小莊礦井大斷面回采巷道支護(hù)參數(shù)研究及防治措施

吳章濤，劉 斌

（1.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán) 小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng)；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安)

引言

回采巷道作為礦井開(kāi)采的運(yùn)輸樞紐起著至關(guān)重要的作用，在工作面回采過(guò)程中其穩(wěn)定性決定了作業(yè)人員的人生安全和礦井高效開(kāi)采[1-2]。因此，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)的研究成為控制巷道整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時(shí)需提供合理的防治措施。

目前，對(duì)巷道支護(hù)的研究主要是結(jié)合各種力學(xué)和數(shù)值計(jì)算模型開(kāi)展相關(guān)分析，得到適應(yīng)于研究礦井地質(zhì)條件的支護(hù)參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，將支護(hù)參數(shù)應(yīng)用到相似地質(zhì)條件或相鄰巷道[3-4]。馮一強(qiáng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)巷道圍巖變形特征開(kāi)展了大量的監(jiān)測(cè)工作，得到了巷道圍巖位移曲線和受力曲線的關(guān)系[5]。由此可見(jiàn)，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)的研究，在礦井開(kāi)采過(guò)程中扮演著不可替代的作用，合理的支護(hù)參數(shù)利于工作面的安全高效回采。

本文以小莊礦井40207 工作面膠運(yùn)順槽作為研究背景，采用現(xiàn)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)松動(dòng)圈范圍、支護(hù)參數(shù)和防治措施展開(kāi)研究，研究結(jié)果將進(jìn)一步服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 工程背景

40207 工作面位于小莊礦井4 煤層二盤(pán)區(qū)西翼中部，東部緊鄰中央2#回風(fēng)大巷，北部為尚未準(zhǔn)備的40209 工作面，西部緊鄰西平鐵路保護(hù)煤柱，南部為40205 綜放工作面采空區(qū)。工作面地表以溝壑地貌為主，研究區(qū)巖層相對(duì)平穩(wěn)，地面標(biāo)高+1 017～+1 151 m，井下標(biāo)高+365～+417 m。工作面煤層平均厚度為22.4 m，巷道直接頂為3～5 m 的粉砂巖；基本頂為17～20 m 的細(xì)砂巖；直接底為0.8～1.3 m 的炭質(zhì)泥巖；基本底為8～11 m 的泥巖。巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 235 m，掘進(jìn)方位角為270°，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采。

2 巷道松動(dòng)圈及支護(hù)參數(shù)理論分析

2.1 巷道松動(dòng)圈范圍分析

為了得到合理巷道支護(hù)參數(shù)，需對(duì)巷道松動(dòng)圈范圍展開(kāi)計(jì)算分析。根據(jù)極限平衡拱理論圓形巷道松動(dòng)圈計(jì)算方法可得松動(dòng)圈范圍Ly為

式中：2b 為矩形巷道高度，m。

根據(jù)當(dāng)量半徑計(jì)算式，可得巷道當(dāng)量半徑為

式中：S 為巷道凈斷面積，m2；kx為巷道斷面修正系數(shù)，取1.2。

由于本文研究背景為矩形巷道，故需對(duì)巷道為矩形時(shí)松動(dòng)圈范圍進(jìn)行分析。依據(jù)等效圓法可得巷道等效半徑ry為

式中：2a 為矩形巷道寬度，m。

根據(jù)小莊礦井地質(zhì)資料，巷道最大埋深為743 m，煤巖層平均容重為14 KN/m3，巷道圍巖內(nèi)聚力為6.62 MPa，巷道圍巖內(nèi)摩擦角為36.15°，未支護(hù)時(shí)巷道圍巖支護(hù)力取0，煤巖體力學(xué)修正系數(shù)取0.4，巷道掘進(jìn)寬度為6 m，巷道掘進(jìn)高度為3.8 m。將以上參數(shù)代入式（3）可得，Ly為0.56 m。

巷道在采動(dòng)影響下，松動(dòng)圈范圍將有所增加。根據(jù)回采巷道圍巖變形規(guī)律，頂板松動(dòng)圈范圍增加量大于兩幫極限平衡區(qū)圍巖松動(dòng)圈范圍增加量。通過(guò)對(duì)小莊礦井以往松動(dòng)圈資料分析得到頂板與兩幫極限平衡區(qū)范圍安全系數(shù)分別取2.5 和2。因此，巷道頂板和兩幫最大松動(dòng)圈范圍分別為1.4 m 和1.12 m。

2.2 巷道支護(hù)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)巷道松動(dòng)圈范圍分析，已知巷道最大松動(dòng)圈范圍值。根據(jù)巷道松動(dòng)圈范圍需分別對(duì)巷道頂板及兩幫錨桿（索）參數(shù)開(kāi)展理論計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得到巷道支護(hù)參數(shù)。

（1） 巷道錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)巷道錨桿計(jì)算公式，故可得巷道頂板及兩幫錨桿長(zhǎng)度Lg為

式中：Ls1為錨索錨固長(zhǎng)度，m；Ly為巷道松動(dòng)圈最大范圍，m；Ls3為錨索外露長(zhǎng)度，取0.3 m。

（3） 巷道錨桿直徑計(jì)算

錨桿直徑?jīng)Q定了錨桿最大支護(hù)力，計(jì)算錨桿直徑時(shí)，按照最大承載能力設(shè)定每根錨桿所維護(hù)的面積Sd。在Sd確定的情況下，需要支護(hù)加固的最大載荷密度q 的計(jì)算公式為

（4） 巷道錨索直徑計(jì)算

同理，在巷道支護(hù)時(shí)需確定錨索直徑，合理的直徑能夠有效提高巷道的穩(wěn)定性。錨索直徑Ds 計(jì)算式為

式中：Q 為設(shè)計(jì)錨固力，本礦設(shè)計(jì)值為582 kN；σs為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，1 860 MPa。

（5） 錨桿間排距計(jì)算

巷道支護(hù)過(guò)程中不僅需要確定錨桿的長(zhǎng)度和密度，同時(shí)需得到合理的間排距。當(dāng)以上參數(shù)均為最優(yōu)解時(shí)，巷道整體支護(hù)強(qiáng)度將達(dá)到最大。錨桿間排距dg計(jì)算式為

式中：qg為巷道松動(dòng)圈載荷，MPa。

（6） 錨索間排距計(jì)算

在巷道支護(hù)過(guò)程中錨索主要作用是將巷道松動(dòng)圈巖體形成懸吊作用，科學(xué)合理的間排距能夠確保巷道松動(dòng)圈的穩(wěn)定性。錨索間排距可根據(jù)錨固數(shù)量間接獲得，其計(jì)算式為

將相關(guān)參數(shù)分別代入式（6）～（11）可得小莊礦井40207 工作面掘進(jìn)膠運(yùn)順槽支護(hù)參數(shù)為：

錨桿：頂板采用Φ22×2 500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度≥500 MPa，間排距為700×800 mm，矩形布置。幫部采用Φ22×2 500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度≥500 MPa，間排距為800×800 mm，矩形布置。

錨索：頂部錨索采用Φ28.6×7 100 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1 400×1 600 mm，每排4 根，具體支護(hù)參數(shù)如圖1 所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析及防治措施

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

將上述理論計(jì)算巷道支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于小莊礦井40207 工作面膠運(yùn)順槽，對(duì)膠運(yùn)順槽圍巖變形量監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)巷道實(shí)施具有針對(duì)性的支護(hù)參數(shù)調(diào)整。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，40207 工作面膠運(yùn)順槽最大巷道變形量為141 mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，無(wú)需補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。由此表明，本次對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)的研究能夠滿足工作面正?；夭?，對(duì)提高工作面回采效率具有一定幫助。

3.2 巷道圍巖變形防治措施

巷道支護(hù)參數(shù)的合理性，對(duì)圍巖變形量的控制起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，限制巷道的變形量能夠一定程度上保證礦井的安全回采。因此，對(duì)巷道變形量的防治成為關(guān)鍵，礦井應(yīng)安排相關(guān)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道錨固完整性、變形量和采取防治措施。首先，安排專(zhuān)業(yè)人員在巷道掘出后建立巷道尺寸初讀數(shù)，并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)；其次，在工作面回采過(guò)程中，對(duì)超前區(qū)域圍巖變形量監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)變形量突增現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)進(jìn)行預(yù)防和采取補(bǔ)救措施；最后，對(duì)地質(zhì)條件薄弱區(qū)進(jìn)行針對(duì)性支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，保證工作面安全回采。

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)極限平衡拱理論得到，小莊礦井40207工作面膠運(yùn)順槽頂板和兩幫最大松動(dòng)圈范圍分別為1.4 m 和1.12 m。

（2） 基于松動(dòng)圈范圍，采用理論計(jì)算得到，小莊礦井膠運(yùn)順槽支護(hù)參數(shù)為：頂板采用Φ22×2 500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度≥500 MPa，間排距為700×800 mm，矩形布置。幫部采用Φ22×2 500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度≥500 MPa，間排距為800×800 mm，矩形布置。錨索采用Φ28.6×7 100 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1 400×1 600 mm，每排4 根。

（3） 通過(guò)對(duì)40207 工作面膠運(yùn)順槽圍巖變形量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道最大變形量為141 mm。為了保證工作面安全回采，提出了膠運(yùn)順槽變形量的防治措施。