慈林山煤礦薄煤層堅(jiān)硬頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

薛凱宏，張 蒙，賀行行，葛帥帥，曹 栩，吳曉剛

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 運(yùn)城 044000)

?

·試驗(yàn)研究·

慈林山煤礦薄煤層堅(jiān)硬頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

薛凱宏，張 蒙，賀行行，葛帥帥，曹 栩，吳曉剛

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 運(yùn)城 044000)

在煤層賦存條件較好，巷道圍巖自承能力強(qiáng)的條件下，對巷道支護(hù)方案進(jìn)行合理的優(yōu)化不僅可以保證安全生產(chǎn)和施工進(jìn)度，而且還能帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文以潞安集團(tuán)慈林山煤礦9103工作面回采巷道為試驗(yàn)巷道，利用數(shù)值模擬的研究手段，優(yōu)化其錨桿錨索支護(hù)參數(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場，取得了良好的效果。

薄煤層；堅(jiān)硬頂板；支護(hù)優(yōu)化；數(shù)值模擬

1 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

慈林山煤礦主采9#煤層，平均煤層厚度1.2 m，埋深200 m. 試驗(yàn)巷道為9103工作面回風(fēng)巷及運(yùn)輸巷，其中回風(fēng)巷鄰近9101工作面采空區(qū)，運(yùn)輸巷兩側(cè)均為實(shí)煤體；運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷斷面形式均為矩形，巷道尺寸分別為凈寬4.3 m、凈高2.2 m以及凈寬3.6 m、凈高2.2 m，兩巷道掘進(jìn)均采用破底掘進(jìn)方式進(jìn)行。煤層直接頂為1.1 m泥質(zhì)灰?guī)r，質(zhì)堅(jiān)硬，基本頂為中粒砂巖，底板為細(xì)粒砂巖。巷道布置平面圖見圖1.

圖1 巷道布置平面圖

2 巷道原支護(hù)方式及參數(shù)

2.1 回風(fēng)巷原支護(hù)方式及參數(shù)

1) 支護(hù)形式及參數(shù)。

回風(fēng)巷的支護(hù)形式為錨網(wǎng)支護(hù)，采用三花布置，間排距為800 mm×800 mm；錨桿施工錨固力在64 kN以上，采用d6 mm鋼筋焊網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)規(guī)格：1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格間距：100 mm×100 mm，搭接長度100 mm.

2) 支護(hù)材料。

采用PHR335螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格：d18 mm×L1 900 mm

采用Q235錨托板，規(guī)格：150 mm×150 mm×8 mm

采用樹脂錨固劑，樹脂錨固劑規(guī)格：MSK2335、MSZ2340每根錨桿各一卷

采用d6 mm鋼筋焊網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)規(guī)格：1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格間距：100 mm×100 mm

2.2 運(yùn)輸巷原支護(hù)方式及參數(shù)

1) 支護(hù)形式及參數(shù)。

運(yùn)輸巷的支護(hù)形式為錨、網(wǎng)、梁、索聯(lián)合支護(hù)，頂板和北幫錨桿型號一致，規(guī)格為d20 mm×L2 000 mm的PHR335螺紋鋼錨桿；煤壁南幫采用d18 mm×L2 000 mm的玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿錨固力64 kN以上，間、排距為800 mm×800 mm；利用規(guī)格為d17.8 mm×L6 300 mm的錨索對頂板補(bǔ)強(qiáng)，排距2 400 mm，居中布置，錨索錨固力100 kN.

2) 支護(hù)材料。

玻璃鋼錨桿參數(shù)：d18 mm×L2 000 mm

PHR335螺紋鋼錨桿參數(shù)：d20 mm×L2 200 mm、d20 mm×L2000 mm

Q235錨托板參數(shù)：150 mm×150 mm×8 mm

錨索鋼絞線參數(shù)：d17.8 mm×L6 300 mm 1860級鋼絞線

錨索構(gòu)件參數(shù)：錨索配套采用300 mm×300 mm×16 mm托板及配套鎖具緊固錨索

樹脂錨固劑參數(shù)：MSK2335、MSZ2360

d6 mm鋼筋焊網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)參數(shù)：1 000 mm×2 000 mm，網(wǎng)格間距：100 mm×100 mm

梯子梁規(guī)格參數(shù)：d14 mm圓鋼焊成4 300 mm×70 mm、2 000 mm×70 mm

3 回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

利用數(shù)值模擬的方法對不同支護(hù)參數(shù)條件下的圍巖變形量進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)9103工作面的地質(zhì)條件建立物理模型，見圖2.

圖2 物理模型圖

1) 預(yù)緊力的確定。

為了對9103工作面回風(fēng)巷錨桿支護(hù)確定合理的預(yù)緊力，利用數(shù)值模擬，分別計(jì)算10 kN、20 kN、30 kN和40 kN不同預(yù)緊力情況下巷道圍巖變形和應(yīng)力變化情況，并進(jìn)行對比分析。數(shù)值模擬設(shè)置錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨桿參數(shù)為d20 mm×L2 200 mm；錨索參數(shù)為d18.9 mm×L5 300 mm，布置方式排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央。不同預(yù)緊力下圍巖表面位移數(shù)據(jù)見表1. 從表1可以看出，預(yù)緊力為30 kN時(shí)，能有效地控制圍巖變形。

表1 不同預(yù)緊力下圍巖表面位移表

2) 錨桿直徑的確定。

我國井巷錨桿施工鉆機(jī)的常用孔徑為28 mm，相應(yīng)的錨桿直徑為18～24 mm，綜合考慮施工機(jī)具因素，將頂板以及兩幫錨桿直徑設(shè)定為20 mm，既能滿足節(jié)約材料、高錨固力的要求，又能方便施工。

3) 錨桿長度的確定。

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，錨桿布置間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨桿d20 mm；錨索參數(shù)為d18.9 mm×L5 300 mm，布置方式排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央，錨桿預(yù)緊力設(shè)定為30 kN. 為了研究錨桿長度對巷道支護(hù)的影響，分別對1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m規(guī)格的錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見表2. 結(jié)合模擬結(jié)果，考慮安全、經(jīng)濟(jì)和施工等因素，最終確定9103工作面回風(fēng)巷頂板錨桿長度為2.2 m.

表2 錨桿長度對圍巖表面位移的影響表

4) 錨桿間排距的確定。

在已經(jīng)確定錨桿直徑20 mm，長度2.2 m條件下，考慮到現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，采用800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm、1 200 mm×1200 mm 4種不同間排距方案進(jìn)行比較，不同錨桿排距與巷道圍巖變形的關(guān)系見表3. 最終確定頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm.

表3 錨桿間距對圍巖表面位移的影響表

5) 錨索支護(hù)參數(shù)確定。

考慮煤層頂板分層狀況及9101工作面實(shí)際支護(hù)效果，決定選用d18.9 mm，L5 300 mm鋼絞線。在已經(jīng)確定錨桿支護(hù)參數(shù)的條件下，對錨索間排距進(jìn)行模擬計(jì)算，不同幫錨桿間距與巷道圍巖變形的關(guān)系見表4. 最終確定選用方案二，即錨索排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央。

表4 錨索間距對圍巖表面位移的影響表

4 運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

類比回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)為：錨桿直徑20 mm，長度為2.2 m，間排距1 000 mm×1 200 mm，錨索每隔3.6 m打1排，每排1根，布置于巷道頂板中央，垂直布置。

5 工業(yè)性試驗(yàn)

5.1 9103回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)

1) 頂板：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑為20 mm，長度2 200 mm，間排距1 000 mm×1 200 mm，配合鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360；錨索布置于巷道中央，每根長度5 300 mm，直徑18.9 mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，排距3 600 mm，每排1根，每根錨索采用3支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另2支為MSZ2360，每根錨索采用的托盤為Q235碟形鋼板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，相應(yīng)配套調(diào)心球墊、鎖具。

2) 實(shí)體煤幫：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑20 mm、長度2 200 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360.

3) 開采煤幫：錨桿采用玻璃鋼錨桿，直徑18 mm，長度2 000 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁，每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360.每根錨桿配套使用樹脂減摩墊圈、半球形墊圈、高強(qiáng)螺帽、金屬墊圈、規(guī)格為150 mm×150mm×10 mm碟型Q235鋼板托盤。

5.2 9103工作面運(yùn)輸巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù)

1) 頂板：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑為20 mm，長度2 200 mm，間排距1 000 mm×1 200 mm，配合鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360；錨索布置于巷道中央，每根長度5 300 mm，直徑18.9 mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，排距3 600 mm，每排1根，每根錨索采用3支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另2支為MSZ2360，每根錨索采用的托盤為Q235碟形鋼板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，相應(yīng)配套調(diào)心球墊、鎖具。

2) 實(shí)體煤幫：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑20 mm、長度2 200 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用2支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360.

3) 開采煤幫：錨桿采用玻璃鋼錨桿，直徑18 mm，長度2 000 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁，每根錨桿采用2支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360. 每根錨桿配套使用樹脂減摩墊圈、半球形墊圈、高強(qiáng)螺帽、金屬墊圈、規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm碟型Q235鋼板托盤。

5.3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果分析

通過現(xiàn)場對兩巷道50 d的礦壓觀測發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足安全生產(chǎn)要求，兩巷道最大圍巖變形量不超過200 mm，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案取得了成功。

6 結(jié) 論

1) 慈林山煤礦煤層賦存條件好，頂板堅(jiān)硬，可以對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化。

2) 慈林山煤礦通過支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，施工進(jìn)度得到提高，支護(hù)成本減少50%左右。

3) 合理的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以保證安全生產(chǎn)的同時(shí)，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張建華.大斷面煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].西北煤炭，2006，4(4)：24-26.

[2] 劉玉文.煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].煤炭科技，2006(2)：15-16.

[3] 康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(7):673-678.

[4] 孔德森，蔣金泉.深部巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤，2001，10(6)：1-3.

[5] 張 農(nóng).煤巷樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999：23-24.

[6] 張慎勇.機(jī)巷錨桿支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江西煤炭科技，2008(2)：8-9.

Optimized Design of Hard Roof Support in Thin Coal Seam in Cilinshan Coalmine

XUE Kaihong, ZHANG Meng, HE Xingxing, GE Shuaishuai, CAO Xu, WU Xiaogang

Under the conditions of Geologically being good with strong bearing for roadway surrounding rock, the reasonable optimization of roadway support scheme can not only ensure the safety production and construction progress, but also bring good economic benefits. In this paper, No.9103 workface in Cilinshan Coalmine of Lu'an Group is decided as a experimental site. By means of numerical simulation, the bolt and cable support parameters are optimized and applied with satisfied results are obtained.

Thin coal seam; Hard roof; Support optimization; Numerical simulation

2016-06-12

薛凱宏(1985—)，男，山西呂梁人，2014年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，研究生，高級工程師，主要從事礦山地質(zhì)及礦山支護(hù)研究工作(E-mail)78696101@qq.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0031-04