煤礦井下破碎頂板巷道耦合讓壓支護(hù)技術(shù)研究

肖 學(xué)

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

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煤礦井下破碎頂板巷道耦合讓壓支護(hù)技術(shù)研究

肖 學(xué)

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

針對(duì)斜溝煤礦8#煤層巷道面臨的支護(hù)問題，從理論上對(duì)地質(zhì)與采礦條件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合理的錨桿長(zhǎng)度及錨桿系統(tǒng)的安裝載荷，并對(duì)四維耦合高位讓均壓支護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與合理選型，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)了支護(hù)系統(tǒng)的合理性。

破碎頂板巷道；耦合讓均壓支護(hù)；有限元；工況點(diǎn)

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦目前正在開采13#和8#煤層。 在8#煤層12采區(qū)的開采過程中，隨著工作面開采深度的增加和頂板巖石條件的變化，巷道頂板支護(hù)出現(xiàn)了一些問題，發(fā)生了幾次漏頂和冒頂事故，給礦井的安全生產(chǎn)帶來了很大隱患，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)接續(xù)。

1 支護(hù)現(xiàn)狀分析

斜溝煤礦8#煤層巷道支護(hù)主要存在以下難題：

1) 巷道埋藏深度大：12采區(qū)的開采深度達(dá)到500 m以上，逐漸進(jìn)入深部開采。

2) 頂板巖性及特點(diǎn)變化：深部區(qū)域砂巖層頂板的缺失和泥巖層的加厚，一方面使得頂板的整體強(qiáng)度變?nèi)酰硪环矫婺鄮r的易風(fēng)化特性對(duì)支護(hù)破壞很大。部分區(qū)域頂板存在原生的大致平行或斜交巷道方向的節(jié)理伴隨大量裂隙。這些節(jié)理裂隙隨著巷道的掘進(jìn)逐漸張開形成張節(jié)理裂隙切割的頂板。此外，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到在有些區(qū)域內(nèi)，頂板存在淋水現(xiàn)象。頂板水一方面弱化了泥巖頂板，另一方面加速了錨索的銹蝕。

3) 開采條件：8#煤層巷道寬，斷面大，巷道長(zhǎng)期風(fēng)化，易形成網(wǎng)兜漏頂及錨桿、錨索失效問題。 開采應(yīng)力重新分布的影響： 井下觀測(cè)表明，巷道掘進(jìn)應(yīng)力重新分布顯現(xiàn)較弱，兩幫顯現(xiàn)很小。然而值得注意的是目前工作面間的煤柱為25 m，在淺部巷道超前支撐壓力影響不大，到深部地區(qū)后可能有較強(qiáng)烈的顯現(xiàn)。

4) 支護(hù)產(chǎn)品與支護(hù)方案：井下有大量的錨桿破斷，所有錨桿都是在絲部破斷，而且破斷面無任何徑縮，可以肯定，錨桿本身存在一定的問題。錨桿螺母采用無翼螺母，沒有任何減阻墊圈，造成錨桿的重要參數(shù)安裝載荷偏低。錨桿托盤制造質(zhì)量粗劣，托盤底面不平形成和鋼帶4點(diǎn)接觸，嚴(yán)重影響支護(hù)效果，同時(shí)造成大量鋼帶撕裂現(xiàn)象。錨索托盤采用平托盤，周邊受力很小只有中間部分受力，而且笨重，實(shí)際承載能力效果不好。錨固劑是典型的“肥耳”錨固劑，而且藥卷充裝不實(shí)。由此可見，有必要針對(duì)斜溝煤礦8#煤層的地質(zhì)與采礦條件，設(shè)計(jì)出一套適合其特點(diǎn)的合理的巷道支護(hù)系統(tǒng)。

2 耦合讓壓支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)斜溝煤礦8#煤層巷道面臨的支護(hù)問題，從理論角度對(duì)地質(zhì)與采礦條件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合理的錨桿長(zhǎng)度及錨桿系統(tǒng)的安裝載荷，并對(duì)四維耦合高位讓均壓支護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與合理選型。

2.1 地質(zhì)采礦條件分析與研究

在8#煤層12采區(qū)的開采過程中，隨著工作面開采深度的增加和頂板巖性條件的變化，巷道頂板支護(hù)發(fā)生了幾次頂板事故，針對(duì)斜溝礦8#煤層特殊的地質(zhì)條件和在現(xiàn)支護(hù)方案下巷道的支護(hù)效果及存在的問題進(jìn)行調(diào)研和分析。

2.2 高預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖的作用機(jī)理研究

科學(xué)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該使每一根安裝的錨桿都發(fā)揮它的最大作用，從支護(hù)原理講必須考慮下列參數(shù)：安裝應(yīng)力—主動(dòng)支護(hù)的源泉；支護(hù)強(qiáng)度—滿足應(yīng)力和載荷的要求；支護(hù)范圍—松散破碎圈。根據(jù)傳統(tǒng)理論，圍巖應(yīng)力-變形特性曲線見圖1.

圖1 圍巖應(yīng)力和變形特性曲線圖

在靜壓力條件下，從圖1可以看出, 曲線從支護(hù)角度分為3個(gè)區(qū):A區(qū)(圍巖彈性變形區(qū))，B區(qū)(圍巖彈塑性區(qū))，C區(qū)(圍巖破壞區(qū))。

2.3 四維耦合高位讓均壓支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)機(jī)理研究

四維耦合高位讓均壓支護(hù)系統(tǒng)主要包括錨桿系統(tǒng)，圍巖間的耦合、錨索系統(tǒng)，圍巖間的耦合、錨桿間耦合及錨桿與錨索間的耦合。如果在設(shè)計(jì)和使用過程中應(yīng)用不當(dāng)，會(huì)引起錨桿或錨索由于變形協(xié)調(diào)不好而使錨桿破斷或錨索破斷，從而整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)失效。

2.4 數(shù)值模擬分析與支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)斜溝煤礦8#煤層特殊的地質(zhì)條件和在現(xiàn)支護(hù)方案下巷道的支護(hù)效果及存在問題的調(diào)研和分析以及對(duì)高預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖的作用機(jī)理、四維耦合高位讓均壓支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)機(jī)理支護(hù)理論的研究，最終確定8#煤層巷道的支護(hù)類型為耦合讓均壓支護(hù)：耦合讓均壓錨桿+快裝錨索+金屬網(wǎng)+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)。通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)系統(tǒng)各支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1) 錨桿長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

根據(jù)庫(kù)侖準(zhǔn)則和有關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)定義了1個(gè)巖石破壞準(zhǔn)則的摩爾庫(kù)侖安全系數(shù)SF(Safety Factor)，即：

(1)

式中：

σ0—巖石平衡狀態(tài)剪應(yīng)力；

σ1—巖石最大剪應(yīng)力；

σ3—巖石最小剪應(yīng)力；

φ—巖石抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)斜溝煤礦的地質(zhì)采礦條件，建立有限元(FEM)模型。根據(jù)有限元計(jì)算最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布。由最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布，根據(jù)分析云圖(見圖2)可以看出：

a) 破碎圈 (SF<1)：破碎圈的最大深度在1.6 m左右。

b) 穩(wěn)定圈(1

c) 安全穩(wěn)定圈(SF>1.2)：錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)在2 400～2 800 mm.

圖2 摩爾庫(kù)侖安全系數(shù)分布圖

根據(jù)圍巖松散破碎圈分析結(jié)合實(shí)際巷道情況，錨桿的長(zhǎng)度選取不小于2 400 mm，同時(shí)為保證錨桿的錨固力，綜合考慮確定錨桿長(zhǎng)度為2 600 mm.

2) 錨桿安裝應(yīng)力。

在模擬分析中采用了GAP單元模擬各巖層之間和巖層內(nèi)部的層理，建立了巷道的整體模型，以確定錨桿的安裝載荷。根據(jù)有限元分析，錨桿的最小安裝載荷為4 t.由于斜溝煤礦的頂板為復(fù)合頂板，同時(shí)易出現(xiàn)風(fēng)化，因此，把錨桿的安裝載荷提高到6 t，對(duì)巷道的支護(hù)效果會(huì)有改善，因此，確定頂板錨桿安裝載荷為6 t.

3) 巷道支護(hù)強(qiáng)度的確定。

根據(jù)彈塑性支護(hù)設(shè)計(jì)理念及礦井煤層物理力學(xué)特征和采礦條件，結(jié)合捷馬公司多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在圍巖變形和應(yīng)力關(guān)系理論公式基礎(chǔ)上，做出圍巖表面位移和支護(hù)阻力特性曲線，見圖3.

圖3 圍巖表面位移和支護(hù)阻力特性曲線圖

圖3為確定支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)阻力和支護(hù)系統(tǒng)變形量提供基本依據(jù)。很明顯，在大采深的條件下，必須允許圍巖有一定變形，采用適當(dāng)?shù)鸟詈献尵鶋菏侄?。根?jù)上述分析，支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是錨桿(索)長(zhǎng)度，支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)系統(tǒng)三者的耦合。單獨(dú)提高和降低一個(gè)因素而忽略其他因素都達(dá)不到支護(hù)效果，這3個(gè)因素就是耦合支護(hù)工況點(diǎn)。圍巖表面位移和支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系圖見圖4.

圖4 圍巖表面位移和支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系圖

在實(shí)際工作中，利用圖4可以設(shè)計(jì)耦合支護(hù)工況點(diǎn)； 給定工況點(diǎn)中任一參數(shù)，檢查其它兩個(gè)參數(shù)是否合理；優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。在回采期間，受工作面超前支撐壓力的影響，支護(hù)的耦合工況點(diǎn)往往具有很大變化，僅靠錨桿支護(hù)比較困難。所以在大多數(shù)礦區(qū)，采用錨索和棚子超前支護(hù)來解決超前支承壓力的問題。超前支撐壓力的考慮方式是在式(1)中把垂直應(yīng)力增加1.5倍。根據(jù)這個(gè)原則，以輔助支護(hù)耦合設(shè)計(jì)曲線可以看出，如果沒有輔助支護(hù)，光靠錨桿，工作回采時(shí)，在極限條件下，假設(shè)臨近端頭對(duì)應(yīng)錨桿系統(tǒng)的需耦合支護(hù)工況點(diǎn)為：支護(hù)強(qiáng)度(錨桿)：110 t/m；圍巖表面位移(耦合距離)：>130 mm；松散范圍：9 000 mm.為了保證錨桿在2 600 mm長(zhǎng)度在極限條件下不完全失效，所需設(shè)計(jì)的耦合支護(hù)工況點(diǎn)為：支護(hù)強(qiáng)度(錨桿+錨索)：170 t/m；圍巖表面位移：50 mm；松散范圍：2 200 mm；實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度為190 t/m.對(duì)應(yīng)的錨索有效長(zhǎng)度應(yīng)該為6 m.

根據(jù)8#煤層工作面巷道實(shí)際情況，結(jié)合類似條件下巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)確定錨桿參數(shù)選擇如下：

a) 頂板錨桿參數(shù)：

頂板采用超高強(qiáng)讓均壓錨桿，其具體參數(shù)如下:

間排距：排距1 000 mm，間距見巷道支護(hù)斷面圖(圖5)

桿體直徑: 20 mm

桿體材料：Q600礦用超高強(qiáng)螺紋鋼

延伸率：理論值15%，實(shí)測(cè)值大于20%

錨桿的屈服強(qiáng)度大于19 t，抗拉強(qiáng)度大于24 t

錨桿的長(zhǎng)度：2 600 mm

錨桿的預(yù)應(yīng)力不小于4 t，建議6 t；安裝扭矩不小于200 N·m，建議280 N·m

錨桿托盤： 150 mm×150 mm×10 mm的高強(qiáng)球型托盤

錨固劑：CK2335與K2380的錨固劑各1支

表面支護(hù)：金屬網(wǎng)+W鋼帶

讓壓裝置：15-17 t單泡讓壓管

b) 幫部錨桿參數(shù)：

兩幫采用原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù):

建議把鋼帶托盤改為300 mm×300 mm×3.75 mm，把煤柱側(cè)的錨桿改為鋼錨桿。

c) 錨索參數(shù)：

錨索長(zhǎng)度：9 000 mm和6 000 mm；

錨索安裝應(yīng)力：錨索的安裝應(yīng)力15 t

錨索直徑：22 mm

配件：索具、球墊圈，索頭保護(hù)套

托盤：300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)球型托盤

錨固劑：1支CK2335，2支K2380

錨索布置：具體見圖5

圖5 巷道支護(hù)斷面圖

3 應(yīng)用效果

耦合讓均壓錨桿+快裝錨索+金屬網(wǎng)+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)解決了該地質(zhì)采礦條件的巷道支護(hù)的難題。試驗(yàn)階段捷馬公司支護(hù)材料成本約為967元/m，原錨網(wǎng)支護(hù)段每米支護(hù)材料成本為1 250元/m，試驗(yàn)

區(qū)巷道與原錨網(wǎng)支護(hù)方法相比降低支護(hù)材料成本為29.2%.由于間排距的擴(kuò)大及施工工藝的優(yōu)化，巷道掘進(jìn)速度由原來的10 m/d提高到12 m/d，掘進(jìn)速度比原來提高了20%.巷道一次支護(hù)成功，解決了巷道的返修和二次支護(hù)問題,提高了月掘進(jìn)出煤量。和原來的支護(hù)相比，更加安全可靠，預(yù)計(jì)在該礦全面推廣。

4 結(jié) 論

斜溝煤礦8#煤層破碎頂板巷道耦合讓壓支護(hù)技術(shù)根據(jù)有限元模擬和設(shè)計(jì)方案，通過計(jì)算，確定支護(hù)參數(shù)和施工工藝，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行巷道支護(hù)施工工藝培訓(xùn)并進(jìn)行優(yōu)化，在試驗(yàn)的過程中，及時(shí)記錄并做好礦壓觀測(cè)，以便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和補(bǔ)充，做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)完畢后，對(duì)該巷道的支護(hù)體系做出評(píng)估。該項(xiàng)技術(shù)首次提出了耦合讓均壓支護(hù)理念，確定適合礦井安全生產(chǎn)的耦合支護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)快速、安全、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)；提出了支護(hù)系統(tǒng)工況點(diǎn)的概念，確定了巷道支護(hù)彈塑性支護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并根據(jù)此準(zhǔn)則確定了相應(yīng)的工況點(diǎn)及基本支護(hù)參數(shù)；設(shè)計(jì)應(yīng)用了耦合讓均壓錨桿和鳥窩錨索，實(shí)現(xiàn)了整體耦合讓均壓支護(hù)；設(shè)計(jì)了機(jī)械式扭矩放大器，實(shí)現(xiàn)了錨桿的高預(yù)應(yīng)力，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

[1] 杜計(jì)平，孟憲銳.井工煤礦開采學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2014:14-25.

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Study on Coupling Pressure Support Technology for Mine Roadway with Broken Roof

XIAO Xue

In view of the support problem of No.8 coal seam roadway in Xiegou coal mine, the geological and mining conditions are analyzed in theory. The reasonable length of anchor and the installation load of anchor system are designed. The parameter of 4D coupling equal pressure support system is designed. The adopted supporting structure is carried out optimization design and reasonable selection. The rationality of supporting system is verified by numerical simulation and field practice.

Broken roof roadway; Coupling equal pressure support; Finite element; Operating point

2016-06-13

肖 學(xué)(1979—)，男，山西晉城人，2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤炭開采技術(shù)管理工作

(E-mail)13546398193@163.com

TD353

A

1672-0652(2016)07-0004-04