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    石槽村煤礦220605工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

    2022-03-07 07:25:38魏?jiǎn)⒚?/span>
    中國(guó)煤炭工業(yè) 2022年1期
    關(guān)鍵詞:鋼帶錨索錨桿

    文/魏?jiǎn)⒚?趙 華

    (作者單位:國(guó)家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)石槽村煤礦)

    (責(zé)任編輯:龐永厚)

    巷道是煤礦生產(chǎn)開拓系統(tǒng)的重要組成部分,巷道支護(hù)與維護(hù)巷道的穩(wěn)定性是保障礦井安全生產(chǎn)的前提。目前,礦山生產(chǎn)中使用較多的支護(hù)方式是錨桿+錨索+W形鋼帶或組合錨索、錨桿等聯(lián)合支護(hù),但是由于支護(hù)材料很難回收甚至不能回收,很大程度上造成了支護(hù)材料的浪費(fèi),導(dǎo)致煤炭企業(yè)利潤(rùn)空間縮小。而對(duì)錨桿支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化,可以大幅加快巷道掘進(jìn)速度,緩解采掘銜接的緊張局面,同時(shí)一定程度上能夠減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

    為進(jìn)一步降低回采巷道支護(hù)成本,提高礦井生產(chǎn)效益,借鑒“高強(qiáng)度、低密度”的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)理念,對(duì)國(guó)家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)石槽村煤礦220605工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),給出巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,通過錨桿懸吊理論、普氏自然平衡拱理論、經(jīng)驗(yàn)公式、FLAC3D數(shù)值模擬等研究方法,分析了220605工作面運(yùn)輸順槽開挖后塑性破壞區(qū)分布規(guī)律,對(duì)比分析了巷道支護(hù)優(yōu)化前后巷道圍巖的變形量。實(shí)踐表明,優(yōu)化后的支護(hù)措施有效控制了巷道圍巖的變形,為后期巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

    一、工程概況

    石槽村煤礦220605工作面位于礦井22采區(qū),運(yùn)輸順槽開口位于22采區(qū)6煤三區(qū)段輔運(yùn)繞道,切眼位于DF18正斷層南側(cè)保護(hù)煤柱外,停采線位于22采區(qū)開拓巷道保護(hù)煤柱北側(cè)。220605工作面西鄰220603工作面,東邊為設(shè)計(jì)220607工作面,北以DF18斷層保護(hù)煤柱為界,南部為礦井22采區(qū)開拓巷道保護(hù)煤柱。220605工作面上部為1102211及1102103工作面采空區(qū),下部為未動(dòng)用原始煤層。

    220605工作面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1902m,自220605工作面運(yùn)輸順槽“Z2”測(cè)點(diǎn)向前7.5m開口,以-5°~-10°坡度沿煤層頂板施工至220605工作面切眼位置。

    二、理論分析

    1.按懸吊作用計(jì)算

    錨桿長(zhǎng)度按下式估算,即:

    式中 L—錨桿長(zhǎng)度;

    H—軟弱巖層厚度或冒落拱高度;

    K—安全系數(shù),一般取2;

    L1—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度,一般可按經(jīng)驗(yàn)取0.4m;

    L2—錨桿的外露長(zhǎng)度,取0.10m。

    軟弱巖層厚度是根據(jù)地質(zhì)資料、實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)估計(jì);冒落拱高度按下式估算,即:

    式中 B—巷道開挖寬度,5.6;

    f—巖石堅(jiān)固性系數(shù),取3;

    帶入計(jì)算H=5.6÷2÷3=0.93m

    則L=KH+L1+L2=2×0.93+0.4+0.1=2.36m

    結(jié)論:錨桿長(zhǎng)度選擇應(yīng)不小于2.36m,則拱部使用L=2.5m螺紋鋼錨桿能滿足支護(hù)要求。

    錨桿間排距按下式估算,即:

    式中 s—錨桿的間、排距,m;

    Z—錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度,取0.4m;

    a—巷道的半跨度,本巷道掘進(jìn)寬度為5.6m,則半跨度為2.8m;

    b—頂板巖層的破壞深度,取0.9m;

    結(jié)論:錨桿的間排距應(yīng)不大于1.0m×1.0m,頂錨桿間排距800×800mm符合要求。

    錨桿直徑按下式計(jì)算,即:

    式中 d—錨桿最小直徑,mm;

    Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力,取127KN;

    結(jié)論:錨桿直徑的選取應(yīng)滿足d不小于18.1mm。

    2.根據(jù)普氏自然平衡拱理論確定幫部錨桿

    錨桿長(zhǎng)度按下式計(jì)算,即:

    式中 L—錨桿長(zhǎng)度,m;

    L1—煤壁破碎深度,m;

    L2—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度,按經(jīng)驗(yàn)取0.4m;

    L3—錨桿外露(金屬托板+螺母厚度+外露螺母長(zhǎng)度),0.1m;

    煤壁破碎深度L1按下式計(jì)算,即:

    式中 f—巖石普氏系數(shù),取1.7;

    B—巷道開掘?qū)挾?,?.6m;

    帶入?yún)?shù)得煤壁破碎深度L1為:

    根據(jù)上述公式得出:

    結(jié)論:幫部錨桿長(zhǎng)度取值應(yīng)能滿足L大于1.8m。

    幫錨桿的間、排距的相關(guān)計(jì)算參數(shù)帶入公式(4),其中Z=0.4m;a=2.8m,b=L1=1.3m,則:

    結(jié)論:錨桿間排距應(yīng)不大于0.84m×0.84m。

    幫錨桿直徑的相關(guān)計(jì)算參數(shù)帶入公式(5),其中錨桿設(shè)計(jì)錨固力Q取值100KN,錨桿桿體抗拉強(qiáng)度取值490Mpa,得出幫錨桿直徑:

    結(jié)論:幫錨桿直徑的選取應(yīng)滿足d不小于13.5mm。

    3.經(jīng)驗(yàn)公式

    根據(jù)新奧法理論可知:

    (1)錨桿長(zhǎng)度:對(duì)于比較完整的硬巖,錨桿長(zhǎng)度取1.0~1.2m;對(duì)于完整性較差的中硬巖石,錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1/4~1/3,一般為2~3m。根據(jù)新奧法,L=1.25~1.7m。

    結(jié)論:頂錨桿長(zhǎng)度2500mm符合要求。

    (2)錨桿間排距:硬巖,錨桿間距取1.5~2.0m;中硬巖石,錨桿間距取1.5m。

    結(jié)論:頂錨桿間排距800×800mm符合要求。

    三、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

    1.原支護(hù)方案

    (1)巷道頂板采用Ф22×2500mm螺紋鋼錨桿支護(hù),錨桿間距900×1000mm,每孔使用2節(jié)MSK2370型錨固劑,巷道拱部掛鋼筋網(wǎng)。

    (2)巷道頂板采用Ф21.8×8300mm錨索支護(hù),錨索間距1200×2000mm,每孔使用3節(jié)MSK2370型錨固劑。

    (3)巷道幫部采用Ф22×2500mm螺紋鋼錨桿支護(hù),錨桿間排距為800×1000mm,每孔使用2節(jié)MSK2370型錨固劑,兩幫掛塑鋼網(wǎng)支護(hù)。

    2.優(yōu)化支護(hù)方案

    (1)錨桿支護(hù)參數(shù)。選用材質(zhì)不低于BHRB500的高強(qiáng)錨桿,拱部錨桿選用左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,桿體直徑Ф=20mm、長(zhǎng)度L=2500mm。頂板拱部錨桿間排距為900×1000mm;幫部直墻段錨桿采用φ20×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,幫部直墻段錨桿第一根距底板為230mm,與巷道巖面呈15°打設(shè),距底板800mm打設(shè)第二根錨桿,直墻段錨桿排距為1000mm;巷道斷面每排布置14根錨桿,桿尾螺紋采用滾壓加工工藝成型,長(zhǎng)度為150mm。

    (2)錨索支護(hù)參數(shù)。錨索采用φ21.8×7300mm鋼絞線錨索,間排距為1600×2000mm,每孔使用3節(jié)MSK2370型錨固劑,鉆孔直徑Ф=30mm,錨固長(zhǎng)度為2100mm。錨索預(yù)緊力不小于250KN,每排5根錨索。

    (3)鋼筋網(wǎng)及鋼帶。巷道表面鋪設(shè)Φ6.5mm圓鋼焊接而成的鋼筋網(wǎng),網(wǎng)片寬度為1000mm,網(wǎng)片長(zhǎng)度為4000mm和3000mm,網(wǎng)孔規(guī)格為150×150mm,金屬網(wǎng)寬1000mm;網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm,并采用10#鐵絲雙絲雙扣,孔孔相聯(lián)。鋼帶選用W鋼帶或圓鋼鋼帶,鋼帶長(zhǎng)度為7000×80mm,共5孔,排距為2000mm。支護(hù)優(yōu)化斷面圖如圖1所示,支護(hù)優(yōu)化平面圖如圖2所示。

    圖1 支護(hù)優(yōu)化斷面圖

    圖2 支護(hù)優(yōu)化平面圖

    四、數(shù)值模擬

    1.模型的建立

    FLAC是以拉格朗日差分法為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬應(yīng)用軟件,主要應(yīng)用于巖土工程。根據(jù)石槽村煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件建立數(shù)值模型,采場(chǎng)模型大小為長(zhǎng)×寬×高=100m×50m×1m,模型側(cè)面及底面為固定約束,上邊界施加17MPa垂直應(yīng)力,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,測(cè)壓系數(shù)λ取1.2。

    巷道圍巖物理參數(shù)見表1。

    表1 巷道頂板各分層巖石力學(xué)參數(shù)

    2.優(yōu)化支護(hù)方案前后對(duì)比分析

    通過數(shù)值模擬對(duì)比,原支護(hù)方案的頂板最大位移量為3.456mm,巷道底鼓最大移近位移量為3.8923mm,優(yōu)化后的支護(hù)方案比原支護(hù)方案對(duì)頂板、底鼓最大位移量相對(duì)控制的更加有效。

    巷道優(yōu)化后,幫部最大位移量為3.9972mm,與原支護(hù)方案最大位移量基本相同。

    巷道ZZ方向應(yīng)力在巷道支護(hù)優(yōu)化前后沒有發(fā)生較大的變化。

    總之,通過數(shù)值模擬對(duì)比,分析支護(hù)方案優(yōu)化前后支護(hù)效果可得:錨桿參數(shù)以及錨桿數(shù)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)后,在減少支護(hù)成本的情況下,巷道的塑性區(qū)并沒有增大,反而通過巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),使巷道圍巖穩(wěn)定性得到更好控制。

    五、結(jié)論

    根據(jù)石槽村煤礦地質(zhì)資料,通過懸吊理論、普氏自然平衡拱理論等理論分析計(jì)算,得到巷道支護(hù)錨桿的相關(guān)參數(shù)。

    通過FLAC3D建模數(shù)值模擬分析220605工作面回采巷道在不同支護(hù)方案的維護(hù)情況,可知頂板最大位移量相對(duì)原支護(hù)方案有所減小,兩幫最大位移量與原支護(hù)方案大致相同,說明優(yōu)化支護(hù)方案比原支護(hù)方案更加有利控制巷道圍巖,為后期巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

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