極近距離煤層回采巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

拜 敬

(山西蘭花集團(tuán) 莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048000)

隨著錨桿支護(hù)理論的不斷完善和錨桿支護(hù)材料的不斷發(fā)展，錨桿支護(hù)已成為巷道永久支護(hù)的主要方式。山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦二采區(qū)10號(hào)煤層工作面回采巷道目前仍采用工字鋼棚支護(hù)，棚間距為0.8 m，缺乏理論依據(jù)，受9號(hào)煤層采空區(qū)及工作面動(dòng)壓的影響，工作面順槽的變形量較大，嚴(yán)重制約10號(hào)煤層的安全高效生產(chǎn)。為解決10號(hào)煤層回采巷道的安全高效支護(hù)問(wèn)題，以10207工作面回風(fēng)順槽為研究背景，對(duì)巷道支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況與支護(hù)思路

1.1 開(kāi)采地質(zhì)條件

二采區(qū)10號(hào)煤層平均厚度1.7 m，距離上方9號(hào)煤層采空區(qū)的距離平均5.0 m，煤層頂板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，計(jì)劃開(kāi)掘的10號(hào)煤層工作面順槽布置于9號(hào)煤層采空區(qū)下方。新掘的10207工作面回風(fēng)順槽沿煤層頂板布置，采用梯形斷面，頂凈寬3.6 m，底凈寬4.6 m，凈高2.5 m.

1.2 支護(hù)思路

由于9、10號(hào)煤層的層間距近，受9號(hào)煤層采空區(qū)及煤柱的影響，10號(hào)煤層巷道掘進(jìn)及工作面回采可能遇到圍巖壓力大、圍巖破碎、巷道變形量大等問(wèn)題。但考慮到10號(hào)煤層頂板完整性較好，可以考慮采用U型鋼棚+錨桿的聯(lián)合支護(hù)方式。

2 U型鋼棚支護(hù)技術(shù)

2.1 支護(hù)材料材質(zhì)

常用的礦用U型鋼棚有18U、25U、29U，材質(zhì)有16 Mn、20 MnK、20 MnVK等，其主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 礦用U型鋼棚力學(xué)性能表

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，在參考該礦已有巷道支護(hù)方式、參數(shù)及支護(hù)效果的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，依據(jù)巷道支護(hù)原理和支護(hù)設(shè)計(jì)原則，確定使用材質(zhì)為20 MnK的礦用29U型鋼棚進(jìn)行支護(hù)。

2.2 U型鋼棚所受壓力分析

使用U型鋼棚支護(hù)其跨距為巷道頂板寬度，使用29U型鋼，其屈服極限σs=355 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=510 MPa，抗彎截面模量Wz=106.0 cm3.

U型鋼頂梁受到的均布載荷為[1-2]：

(1)

式中：

q—U型鋼所受巷道頂板的均部載荷，kN/m；

σmax—頂梁所受的最大應(yīng)力，MPa，取σmax=σs；

Wz—抗彎截面模量，m3；

l—工字鋼棚頂梁跨長(zhǎng)，m，取3.6.

將各參數(shù)代入式(1)，得：q=23.23 kN/m.

通過(guò)分析可知，一架跨長(zhǎng)為3.6 m的礦用29U型鋼頂梁達(dá)到屈服極限時(shí)，其所受均布載荷約為23.23 kN/m，整架的載荷為Qs=23.23 kN×3.6=83.6 kN.

發(fā)生抗拉破壞時(shí)，將σb=510 MPa代入式(1)，得q=33.4 kN/m，整架棚的破壞載荷為Qb=120.2 kN.

根據(jù)資料說(shuō)明，鋼廠軋制的鋼材強(qiáng)度通常高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，故其實(shí)際承載能力均高于計(jì)算數(shù)據(jù)，選用29U型鋼可以滿足支護(hù)要求。

2.3 頂板壓力分析

巷道頂板壓力按下式計(jì)算[3-4]：

(2)

式中：

Qd—單位長(zhǎng)度內(nèi)巷道頂板壓力，kN/m；

γ—頂板巖石容重，kN/m3；

f—頂板巖石的堅(jiān)固性系數(shù)；

a—巷道半跨度，m.

10207工作面順槽掘進(jìn)上部頂板寬度為3.6 m，考慮多重采動(dòng)影響，上覆頂板巖層的普氏系數(shù)f取1，頂板巖石平均容重γ取16.5 kN/m3，將各參數(shù)代入式(2)中，得巷道頂板壓力為88 kN/m.

由上述計(jì)算結(jié)果可知，采用跨長(zhǎng)3.6 m的U型鋼支護(hù)，最小工字鋼使用載荷為83.6 kN/m.此時(shí)，當(dāng)棚距為1.0 m時(shí)，安全系數(shù)為n=83.6/(88.0×1.0)=0.95，顯然不滿足支護(hù)強(qiáng)度。當(dāng)棚距為0.8 m時(shí)，安全系數(shù)為n=83.6/(88.0×0.8)=1.18，滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。

3 錨桿支護(hù)參數(shù)

為確保工作面開(kāi)采過(guò)程中巷道圍巖的穩(wěn)定，需要進(jìn)行進(jìn)一步錨桿支護(hù)。結(jié)合以上分析，10號(hào)煤層工作面順槽支護(hù)的重點(diǎn)是對(duì)巷道頂板的支護(hù)，根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，頂板完整性較好，滿足錨桿支護(hù)的條件，初步計(jì)劃采用錨桿支護(hù)。因此，針對(duì)10號(hào)煤層的賦存條件，采用相關(guān)的理論計(jì)算方法對(duì)頂板及兩幫的錨桿參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 巷道頂板破壞深度

頂板巖層的破壞深度b按相對(duì)于層理的法線計(jì)[5]，可根據(jù)下式求出：

(3)

式中：

a—底部巷道的半跨距，m，取2.3；

α—煤層傾角，(°)，取5；

C—兩幫破壞深度，m，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取0.35；

ky—待錨固巖層的穩(wěn)定性系數(shù)，取1.3；

fn—錨桿加固后錨固巖層的硬度系數(shù)，考慮一定的弱化系數(shù)，取1.8.

計(jì)算可得，回風(fēng)順槽的頂板破壞深度為1.13 m.

3.2 錨桿長(zhǎng)度

頂錨桿長(zhǎng)度按下式所示：

Lr=b+Δ

(4)

式中：

Δ—錨桿支護(hù)超出圍巖破壞范圍的長(zhǎng)度和外露長(zhǎng)度之和，m,取0.6.

計(jì)算可得,運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的頂錨桿長(zhǎng)度為1.17 m.

4 巷道支護(hù)方案

根據(jù)礦井二采區(qū)10號(hào)煤層工作面順槽的布置方式、受力分析、已有相關(guān)近距離煤層支護(hù)方法及井田內(nèi)的地質(zhì)鉆孔柱狀，結(jié)合礦井井下實(shí)際揭露情況和采區(qū)內(nèi)其他巷道的支護(hù)現(xiàn)狀，綜合分析確定10號(hào)煤層10207工作面回風(fēng)順槽采用U型鋼棚與錨桿聯(lián)合支護(hù)方案。

頂板及幫部采用29U型鋼，棚距800 mm.

巷道頂板采用d22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿加強(qiáng)支護(hù)，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，桿尾螺紋強(qiáng)化，屈服強(qiáng)度335 MPa，抗拉強(qiáng)度490 MPa，延伸率18%，屈服載荷186.3 kN.配套3 400×1 100型技術(shù)網(wǎng)用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連。鋪設(shè)時(shí)保證網(wǎng)片間搭接100～200 mm，并用鐵絲連接牢靠。錨桿排距為800 mm，每排布置4根錨桿，間距為1 100 mm，錨桿全部垂直頂板安裝，錨桿預(yù)緊力扭矩不小于300 N·m.巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖1.

圖1 巷道支護(hù)斷面圖

5 應(yīng)用效果

10207工作面回風(fēng)順槽采用U型鋼與錨桿聯(lián)合支護(hù)后，掘進(jìn)期間巷道頂板最大下沉量為65 mm，兩幫最大累計(jì)變形量為82 mm，回采期間工作面前方巷道最大累計(jì)變形量為185 mm，兩幫最大累計(jì)變形量為215 mm，整個(gè)服務(wù)期間U型鋼未出現(xiàn)破斷和明顯的變形，巷道錨桿未出現(xiàn)失效等情況，滿足了工作面安全通風(fēng)及輔助運(yùn)輸要求。

6 結(jié) 論

針對(duì)10207工作面回風(fēng)順槽實(shí)際開(kāi)采技術(shù)條件，提出了U型鋼與錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。通過(guò)理論分析得出，單架跨長(zhǎng)3.6 m的礦用29U型鋼達(dá)到屈服極限時(shí)的載荷為83.6 kN，達(dá)到抗拉極限時(shí)的載荷為120.2 kN，實(shí)際承載能力均高于計(jì)算數(shù)據(jù)。巷道頂板壓力為88 kN/m，確定U型鋼支護(hù)排距為0.8 m.頂板破壞深度為0.57 m，確定頂錨桿長(zhǎng)度為1.17 m，在此基上，綜合分析確定了采用d22 mm×2 400 mm型錨桿支護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，巷道支護(hù)方案合理，巷道圍巖得到了有效控制，可以滿足工作面通風(fēng)及輔助運(yùn)輸要求。