支護設計的成功實踐，為大斷面支護設計積累了寶貴的經(jīng)驗，為同類型巷道支護提供了一定的參考借鑒意義。