回坡底煤礦近距離煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

李 濤

(霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司 白龍礦建分公司綜采二隊(duì)，山西 臨汾 031400)

隨著各礦井逐步實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)，礦井淺部賦存的上組煤資源逐步枯竭，已經(jīng)逐步對(duì)下部賦存的下組煤資源進(jìn)行了開采。而一些煤礦下部賦存煤層之間的層間距較近，加之下組煤的埋深較上組煤較深，在對(duì)近距離煤層中的下部煤層開采時(shí)，將會(huì)遇到礦壓顯現(xiàn)劇烈、布置工作面困難、回采巷道維護(hù)頻繁、支護(hù)效果不理想等問題。因此，需要對(duì)在近距離煤層采空區(qū)條件下，下部煤層工作面回采巷道的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析研究，以保證井下快速掘進(jìn)，減少回采巷道維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工作面基本情況

霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦位于山西省洪洞縣西北的劉家垣鎮(zhèn)一帶，礦井采用斜井開拓的方式，布置4個(gè)斜井，產(chǎn)能120萬t/a，屬低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型中等，目前對(duì)10號(hào)煤層和11號(hào)煤層進(jìn)行開采。

11-102工作面位于2號(hào)風(fēng)井保安煤柱以北，地表絕大部分為耕地，區(qū)域內(nèi)無小煤窯、塔架線路等構(gòu)筑物，地面標(biāo)高+838～+930 m。井下位于556水平，井下標(biāo)高+504～+562 m，地處東一采區(qū)右側(cè)，北臨已完成回采的10-103工作面采空區(qū)，西臨3條東一采區(qū)大巷，東、南部均為未進(jìn)行采掘活動(dòng)，上覆已回采結(jié)束的10-102工作面采空區(qū)，10號(hào)、11號(hào)煤層之間的層間距6.1 m。

11-102綜采工作面對(duì)11號(hào)煤層進(jìn)行開采，厚度范圍3.2～3.5 m，平均3.35 m；傾角范圍1～8°，平均3°；含夾1～3層，其平均厚度為0.3 m；煤種屬1/3焦煤。其直接頂巖性為平均厚度3.6 m的泥巖；老頂巖性為平均厚度2.5 m的粉砂巖，老頂向上即為10號(hào)煤層10-102工作面采空區(qū)；直接底巖性為平均厚度2.5 m的鋁質(zhì)泥巖。相鄰的10-103工作面掘進(jìn)時(shí)，已對(duì)10-102工作面積水進(jìn)行了疏放，目前僅在11-1021巷低洼處頂板有少量淋水，水量約為2 m3/h。因此，11-102工作面回采期間不受采空區(qū)積水威脅。

11-102綜采工作面沿煤層走向方向布置兩條回采巷道，其中11-1021巷(正巷)長度為958 m，可采長度為768 m，擔(dān)負(fù)工作面的進(jìn)風(fēng)、行人及運(yùn)煤等任務(wù)；11-1022巷(11-1021巷)長度為978 m，可采長度為768 m，擔(dān)負(fù)工作面的回風(fēng)、行人及進(jìn)出料等任務(wù)；切巷沿傾向方向布置，長度為235 m。

11-102工作面布置及位置示意如圖1所示。

2 工作面回采巷道支護(hù)方案確定

以11-102綜采工作面兩條回采巷道作為試驗(yàn)巷道，11-1021巷與11-1022巷均采用矩形斷面，巷高3.3 m，巷寬4.6 m，斷面積15.18 m2。

1) 將巷道頂板覆巖看作是兩段固定在巷幫上的固定梁結(jié)構(gòu)，那么固定梁結(jié)構(gòu)具有的安全跨度Ls，可由公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：[σ]為直接頂自身的許用應(yīng)力，可通過公式σ=σt/n進(jìn)行計(jì)算。σt為直接頂自身的極限抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)；h為直接頂平均厚度；q為作用于巷道頂板的單位長度載荷。

2) 根據(jù)固定梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，固定梁在其中部位置處所受彎矩有最大值，可以通過公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

M=(1/12)qB2

(2)

式中：B為11-102綜采工作面兩條回采巷道的巷寬。

將11-102綜采工作面兩條回采巷道的相關(guān)參數(shù)代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算，得出11-102綜采工作面兩條回采巷道頂板中部最大應(yīng)力為M(1/12)×19.85×4.62=35 MPa，但是直接頂?shù)淖畲罂估瓘?qiáng)度僅為25 MPa，所以在綜采工作回采過程中，兩條回采巷道頂板最先從其中部發(fā)生垮落的可能性很大。

根據(jù)以上分析，11-102綜采工作面兩條回采巷道頂板自身的承載能力較差，加之上部還有已結(jié)束回采作用的10-102工作面采空區(qū)，因此必須采用具有較強(qiáng)主動(dòng)承載能力的錨、網(wǎng)、索聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)。

3 工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)確定

11-102綜采工作面兩條回采巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

3.1 頂板支護(hù)

錨桿：采用D20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，安裝CK2340型、Z2360型樹脂錨固劑各1支，錨桿預(yù)緊扭矩≥300 N·m，每排布置6根錨桿，間排距800 mm×900 mm。

鋼帶：采用規(guī)格280 mm×4 350 mm的W鋼帶。

錨桿托盤：采用尺寸為150 mm×150 mm×8 mm拱型高強(qiáng)度托盤。

網(wǎng)片規(guī)格：采用10號(hào)鐵絲制做菱形網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格4 600 mm×1 050 mm。

錨索：采用D18.9 mm×5 600 mm鋼絞線，安裝CK2340型、Z2360型樹脂錨固劑各兩支，錨索錨固力≥150 kN，每排布置2根錨索，間排距2 400 mm×1 800 mm。

錨索托盤：采用尺寸為300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板。

3.2 兩幫支護(hù)

錨桿：采用D20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，安裝CK2340型、Z2360型樹脂錨固劑各一支，錨桿預(yù)緊扭矩≥300 N·m，每排布置8根錨桿，間排距900 mm×900 mm。

錨桿托盤：采用尺寸為150 mm×150 mm×8 mm拱型高強(qiáng)度托盤。

網(wǎng)片規(guī)格：采用10號(hào)鐵絲制做菱形網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格3 050 mm×950 mm。

11-102綜采工作面兩條回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)示意，如圖2所示。

圖2 11-102工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)示意(mm)

3.3 巷道支護(hù)理論驗(yàn)算

采用普氏垮落拱理論對(duì)巷道支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)。

3.3.1 巷道圍巖破壞深度

巷道兩幫破壞深度的確定：

(3)

巷道頂板最大垮落高度的確定：

(4)

式中：H為11-102綜采工作面兩條回采巷道的巷高,m；ω為煤層相似內(nèi)摩擦角，ω=arctanfc；fc為煤層自身的普氏系數(shù)，經(jīng)計(jì)算ω=arctan2=63.43°；f為頂板覆巖的普氏系數(shù)，取2.5。代入相關(guān)參數(shù)通過計(jì)算得出，c=779.17 mm，b=1 231.67 mm。

3.3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)

頂板錨桿利用懸吊理論，兩幫錨桿利用加固理論，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，則錨桿長度可由公式(5)進(jìn)行驗(yàn)算：

L≥L1+L2+L3

(5)

式中：L1為錨桿外露的長度，按實(shí)際支護(hù)取50 mm；L2為錨桿的有效長度，通過上述計(jì)算頂板、兩幫分別取1 231.67 mm、779.17 mm；L3為錨桿錨進(jìn)圍巖深度，頂、幫錨桿分別取350 mm、400 mm。代入相關(guān)參數(shù)通過計(jì)算得出，支護(hù)設(shè)計(jì)中，頂錨桿長度2 000 mm>1 631.67 mm；頂錨桿2 000 mm>1 229.17 mm，能夠滿足現(xiàn)場支護(hù)要求。

3.3.3 錨索支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)

錨索排距：D≤Ls/2

(6)

錨索數(shù)目：n=KW/F

(7)

錨索間距：L=nF/[bBγ-(2Qsinθ)/D]

(8)

式中：Ls為上述支護(hù)設(shè)計(jì)中錨索長度，m；K為安全系數(shù)，根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)手冊(cè)取值2；W為被懸吊頂板覆巖的自重，W=B×∑h懸吊×∑γ×D=B×(B÷2f)×γ×D，γ為被懸吊頂板覆巖容重的平均值，取25 kN/m3，代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出W=190.44 kN；F為錨索自身破斷力最小值，根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)取值280 kN；Q為錨桿自身的錨固力，根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)取值60 kN；θ為頂錨桿和頂板之間所呈角度，根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)取值90°。代入相關(guān)參數(shù)通過計(jì)算得出，支護(hù)設(shè)計(jì)中錨索排距1 800 mm<2 800 mm；錨索數(shù)目2個(gè)>1.36個(gè)；錨索間距2 400 mm<3 854.84 mm，能夠滿足現(xiàn)場支護(hù)要求。

4 回采巷道支護(hù)效果礦壓監(jiān)測

每隔15 d對(duì)11-102綜采工作面11-1021巷掘進(jìn)期間的巷道表面位移進(jìn)行支護(hù)效果監(jiān)測，根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果繪制出如圖3所示的巷道表面變形量變化曲線。

通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，巷道支護(hù)后90 d左右后，圍巖可以逐漸趨于穩(wěn)定，總體上巷道變形收斂率較低，巷道頂?shù)装遄冃瘟勘３衷?1 mm左右，為巷道高度的0.64%；兩幫變形量保持在17 mm左右，為巷道高度的0.37%。

圖3 11-1021巷掘進(jìn)期間礦壓監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié) 語

回坡底煤礦11-102綜采工作面上覆已回采結(jié)束的10-102工作面采空區(qū)，10號(hào)、11號(hào)煤層之間的層間距6.1 m，屬于近水平煤層。利用固定梁結(jié)構(gòu)理論對(duì)回采巷道頂板穩(wěn)定進(jìn)行分析后，確定采用具有較強(qiáng)主動(dòng)承載能力的錨、網(wǎng)、索聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)，并在此基礎(chǔ)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。通過對(duì)11-102綜采工作面11-1021巷掘進(jìn)期間進(jìn)行礦壓監(jiān)測，結(jié)果表明巷道總體變形收斂率較低，支護(hù)效果良好，可以推廣到該礦其他11號(hào)煤層綜采工作面的回采巷道支護(hù)當(dāng)中。