采空區(qū)下不同斷面尺寸半煤巖巷道支護(hù)研究

胡旌瓏

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

目前，采空區(qū)下半煤巖巷道支護(hù)比較困難，主要影響因素為半煤巖巷道圍巖的非連續(xù)、非協(xié)調(diào)變形破壞特征[1]、上覆采空區(qū)的不均載荷以及巷道的不同斷面尺寸[2]。因此，對采空區(qū)下不同斷面尺寸半煤巖巷道支護(hù)展開研究，設(shè)計(jì)有效的支護(hù)方案，防止巷道圍巖變形破壞非常必要。本文以潞寧煤礦采空區(qū)下31104 綜采工作面不同斷面尺寸巷道為工程背景，通過分析巷道失穩(wěn)機(jī)理，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案。

1 工程背景

（1）工程概況

31104 綜采工作面上距2#煤層27.10～35.88 m。31104 綜采工作面風(fēng)巷為原31102 運(yùn)巷，切眼西北側(cè)為張家溝煤礦，頂部為22106 采空區(qū)，下部為3#煤規(guī)劃未采動區(qū)域，工作面整體位于22102 采空區(qū)及部分22104 采空區(qū)下部。31104 綜采工作面煤層平均厚度為1.6 m，煤層層位穩(wěn)定，厚度及煤質(zhì)變化小，結(jié)構(gòu)簡單煤類單一，屬薄煤層，煤層傾角13°～15°，埋深范圍334～486 m。31104 綜采工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

31104 綜采工作面運(yùn)巷車場高2.8 m，運(yùn)巷機(jī)頭段高3.2 m，回風(fēng)聯(lián)巷高2.8 m，運(yùn)巷運(yùn)輸通道高2.6 m，運(yùn)輸順槽高2.8 m，切眼高1.8 m。因?yàn)?1104 綜采工作面煤層平均厚度1.6 m，所以31104 綜采工作面巷道皆屬于半煤巖巷道。工作面巷道垂直方向示意圖如圖1。

由圖1 可知，22102 綜采工作面及22104 綜采工作面開采后，22102 綜采工作面及22104 綜采工作面直接頂垮落[3-4]，在31104 綜采工作面上部形成采空區(qū)。

圖1 31104 綜采工作面巷道垂直方向示意圖

（2）工程問題

由工程概況可知，31104 綜采工作面巷道直接頂及直接底圍巖易破碎變形，巷道皆屬于半煤巖巷道，且受上覆采空區(qū)影響，巷道易產(chǎn)生底鼓、片幫等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，不同巷道斷面尺寸增加巷道支護(hù)難度。

2 巷道失穩(wěn)原因分析

31104 綜采工作面巷道由于煤層與巖層咬合交錯，巷道幫部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。巷道掘進(jìn)時，當(dāng)傳遞至巷道的垂直應(yīng)力大于煤層的抗壓強(qiáng)度時，煤體發(fā)生擠壓破碎，因?yàn)槊簩优c巖層的抗剪強(qiáng)度及層間聯(lián)結(jié)力低，煤巖交界處受力容易產(chǎn)生破壞。且受采空區(qū)傳遞至31104 綜采工作面巷道的不均載荷影響，巷道煤層與巖層交界處更易產(chǎn)生擠壓剪切破壞，導(dǎo)致巷道圍巖破碎變形。由于巷道斷面尺寸不同，斷面面積越大的巷道越容易在頂板處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。31104 綜采工作面巷道受力示意圖如圖2。

由圖2（a）可知，上覆采空區(qū)產(chǎn)生的不均荷載傳遞至巷道頂板，頂板容易產(chǎn)生彎曲下沉破壞。由圖2（b）可知，半煤巖巷道在煤巖層之間存在切應(yīng)力作用，煤巖交界處易產(chǎn)生剪切破壞，半煤巖巷道在上覆采空區(qū)作用下圍巖變形破壞加劇。為了將31104綜采工作面巷道圍巖變形控制在安全范圍內(nèi)，需要根據(jù)不同巷道斷面尺寸對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)一步展開研究。

圖2 巷道受力示意圖

3 設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)

3.1 錨桿參數(shù)確定

（1）選擇錨桿直徑

錨桿直徑選擇22 mm。

（2）計(jì)算錨桿長度

錨桿的主要作用是將巷道破碎的巖體與完整巖體錨固為一個整體，提升圍巖自身的抵抗破壞的能力。錨桿長度計(jì)算公式如式（1）：

式中：L1為錨桿外露長度，0.15 m；L2為錨桿有效長度（圍巖松動圈深度，現(xiàn)場實(shí)測為0.95 m）；L3為錨固長度，m。

錨固長度應(yīng)同時滿足式（2）、（3）：

式中：k為安全系數(shù)，1.1；d為錨桿直徑，取值22 mm；D為鉆孔直徑，28 mm；fst為螺紋鋼桿體的極限抗拉強(qiáng)度，510 MPa；fcr為錨固劑與圍巖的黏結(jié)強(qiáng)度，3 MPa；fcs為錨固劑與金屬桿黏結(jié)強(qiáng)度，5 MPa。代入計(jì)算可得錨固段長度應(yīng)大于0.808 m。

計(jì)算得錨桿長度大于0.15+0.95+0.808=1.908 m，錨桿長度取2 m。

（3）計(jì)算錨桿間排距

錨桿間排距a計(jì)算如式（4）：

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿錨固力，118 kN；γ為不穩(wěn)定巖層平均重力密度，23 kN /m3；L為錨桿長度，2 m。代入計(jì)算間排距應(yīng)小于1.52 m。

3.2 錨索參數(shù)確定

（1）選擇錨索直徑

錨索直徑選擇21.6 mm。

（2）計(jì)算錨索長度

計(jì)算公式如式（5）：

式中：La為錨固段長度，m；Lb為直接頂平均厚度，3.25 m；Lc為錨索外露及托盤長度，0.25 m。錨固長度可由式（6）得出：

式中：d1為錨索直徑，22 mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，1860 MPa；fc為錨索與錨固劑粘合強(qiáng)度，取3 MPa。計(jì)算得錨索的錨固長度應(yīng)大于2.67 m。

代入計(jì)算得錨索長度應(yīng)大于6.17 m，錨索長度取6.3 m。

（3）計(jì)算錨索間排距

錨索間排距Sa根據(jù)式（7）得出：

式中：Sa為錨索間排距，m；Rt為錨索的極限破斷力，380 kN。代入計(jì)算得錨索間排距應(yīng)小于2.25 m。

3.3 31104 綜采工作面巷道支護(hù)參數(shù)確定

31104 綜采工作面巷道均選取Φ22 mm、長度2000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿及Φ21.6 mm、長度6300 mm 的錨索進(jìn)行支護(hù)。結(jié)合理論計(jì)算得出錨桿、錨索的安全合理間排距范圍，根據(jù)不同巷道斷面尺寸確定合適的錨桿及錨索間排距。31104 綜采工作面巷道支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 31104 綜采工作面巷道支護(hù)參數(shù)

由表2 可知，所有巷道的錨桿、錨索間排距均在安全、有效的范圍之內(nèi)。

4 現(xiàn)場實(shí)測

為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在31104 綜采工作面巷道掘進(jìn)期間，于各巷道前端40 m 處布置測站，對工作面巷道圍巖變形進(jìn)行30 d 的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3。可知，監(jiān)測30 d 內(nèi)運(yùn)巷車場兩幫最大移近量39 mm，頂?shù)装遄畲笠平?8 mm；運(yùn)巷機(jī)頭段巷道兩幫最大移近量為35.5 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?6 mm；回風(fēng)聯(lián)巷巷道兩幫最大移近量37 mm，頂?shù)装遄畲笠平?5 mm；運(yùn)巷運(yùn)輸通道兩幫最大移近量36 mm，頂?shù)装遄畲笠平?0 mm；運(yùn)輸順槽巷道兩幫最大移近量32 mm，頂?shù)装遄畲笠平?9 mm；切眼兩幫最大移近量38 mm，頂?shù)装遄畲笠平?2 mm。在31104 綜采工作面巷道掘進(jìn)期間，巷道頂?shù)装迮c兩幫的變形量均控制在40 mm 內(nèi)，證明31104 綜采工作面巷道支護(hù)方案的安全性、合理性。

圖3 工作面巷道圍巖變形監(jiān)測圖

5 結(jié)論

影響31104 綜采工作面巷道穩(wěn)定性的主要因素包含：半煤巖巷道巷幫圍巖的非連續(xù)性，上覆采空區(qū)傳遞至巷道的不均載荷，不同巷道斷面尺寸導(dǎo)致的應(yīng)力集中。針對失穩(wěn)原因提出的支護(hù)方案能有效控制巷道圍巖變形，巷道圍巖的變形值均在40 mm 內(nèi)。