含軟弱夾層煤巷支護(hù)改進(jìn)方法研究

潘立業(yè)

(山西弘順能源發(fā)展有限公司，山西 太原 030200)

我國(guó)地下煤礦廣泛采用綜采工藝，對(duì)于綜采工作面而言，工作面巷道的穩(wěn)定與否對(duì)于礦山安全高效開(kāi)采具有重要影響[1-3]。如果巷道變形得不到有效控制，一方面影響施工進(jìn)度，另一方面對(duì)采場(chǎng)人員及設(shè)備將會(huì)造成威脅。針對(duì)含軟弱夾層煤巷條件，采取合理有效的支護(hù)方法，對(duì)于工作面安全回采至關(guān)重要[4-6]。

在煤巷支護(hù)研究方面，陳道志等[7]分析了采動(dòng)巷道圍巖二次支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，研究了開(kāi)挖后動(dòng)壓巷道圍巖移近量及應(yīng)力分布情況，確定出合理的巷道支護(hù)參數(shù)；王虎偉[8]運(yùn)用動(dòng)態(tài)信息法對(duì)煤巷錨桿支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，指出通過(guò)提高支護(hù)材料剛度、強(qiáng)度及可靠性，可有效提高圍巖本身的自承載能力；劉繼敏等[9]為確保宏巖煤礦回風(fēng)下山巷道支護(hù)的可靠性，提出了“錨桿+錨索+W鋼帶補(bǔ)強(qiáng)”聯(lián)合支護(hù)措施。綜合文獻(xiàn)分析，對(duì)于工作面巷道支護(hù)技術(shù)的研究取得了一定成果，然而對(duì)于含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法有待進(jìn)一步研究。

為此，本文以某礦45203工作面含軟弱夾層煤巷為工程背景，優(yōu)化了工作面回風(fēng)巷道支護(hù)參數(shù)，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了綜合優(yōu)選，并給出了含軟弱夾層煤巷支護(hù)改進(jìn)方法，以保證工作面巷道的穩(wěn)定。

1 工作面概況

某煤礦礦井面積177 km2，煤炭?jī)?chǔ)量15.42億t，其中可采儲(chǔ)量9.27億t.45203工作面主要回采5-2煤層，煤層厚度4.65～5.85 m，平均5.3 m，煤層傾角0～3°，平均傾角0.5°，煤層中下部普遍含一層夾矸，局部區(qū)域中上部含一層夾矸，巖性為褐黃色泥巖，平均厚0.1 m.煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為粉砂巖，直接底為粉砂巖，基本底為中粒砂巖。

礦井工作采用綜采一次采全高、后退式全部垮落法管理頂板，相鄰工作面之間留設(shè)24 m寬度的區(qū)段煤柱，45203工作面布置情況圖如圖1所示。

圖1 45203工作面布置圖

45203回風(fēng)巷道斷面尺寸寬×高=5.5 m×3.1 m，巷道頂板采用D18 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+D17.8 mm×6 000 mm鋼絞線(xiàn)錨索支護(hù)，巷道兩幫采用D18 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿支護(hù)。工作面開(kāi)采過(guò)程中，受煤層內(nèi)軟弱夾層及臨近工作面回采擾動(dòng)影響，45203回風(fēng)巷道變形嚴(yán)重，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，頂板最大沉降量為386 mm，煤柱幫最大位移量為362 mm，回采幫最大位移量分別為347 mm.為此，需要根據(jù)實(shí)際工程情況，研究該煤層條件下巷道合理支護(hù)方法，以保證巷道的穩(wěn)定性。

2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2.1 頂錨桿(索)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)該礦45203回風(fēng)巷道地質(zhì)條件，錨桿(索)的最短長(zhǎng)度可按公式(1)計(jì)算：

L≥La+Lb+Lc

(1)

式中：L為錨桿(索)長(zhǎng)度，取0.02 m；La為錨桿(索)外露長(zhǎng)度，取0.6 m；Lb為錨桿(索)壓縮巖梁的厚度，m；Lc為錨桿(索)的最小錨固長(zhǎng)度，m.

錨桿有效長(zhǎng)度Lb可取頂板破壞深度的2/3.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視結(jié)果，巷道頂板巖層破壞深度均小于2 m，因此有效長(zhǎng)度可取1.3 m，將各參數(shù)帶入公式(1)。可得，頂錨桿最小長(zhǎng)度L=1.92 m，取錨桿長(zhǎng)度為2 m.錨索有效長(zhǎng)度取4 m，錨固段和外露段長(zhǎng)度分別取1.5 m和0.2 m，則錨索最小長(zhǎng)度為5.7 m，取為6 m.

頂錨桿(索)直徑d可根據(jù)公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Q1為錨桿(索)的錨固力，取105 kN；σ1為錨桿(索)的抗拉強(qiáng)度，350 MPa.

帶入公式(2)可得頂錨桿直徑d最小取19.45 mm，因此頂錨桿直徑取20 mm.同理，錨索極限承載力為230 kN，可得錨索直徑d2最小取15.22 mm，所以巷道錨索直徑可取15.24 mm；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況巷道位于遺留煤柱下方頂板受力較大，最終錨索直徑取17.8 mm.

頂錨桿(索)間距a可根據(jù)公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖體容重，kN/m3.

45203回采巷道頂板頂板巖體容重為27 kN/m3，錨桿錨固力為105 kN，有效長(zhǎng)度Lb為1.3 m，應(yīng)力集中系數(shù)取2，帶入公式(3)，可求得頂錨桿最大間排距a為1.22 m.由于巷道支護(hù)強(qiáng)度較大，錨桿排距取1.2 m，錨索排距通常設(shè)置為錨桿的整數(shù)倍取3，則錨索排距取3.6 m.

2.2 幫錨桿參數(shù)優(yōu)化

研究采用非彈性區(qū)理論計(jì)算幫錨桿長(zhǎng)度，等效圓半徑按公式(4)確定：

(4)

式中：a為取巷道跨度的一半，m；h為巷道高度，m.

45203回風(fēng)巷道寬5.5 m，為此a=2.75 m，h=3.1 m，帶入公式(4)可得，r0=3.16 m.

巷道內(nèi)部最大非彈性區(qū)半徑按公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：p為地應(yīng)力，kN/m2；c為巷道圍巖粘聚力，MPa；φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角，°.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況，p=8.35 kN/m2，c=2.5 MPa，φ=35°，將相關(guān)參數(shù)帶入公式(5)，巷道最大非彈性區(qū)半徑為3.8 m.

兩幫非彈性區(qū)深度按公式(6)計(jì)算：

a1=R0-a

(6)

將相關(guān)參數(shù)帶入公式(6)，計(jì)算得巷道兩幫非彈性區(qū)寬度為1.05 m，錨桿有效錨固長(zhǎng)度不小于0.6 m，外露長(zhǎng)度為0.02 m，由此確定幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于1.67 m.綜合考慮工作面間采動(dòng)應(yīng)力對(duì)圍巖變形的影響，最終確定煤柱幫及回采幫錨桿長(zhǎng)度分別為2.0 m和2.2 m.

3 巷道支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬方案

以45203回風(fēng)巷道原支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，共進(jìn)行3種方案的模擬分析，通過(guò)不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力及位移變化情況，以確定最佳支護(hù)方案。方案1采用巷道原參數(shù)進(jìn)行模擬，分析在現(xiàn)有支護(hù)情況下巷道圍巖變化情況；方案2在方案1基礎(chǔ)上將回采幫錨桿長(zhǎng)度增加200 mm，錨桿直徑變?yōu)?0 mm，同時(shí)回采幫采用高強(qiáng)錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬；方案3是在方案1參數(shù)基礎(chǔ)上，將頂錨桿長(zhǎng)度增加200 mm，錨桿排距變?yōu)?.2 m，錨索排距變?yōu)?.6 m進(jìn)行模擬。各模擬方案支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 工作面巷道支護(hù)方案

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

不同支護(hù)方案巷道圍巖位移變化情況如圖2所示。

圖2 不同支護(hù)方案巷道圍巖位移變化情況

可以看出，方案1中頂板位移最高達(dá)64 mm，煤柱幫位移最高達(dá)54 mm，回采幫最高達(dá)31 mm；方案2中頂板位移最高達(dá)55 mm，煤柱幫位移最高達(dá)35 mm，回采幫最高達(dá)25 mm；方案3中頂板位移最高達(dá)85 mm，煤柱幫位移最高達(dá)57 mm，回采幫最高達(dá)26 mm.方案2中巷道頂板及兩幫位移量最小，支護(hù)效果最好。

不同支護(hù)方案巷道圍巖應(yīng)力變化情況如圖3所示。可以看出，方案1中巷道頂板、煤柱幫和回采幫垂直應(yīng)力分別為8.3 MPa、17.2 MPa和9.6 MPa；方案2中巷道頂板、煤柱幫和回采幫垂直應(yīng)力分別為6.3 MPa、14.5 MPa和7.8 MPa；方案3中巷道頂板、煤柱幫和回采幫垂直應(yīng)力分別為9.2 MPa、17.3 MPa和10.7 MPa.同樣，方案2中巷道頂板及兩幫圍巖所受應(yīng)力最小，支護(hù)效果最好。

圖3 不同支護(hù)方案巷道圍巖應(yīng)力變化情況

綜合分析，方案2中的支護(hù)參數(shù)對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果最佳，同時(shí)該參數(shù)即為前述理論計(jì)算得到的支護(hù)參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了前述理論計(jì)算得到的巷道支護(hù)參數(shù)的可靠性，針對(duì)45203回風(fēng)巷道研究采用方案2中的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

4 含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法

通過(guò)前述研究，確定45203回風(fēng)巷道采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方法，由于煤柱幫所受應(yīng)力較大，對(duì)煤柱幫需加強(qiáng)支護(hù)，將煤柱幫錨桿設(shè)置為高強(qiáng)度錨桿，并增大托盤(pán)直徑，在回采幫相應(yīng)增大托盤(pán)直徑和錨網(wǎng)厚度，并配合鋼帶使用，以保證巷道兩幫的穩(wěn)定。其中頂部螺紋鋼錨桿參數(shù)為D20 mm×2 000 mm，間排距為950 mm×1 200 mm，頂錨索參數(shù)為D17.8 mm×6 000 mm，間排距為2 000 mm×3 600 mm；回采幫玻璃鋼錨桿參數(shù)為D20 mm×2 200 mm，間排距為600/900 mm×1 200 mm；煤柱幫高強(qiáng)錨桿參數(shù)為D18 mm×2 000 mm，間排距為600/900 mm×1 200 mm，巷幫軟弱夾層位于幫側(cè)下端兩錨桿中心部位，以保證有效的支護(hù)效果。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果分析

研究提出的含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法在45203回風(fēng)巷道進(jìn)行了工程實(shí)踐，并采用收斂?jī)x對(duì)支護(hù)段巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

可以看出，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，巷道頂板及兩幫變形表現(xiàn)為類(lèi)“S”形增長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)40 d后，巷道變形趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂板最大沉降量為164 mm，煤柱幫最大位移量為153 mm，回采幫最大位移量分別為142 mm.與45203回風(fēng)巷道未實(shí)施支護(hù)改進(jìn)措施相比，研究提出的含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法，巷道頂板下沉量、煤柱幫位移量及回采幫位移量分別降低57.5%、57.7%與55.9%，巷道圍巖變形得到了有效控制。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)用巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定巷道頂板及回采幫錨桿直徑由原18 mm變?yōu)?0 mm，錨索直徑取17.8 mm，錨桿排距取1.2 m，錨索排距取3.6 m，煤柱幫及回采幫錨桿長(zhǎng)度分別為2.0 m和2.2 m.

2) 通過(guò)數(shù)值模擬分析不同支護(hù)方案，方案2中的支護(hù)參數(shù)對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果最佳，同時(shí)該參數(shù)為優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算得到的巷道支護(hù)參數(shù)的可靠性。

3) 針對(duì)含軟弱夾層煤巷，在支護(hù)參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，研究提出了“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，巷道頂板下沉量、煤柱幫位移量及回采幫位移量分別降低57.5%、57.7%與55.9%，保證了含夾矸煤巷的穩(wěn)定性。