東曲礦近距離煤層工作面順槽支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蘇 鑫

(西山煤電(集團(tuán))公司 東曲礦，山西 古交 030203)

西山煤電(集團(tuán))公司東曲礦14414工作面皮帶順槽上部為12414和12416工作面采空區(qū)，兩煤層相距18 m左右，屬于近距離煤層采空區(qū)下巷道掘進(jìn)。在近距煤層群開采過程中，如果巷道的布置位置不合理，巷道的支護(hù)難度將會(huì)非常大。本文結(jié)合14414工作面的具體現(xiàn)狀對(duì)順槽支護(hù)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，取得了良好的支護(hù)效果。

1 概況

1.1 14414工作面位置及采掘概況

14414工作面位于東曲礦973水平四采區(qū)，地面標(biāo)高為1268～1346m，工作面標(biāo)高為986～1006 m。14414工作面長596 m，上部有12414、12416工作面采空區(qū)。14414皮帶巷同14412軌道巷間的煤柱寬度約為20 m，工作面平面布置圖見圖1。

圖1 工作面平面布置圖

1.2 工作面圍巖性質(zhì)

東曲礦4#煤層厚 1.3～2.1 m，平均厚度約 1.7 m，其中，夾矸厚 0.6～1.4 m。直接頂為泥巖，厚度1.15 m，黑色，質(zhì)純，含植物化石;老頂為中粒砂巖，厚度為10.38 m，灰白色，泥質(zhì)膠結(jié)，層理不明顯;直接底為砂質(zhì)泥巖厚度為 1.1～4.85 m，平均厚度為3.01 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

14414工作面屬于單斜構(gòu)造，皮帶巷在掘進(jìn)過程中無明顯的地質(zhì)構(gòu)造出現(xiàn)，地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單。

2 四采區(qū)近距煤層開采及巷道支護(hù)現(xiàn)狀

2.1 四采區(qū)近距煤層開采現(xiàn)狀

東曲礦4#煤層分為4#煤上、4#煤、4#煤下3層。4#煤四采區(qū)上部的2#煤層12416和12414面已于2008—2010年期間完成回采，工作面上覆巖層活動(dòng)基本停止，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，下部4#煤層巷道掘進(jìn)不受其影響。14414皮帶巷同14412軌道巷間的煤柱寬度約為20 m。目前，14412工作面的兩條順槽已經(jīng)掘進(jìn)完畢，現(xiàn)進(jìn)行14414皮帶巷的掘進(jìn)，14412工作面采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板，由于14412工作面的回采動(dòng)壓，加之14414皮帶巷的頂板為泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度低，遇水易軟化，穩(wěn)定性差，增加了巷道的支護(hù)難度。

2.2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀分析

東曲礦四采區(qū)14414皮帶巷沿4#上煤頂板進(jìn)行施工，長度為 596 m，巷道尺寸:4.5 m ×3.5 m，皮帶順槽支護(hù)方式見圖2。

圖2 皮帶順槽原支護(hù)圖

14414皮帶順槽采用“錨桿+圓鋼鋼帶+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式，頂板采用d20 mm×2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距:850 mm×1000 mm，配壓制碟形鐵托盤，規(guī)格為100 mm×100 mm×10 mm;幫錨桿采用d20 mm×1800 mm左旋螺紋鋼錨桿，配W型鐵托盤:200 mm×200 mm，間排距:1000 mm×1000 mm;采用鋼筋托梁護(hù)頂，采用14#圓鋼焊接而成，長度為4400 mm;錨桿的預(yù)緊力矩≥150 N·m;錨桿采用1支MSCK2360和1支MSK2380樹脂錨固劑錨固。

錨索采用d17.8 mm×4500 mm礦用鋼絞線，間排距:2550 mm×2000 mm;菱形金屬網(wǎng)規(guī)格:1200 mm×5700 mm;錨索托盤采用平托盤，規(guī)格為:200 mm×200 mm×16 mm;錨索的預(yù)緊力≥100 kN，錨索采用1支MSCK2360和2支MSK2380樹脂錨固劑錨固。

通過對(duì)支護(hù)方案分析，結(jié)合井下實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)其支護(hù)形式與參數(shù)存在的問題如下:

1)錨桿(索)的預(yù)緊力過小，并且缺少必要的錨桿支護(hù)構(gòu)件，例如減摩墊片和調(diào)心球墊。調(diào)心球墊和減摩墊片可以提高錨桿的預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率。對(duì)支護(hù)的影響主要表現(xiàn)為:a)錨桿(索)的預(yù)緊力過低，難以發(fā)揮錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)效能，不能控制圍巖初期的擴(kuò)容、離層和變形，圍巖離層后再進(jìn)行支護(hù)已無效。b)目前，錨桿的預(yù)緊力矩僅為150 N·m，在實(shí)驗(yàn)室條件較好的狀況下，此扭矩轉(zhuǎn)化為錨桿的軸向力約為30 kN。

2)巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度不夠。通過對(duì)14413工作面順槽及聯(lián)絡(luò)巷的變形狀況調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，在工作面回采后，甚至在掘進(jìn)期間，巷道的兩幫鼓幫嚴(yán)重，出現(xiàn)了片幫現(xiàn)象，巷道底鼓量大，在變形較大處巷道頂?shù)装鍍H剩余1.7 m左右，一方面是由于圍巖的巖性和采動(dòng)影響所致;另一方面是由于支護(hù)參數(shù)不合理造成的。為了控制巷道大變形，必須堅(jiān)持整體性的支護(hù)原則。

3)頂幫角錨桿布置方式不合理，影響支護(hù)效果。從錨桿桿體受力特征分析，錨桿抗拉能力遠(yuǎn)大于其抗彎、抗剪和抗扭能力，錨桿沿鉛垂方向安裝受力效果最好，如果偏離豎直方位，錨桿安裝過程就可能受到彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)作用，可能造成錨桿桿體受到破壞，特別是錨桿尾部螺紋段，如果錨桿桿體偏離垂直中心，極有可能受到剪扭彎的綜合作用而發(fā)生破斷?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究表明，對(duì)于近水平煤層巷道，錨桿垂直巷道表面安裝效果最好，即使有夾角，最大角度以不超過10°為易。

4)支護(hù)材料不匹配。所用的鋼筋托梁兩根筋之間的寬度基本在60 mm左右，錨桿托盤為100 mm，鋼筋托梁同頂板的接觸相當(dāng)于線接觸，為了更好地發(fā)揮鋼筋托梁的作用，應(yīng)該將托梁加寬到80 mm，不但節(jié)約材料，效果也更加明顯。

2.3 4414皮帶巷新支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了改進(jìn):巷道采用樹脂全長錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。皮帶順槽新支護(hù)圖見圖3。

1)頂板支護(hù)。

錨桿形式和規(guī)格:桿體為20#左旋無縱筋螺紋鋼，牌號(hào)400，長度2.0 m，桿尾螺紋為M22，螺紋長度不小于100 mm。

錨固方式:樹脂全長錨固，采用2支低黏度錨固劑，一支規(guī)格為CK2360，另一支規(guī)格為K2380。鉆孔直徑為28 mm，理論錨固長度1900 mm。

鋼筋托梁規(guī)格:采用Q235圓鋼焊接而成，直徑14 mm，寬度 80 mm，長度 4200 mm，孔間距1000 mm。

錨桿配件:采用高強(qiáng)錨桿螺母M22×3，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為130 mm×130 mm×10 mm，承載能力不低于180 kN。

錨桿角度:全部垂直頂板打設(shè)。

圖3 皮帶順槽新支護(hù)圖

網(wǎng)片規(guī)格:采用菱形網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格4700 mm×1100 mm。

錨桿布置:錨桿排距1000 mm，每排5根錨桿，間距1000 mm。

錨桿預(yù)緊力矩:≥300 N·m。

錨索形式和規(guī)格:錨索材料為 d17.8 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5300 mm，鉆孔直徑28 mm。采用1支CK2360和2支K2380低黏度樹脂藥卷錨固，理論錨固長度2500 mm。

錨索托盤:采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。

錨索布置:每2000 mm打2根錨索，錨索間距2000 mm，垂直頂板巖層。錨索預(yù)緊力:200 kN。

2)兩幫支護(hù)。

錨桿形式和規(guī)格:桿體為20#左旋無縱筋螺紋鋼，長度2.0 m，桿尾螺紋為M22，螺紋長度不小于100 mm。

錨固方式:樹脂加長錨固，采用1支低黏度錨固劑，規(guī)格為K2380，鉆孔直徑為28 mm，理論錨固長度1100 mm。

W護(hù)板規(guī)格:采用W鋼護(hù)板護(hù)幫，鋼帶厚度3 mm，寬280 mm，長度300 mm。

錨桿配件:采用高強(qiáng)錨桿螺母M22×3，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為130 mm×130 mm×10 mm，承載能力不低于180 kN。

網(wǎng)片規(guī)格:采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格2600 mm×1100 mm。

錨桿布置:錨桿排距1000 mm，每幫每排3根錨桿，最上面一根距頂板300 mm，為了避免將錨桿打在夾矸上，設(shè)定錨桿間距依次為900 mm和1200 mm。

錨桿角度:垂直巷幫打設(shè)。

錨桿預(yù)緊力矩:≥300 N·m。

3 結(jié)論

3.1 支護(hù)成本對(duì)比

原支護(hù)方案所用材料直接成本為1617.04元/m，采用新方案所用材料直接成本為1544.41元/m，新支護(hù)方案的每米成本要比原支護(hù)方案節(jié)約72.63元。

3.2 支護(hù)效果對(duì)比

新支護(hù)方案重點(diǎn)加強(qiáng)了巷道兩幫的支護(hù)，對(duì)于避免巷道兩幫鼓出和底板鼓起能起到重要的作用，減少了巷道后期的維修量。

4 結(jié)語

目前，東曲礦4#煤層四采區(qū)只剩14414一個(gè)工作面，而在即將開采的五采區(qū)4#煤上部同樣為2#煤采空區(qū)，且該類型巷道所占比例很高，普通的支護(hù)方式很難滿足支護(hù)要求。因此，該支護(hù)設(shè)計(jì)為同類巷道的支護(hù)提供了重要的應(yīng)用和參考價(jià)值。