復(fù)合頂板條件下巷道支護(hù)方式研究與應(yīng)用

魏謙，陳鵬，李江龍

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西沁源046599）

復(fù)合頂板條件下巷道支護(hù)方式研究與應(yīng)用

魏謙，陳鵬，李江龍

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西沁源046599）

山西汾西太岳煤業(yè)股份有限公司位于山西省沁源縣西部，沁水煤田的西部邊緣地段。通過(guò)理論計(jì)算分析、周圍礦井調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和地質(zhì)鉆孔分析等手段對(duì)沁水煤田的西部邊緣地段煤層巷道頂板變形破壞機(jī)理進(jìn)行了探討，提出相應(yīng)的支護(hù)方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的圍巖控制效果。

復(fù)合頂板條；巷道支護(hù)；研究與應(yīng)用；

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.028

1 引言

近期由于礦井巷道受采動(dòng)、地質(zhì)條件、開(kāi)采深度的增加、井下采掘活動(dòng)增多等因素影響，尤其2204膠帶順槽、2110回風(fēng)順槽、2101回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)明顯，頂板出現(xiàn)離層、整體下沉、幫部變形量超過(guò)500mm等情況，多數(shù)地段不得不采用點(diǎn)柱和工字鋼棚二次支護(hù)，同時(shí)也出現(xiàn)棚腿、梁變形；局部出現(xiàn)錨索、錨桿拉斷、錨索盤變形等情況，嚴(yán)重制約我礦正常采掘生產(chǎn)。

2 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量

2204 工作面為我礦二采區(qū)南翼首采工作面，目前該工作面只掘進(jìn)膠帶順槽，該巷道相鄰處均為未開(kāi)采區(qū)域。2204膠帶順槽頂板為復(fù)合巖層頂板，該巷道掘進(jìn)至600m位置時(shí)，巷道200～400m范圍內(nèi)頂板下沉及幫部位移特別嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了正迎頭的正常掘進(jìn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，為了切實(shí)掌握該段巷道頂板離層范圍，特安排專人對(duì)該區(qū)域200m范圍內(nèi)巷道頂板增加頂板離層儀，確保每20m一組。根據(jù)頂板離層儀固定深度不同，安裝3種同種型號(hào)頂板離層儀（以最深固定距離區(qū)分：6m、8m、10m），按順序安裝。同時(shí)安排專人每7天觀測(cè)一次，并建立記錄臺(tái)賬。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域巷道頂板80%以上頂板離層儀顯示巷道頂板以上3～6m之間出現(xiàn)離層，離層范圍100～200mm;10%的頂板離層儀顯示巷道頂板3m以下出現(xiàn)離層,離層范圍大于200mm;5%的頂板離層儀顯示巷道頂板6m以上局部出現(xiàn)離層現(xiàn)象，離層范圍不大于100mm。

2.2 巷道荷載計(jì)算

2.2.1 按自然平衡拱理論計(jì)算

1）兩幫煤體受擠壓深度C

式中，K為自然平衡拱角應(yīng)力集中系數(shù)，與巷道斷面形狀有關(guān)，矩形斷面，取2.8；r為上覆巖層平均容重，取24kN/m3；H為巷道埋深，m；B為固定支撐力壓力系數(shù)，按實(shí)體煤取1；fc為煤層普氏系數(shù)；Kc為煤體完整性系數(shù)，0.9～1.0；a為煤層傾角,8°；h為巷道掘進(jìn)高度，2.8m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，經(jīng)計(jì)算，C=6.77m。

2）潛在冒落高度b

式中，a為頂板有效跨度之半，m；Ky為直接頂煤巖類型性系數(shù)。當(dāng)巖石f=3～4時(shí)，取0.45；f=4～6時(shí)，取0.6；f=6～9時(shí)，取0.75；fr為直接頂普氏系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，b=4.88m。

3）兩煤幫側(cè)壓值Qs

式中，n為采動(dòng)影響系數(shù)，取2～5；r煤為煤體容重，kN/m3，經(jīng)計(jì)算，Qs=231.3kN/m。

4）作用在頂板的壓力Qd為：

式中，γ為上覆巖層的重力密度，kN/m3；a為巷道半跨度，m；b為頂板最大破壞深度，m；B為采動(dòng)影響系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Qd=984kN/m。

2.2.2 支護(hù)強(qiáng)度核定

根據(jù)巷道實(shí)踐、理論分析及太岳煤礦初步支護(hù)設(shè)計(jì)資料，確定巷道每排布置5根頂錨桿，每1.6m布置10根；每幫每排布置4根幫錨桿，1.6m每幫布置8根；每1.6m巷道布置3根錨索，則每米巷道錨桿、錨索提供的荷載：

1）每米巷道頂錨桿提供荷載

式中，Pm為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，105kN。

2）每米巷道錨索提供的載荷：

式中，Q2為錨索設(shè)計(jì)錨固力，200kN；Q支=Q1+Q2=656+375= 1031kN，Q支為頂部支護(hù)提供荷載；Q支＞Qd，頂部支護(hù)滿足要求。

3）每米巷道一側(cè)幫錨桿提供荷載

Qb＞Qs，幫部支護(hù)滿足要求。

2.2.3 錨桿參數(shù)計(jì)算

1）錨桿長(zhǎng)度

（1）頂錨桿長(zhǎng)度確定

式中，L為錨桿總長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，m；外露長(zhǎng)度0.1m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度（不小于平衡自然拱高度），m；L3為錨桿錨入穩(wěn)定巖層長(zhǎng)度，螺紋錨桿一般取0.6～1.2m；L=0.1+1.4+0.6=2.1m；故頂錨桿選用初始設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2.4m。

（2）幫錨桿長(zhǎng)度確定

式中，L為錨桿總長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，m；一般取0.1m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論，取1.5m；L3為錨桿錨入穩(wěn)定巖層長(zhǎng)度，m，一般不小于0.3m；L=0.1+1.5+0.3=1.9m；因此，幫錨桿長(zhǎng)度選取2.0m。

2）錨桿間排距

則D頂間排=1.05m，D幫間排=0.95m,及結(jié)合前面頂板荷載驗(yàn)算，可得錨桿間排距：0.9m×0.8m。

3）錨桿直徑計(jì)算

式中，d為錨桿直徑，mm；L桿為錨桿長(zhǎng)度，mm；

式中，N為錨桿錨固力，kN;d為錨桿直徑，mm；σ為桿體材料屈服極限(螺紋鋼屈服極限335MPa,圓鋼屈服極限235MPa)，查采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)，MPa。

4）錨桿錨固力計(jì)算105.2MPa，即頂錨桿錨固力不小于105MPa；

若幫錨桿選用全螺紋鋼錨桿時(shí)：

即幫錨桿錨固力大于60MPa.

顯然螺紋鋼錨桿支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于圓鋼錨桿支護(hù)強(qiáng)度，因此幫錨桿選用φ20mm×2000mm全螺紋等強(qiáng)錨桿，考慮施工過(guò)程中需要刷幫、施工硐室等方便，選用右旋全螺紋等強(qiáng)錨桿。

5）錨索參數(shù)確定

（1）錨索長(zhǎng)度

式中，L索為錨索長(zhǎng)度，m；L索1為錨索外露有效長(zhǎng)度，m，一般取0.2m；L索2為錨索有效長(zhǎng)度，矩形巷道選擇巷道毛寬度，半圓拱巷道選取圍巖破碎半徑，即4.2m；L索3為錨索錨固長(zhǎng)度，一般取1.5～2.0m，取1.8m。

半圓拱巷道圍巖破碎半徑：

式中，Rp為巷道圍巖破碎半徑，m；φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角，（°）；γa為巷道頂板復(fù)巖平均容重，t/m3；Z為巷道中心至地表距離，m；C為巖石黏結(jié)力，t/m2，查手冊(cè)得0.002t/m2；L索=0.2+4.2+1.8=6.2m，則錨索長(zhǎng)度選擇6.5m。

（2）錨索排距確定式中，a為錨索排距，m；σ為每根錨索最大破斷荷載，260kN；B為巷道寬度，4.2m；γ為煤巖體積力，12kN/m3；K為安全系數(shù)，取0.5。2

（3）錨索排數(shù)

式中，n為錨索排數(shù)，排；B為巷道寬度，4.2m。

（4）錨索間距

即：m=0.85×4.2 2=1.785m，取1.8m，結(jié)合前面頂板荷載核算，錨索排距選取0.8m。即錨索布置方式為“二一二”。

綜上所述：根據(jù)錨桿錨索支護(hù)理論計(jì)算及驗(yàn)算，結(jié)合我礦當(dāng)前支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及對(duì)周邊山西沁新能源集團(tuán)有限公司沁新煤礦、山西康偉集團(tuán)公司南山礦進(jìn)行調(diào)研。對(duì)我礦錨桿錨索支護(hù)參數(shù)修正參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巷道頂部支護(hù)材料技術(shù)參數(shù)

表2 巷道幫部支護(hù)材料技術(shù)參數(shù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及技術(shù)效果

1）支護(hù)效果比較。太岳煤礦自2015年11月份井下各掘進(jìn)巷道全部使用修正后的新型支護(hù)材料及新的聯(lián)合布置方式，3個(gè)月共計(jì)支護(hù)巷道約1500m。所有巷道均按照每50m安設(shè)1組頂板離層儀，每7天安排專人負(fù)責(zé)觀測(cè)一次，并填寫數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)顯示平均頂板下沉量小于50mm，幫部變形量小于100mm。巷道移近量趨于穩(wěn)定，巷道變形量?jī)H為8%～10%。巷道得到有效控制，達(dá)到一次支護(hù)成功的要求，取得了良好的支護(hù)效果[1]。

2）經(jīng)濟(jì)效益分析。以往巷道臥底修復(fù)施工時(shí)多采用工字鋼棚架支護(hù)，根據(jù)測(cè)算每米巷道修復(fù)成本1050元/m。再加上原巷道施工成本2700元/m,則該巷道施工總成本每米達(dá)到3750元/m,而采用新型支護(hù)成本3250元/m，每米巷道節(jié)省成本500元以上。做到節(jié)約材料，降低成本。

3）技術(shù)效益分析。采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，其構(gòu)件簡(jiǎn)單、重量輕、裝運(yùn)方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低。能提高功效，達(dá)到支護(hù)效果。杜絕返工浪費(fèi)、二次成巷的弊病，減少了支護(hù)成本，提高生產(chǎn)安全。

同時(shí)該支護(hù)材料在全礦得到推廣使用，尤其在巷道維修中得到應(yīng)用，通過(guò)圍巖離層范圍選用不同長(zhǎng)度的錨索配合工字鋼梁，將原來(lái)離層頂板得到有效控制，減少了巷道維修扶棚的工作量，大大降低了巷道維修費(fèi)用，也確保巷道有效斷面[2]。

5 結(jié)論

在巷道掘進(jìn)支護(hù)的過(guò)程中，我們要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，認(rèn)真分析總結(jié)，不斷優(yōu)化支護(hù)材料和技術(shù)要求，從中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，找到了今后需改進(jìn)的地方。

1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與檢測(cè)應(yīng)用效果顯示，巷道兩頂角錨桿分別向兩幫傾斜15～20°，能有效控制復(fù)合頂板圍巖的變形破壞。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件變化及采掘布置情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)材料布置方式及部分支護(hù)材料技術(shù)參數(shù)，確保支護(hù)強(qiáng)度。

3）隨著我礦開(kāi)采深度的不斷增加，巷道支護(hù)改革將成為全礦永恒的話題。因此需加大對(duì)巷道頂、幫觀測(cè)力度、確保根據(jù)不同埋深及時(shí)變更或完善支護(hù)參數(shù)。

【1】李強(qiáng)，付玉平.堅(jiān)硬頂板條件下回采巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012(16):126-128.

【2】唐和忠，牛勝建.堅(jiān)硬頂板條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)煤炭工業(yè)，2013(5):52-53.

Research and Application of Roadway Support Under the Condition of Compound Roof

WEI Qian,CHEN Peng,LI Jiang-long
(ZaozhuangM ining Industry(Group)Co.Ltd.,Qinyuan046599,China)

Shanxi Fenxi Taiyue Coal Incorporated Company is located on the west of Qinyuan in Shanxi Provice,the western edge area of Qinshui coalfield. Through means of theoretical calculation,investigation on surrounding mine,field observation and analysis of geological drilling,this paper discusses the deformation and failure mechanism of coal roadway roof of Qinshui coalfield in western edge area,and puts forward the corresponding support methods.Through the field experiment,the good control effect of surrounding rock is obtained.

composite roof strip;roadway support;research and application

TD353

A

1007-9467（2016）08-0054-03

2016-07-23

魏謙（1970～），男，山東滕州人，工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)研究。