西銘礦2號煤綜采工作面頂板管理設計研究

楊青云

（1.太原理工大學，山西　太原　030024； 2.山西省西山煤電西銘礦股份有限公司，山西　太原　030052）

1　2號煤層基本概況

1.1　工作面概況

如圖1所示，42208工作面井下位于西十二采區(qū)左翼，東為42022和42020采空區(qū)（距離約60～120m），南為實煤區(qū)（西銘與杜兒坪礦界），西鄰西十二左翼回風巷，北為42206工作面（未采）。

工作面地面標高為1 609～1 405m；蓋山厚度為1 076～1 104m，平均埋藏深度419m。42208工作面巷道全長671m，皮帶巷道斷面呈矩形，巷寬4.0m，巷高2.6m。

圖1　巷道平面布置示意圖

1.2　煤層及頂?shù)装鍡l件

2號煤層，俗稱“九尺煤”，煤層傾角在1°～4°之間，平均傾角為3°，厚度在1.6～2.1m之間，平均厚度為1.8m，屬于穩(wěn)定煤層。2號煤層上方頁巖偽頂，厚度在0.10～0.30m之間，平均厚度0.2m，灰及深灰色，裂隙發(fā)育，易冒落。其上部砂頁巖互層，厚度在1.00～2.45m之間，平均厚度為1.7m，以砂質(zhì)頁巖為主，下部含泥質(zhì)多，有滑面，含植物碎片化石。再往上是砂質(zhì)泥巖，厚度在2.74～4.17m之間，平均厚度3.72m，深灰-灰黑色，含植物化石碎片及黃鐵礦，采區(qū)西南部相變?yōu)榛野咨屑毶皫r。上部為1號煤，厚度在0.70～0.58m之間，平均厚度0.63m，黑色，節(jié)理發(fā)育，俗稱“上三尺煤”。之上為泥巖，厚度在4.00～1.16m之間，平均厚度為2.60m，灰色粘土巖，質(zhì)純致密，底部顏色較深，含植物葉片化石。上部為中粒砂巖，厚度在15.18～0.8m之間，平均厚度8.00 m，灰白色，以石英長石為主，含黑色礦物，分選磨圓度好，上部粒度較細。

2號煤層直接底為細砂巖，厚度在5.30～1.71m之間，平均厚度2.62m，灰-深灰色，以石英長石為主，含黑色礦物較多，頂部含泥質(zhì)多，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖；老底為砂質(zhì)泥巖，厚度在3.80～1.72m之間，平均厚度2.76m，灰黑色，含植物化石碎片及黃鐵礦晶粒。

2　地質(zhì)力學測試與分析

2.1　圍巖強度測試

通過巷道圍巖結構和強度測定，基本掌握了頂板各個巖層強度大小及結構分布情況，觀測結果表明，盡管巷道圍巖強度較高，但是頂板圍巖呈現(xiàn)非連續(xù)不均質(zhì)的變化狀態(tài)，同一巖性不同位置的強度有較大差異，因此不能排除局部地段巷道頂板有圍巖強度發(fā)生大幅降低，同時受地質(zhì)構造的影響也會對巷道圍巖強度產(chǎn)生較大影響，因此對煤礦工程設計而言，一方面要根據(jù)圍巖強度來進行有針對性的設計，同時設計還應該具有一定安全系數(shù)，以此保證巷道整體安全可靠性[1]。

2.2　地應力測試及分析

西十二采區(qū)2號煤地應力測試結果如表1所示。

表1　西十二采區(qū)2號煤地應力測量結果

針對西十二集中膠輪車巷170m和70m處地應力測試結果進行統(tǒng)計分析，得出以下結論：

1）西銘煤礦西十二采區(qū)2號煤層測站最大水平主應力為11.65MPa，最小水平主應力為5.85MPa，垂直應力為8.23 MPa。根據(jù)相關判斷標準：0～10 MPa為低應力區(qū)，10～18 MPa為中等應力區(qū)，18～30MPa為高應力區(qū)；大于30MPa為超高應力區(qū)。因此，可判定測試區(qū)域地應力場在量值上屬于中等偏低應力場[2]。

2）從測試結果來看，三個測點中，地應力大小分布規(guī)律一致，在所測區(qū)域內(nèi)地應力以水平應力為主，構造應力場占優(yōu)勢，屬于構造應力場類型。

3）從最大水平主應力方向來看，最大水平主應力方向集中在北偏西方向，平均約為N54.8°E。

如圖2所示，最大水平主應力理論認為，巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應力的影響：當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差；當兩者呈一定夾角時，巷道一側(cè)會出現(xiàn)水平應力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會偏向巷道的某一幫。

圖2　水平應力方向?qū)ο锏雷冃闻c破壞的影響

根據(jù)以上測試結果分析，西銘煤礦測試區(qū)域地應力在量值上呈現(xiàn)中等應力場，因此作用在巷道周邊的圍巖所處應力量值上來看相對較低，圍巖變形和壓力不明顯，但是應力場類型呈現(xiàn)構造應力場占主導。如圖3可以看出，42208皮帶巷巷道布置在北偏東75°上，最大水平主應力方向北偏西54.8°，這說明42208皮帶巷從地應力的角度來說巷道布置方向大致與最大水平方向存在一定夾角，兩者之間的夾角大小為50.2°，此時最大水平應力對巷道穩(wěn)定性存在一定的影響，考慮到最大水平應力屬于中等偏低應力場，故而其影響程度相對比較有限[3]。

3　錨桿與錨索力學參數(shù)

3.1　錨桿直徑

西十二采區(qū)2號煤層開采巷道不受采動影響，而且根據(jù)地質(zhì)力學測試顯示，2號煤層頂板節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，圍巖應力中等偏低，巷道斷面大小為10.4 m2，按照巷道斷面大小，可分為四種類型斷面，斷面積小于9.0m2稱為小斷面巷道；斷面積在9.0～15.0m2之間稱作中等斷面巷道；斷面積在15.0～20.0m2之間稱作大斷面巷道；斷面積超過20.0m2稱作特大斷面巷道采準巷道的服務年限短，可判定屬于中等斷面巷道。根據(jù)上述錨桿選擇依據(jù)，42208工作面選擇直徑Φ20mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

圖3　巷道軸向和最大水平主應力布置關系

3.2　錨桿長度

西十二采區(qū)2號煤層斷面面積大約10.4m2左右，屬于中等斷面，受到采動影響也比較小，巷道掘出后圍巖的破壞范圍小，錨桿的長度應該能夠控制淺部圍巖的變形與破壞，參照錨桿長度選擇理論依據(jù)，2號煤巷道錨桿長度選擇2.0m比較合理。

3.3　錨桿力學參數(shù)

西十二采區(qū)2號煤層42208工作面巷道采用Φ20-M22-2000的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其鋼牌號為BHRB335，屈服強度335MPa，破斷強度490MPa，對應的屈服載荷為105 kN，極限拉斷力154 kN。

3.4　錨索力學參數(shù)

根據(jù)42208工作面巷道服務年限和使用用途，以及西銘礦巷道圍巖結構觀測顯示，2號煤層頂板以泥質(zhì)砂巖為主，其圍巖結構和強度相對較好，確定2號煤42208工作面選擇直徑Φ17.8-1×7-4300的低松弛高強度預應力錨索[4]。

4　組合構件與網(wǎng)的參數(shù)

4.1　組合構件參數(shù)

按照組合構件的選擇原則，西十二采區(qū)42208工作面巷道受到采動作用影響比較小，巷道支護難度小，組合構件強度中等就比較適合。因此，可選擇寬度為220mm的窄鋼帶或者鋼筋梯梁作為錨桿支護組合構件。

4.2　錨桿托板

根據(jù)西十二采區(qū)42208工作面巷道條件，錨桿桿體選擇為直徑20mm的335號高強錨桿，因此選擇120mm×120mm×8mm可調(diào)心拱形錨桿托板作為支護構件，錨桿托板承載力不低于137 kN。

4.3　錨索托板

根據(jù)西十二采區(qū)42208工作面巷道條件，錨索索體選擇為直徑17.8mm的1×7股結構的錨索，因此選擇250mm×250mm×12mm可調(diào)心拱形錨索托板作為支護構件，錨索托板承載力不低于318 kN。

4.4　網(wǎng)的參數(shù)

根據(jù)西十二采區(qū)42208工作面巷道條件，考慮巷道頂板和兩幫支護狀況，建議選擇型號為50 mm×50mm，10號鐵絲編制的菱形網(wǎng)。

5　錨桿布置參數(shù)

按照巷道低支護密度原則，為了保證巷道支護速度，提高巷道成巷功效，在合理巷道支護強度的前提下，西十二采區(qū)42208工作面錨桿排距可選擇1 000～1 100mm，當然這只是正常條件下錨桿支護密度，如果巷道遭遇地質(zhì)構造或者其他條件影響巷道正常施工，則需要針對現(xiàn)場情況進行設計變更。

6　錨桿(索)技術參數(shù)

錨桿（索）技術參數(shù)是巷道支護設計的關鍵參數(shù)，對支護效果起著決定性作用。但是，長期以來，由于很多礦區(qū)沒有認識到錨桿（索）技術參數(shù)的重要性，普通存在錨桿（索）技術參數(shù)設置偏低的現(xiàn)狀，嚴重影響到了錨桿（索）支護作用的發(fā)揮。

6.1　錨桿預緊力矩

西十二采區(qū)42208工作面巷道支護選擇直徑Φ20mm的高強錨桿，其屈服載荷105 kN，按照錨桿預應力的設計原則，以及井下施工環(huán)境和現(xiàn)有預緊機具現(xiàn)狀，按照錨桿桿體屈服載荷下限30%設置，轉(zhuǎn)化成錨桿預緊力矩大約為250N·m。

6.2　錨索預緊力

西十二采區(qū)42208工作面支護選擇直徑Φ17.8的錨索，其破斷強度為350 kN，參照煤礦錨索張拉機具的制造現(xiàn)狀，以及井下施工環(huán)境等因素考慮，錨索預緊力按照上限設置，至少應該達到拉斷載荷的40%，即140 kN。考慮都到錨索預應力損失問題，由于設計采用4.3m錨索，根據(jù)天地公司井下試驗數(shù)據(jù)表明，4.3m錨索預緊力損失在25%～30%之間，因此井下施工錨索應該保證達到200 kN，以充分發(fā)揮錨索性能特征。

6.3　錨桿錨固力

西十二采區(qū)42208工作面支護選擇直徑Φ20 mm的335號高強錨桿，其屈服載荷為105 kN，那么錨桿錨固力要求不得低于126 kN。

7　特殊地段處理措施

在42208工作面皮帶巷在掘進過程中，由于地質(zhì)因素的變化，因此對于遇到較小的構造時，對于頂板破碎帶、頂板淋水嚴重等條件時要及時減小錨桿、錨索間排距，采用W鋼帶進行支護頂板，并補打錨索補強。遇到地質(zhì)條件變化較大、出現(xiàn)大的地質(zhì)構造時需及時匯報，以調(diào)整支護方案，加強支護設計。

8　結論

西銘礦2號煤層42208綜采工作面頂板管理實踐表明，根據(jù)鄰近工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)及所選用錨桿參數(shù)進行驗算，可確保錨桿的合理選型。工作面推進過程中，對工作面特殊地段及遇到的特殊地質(zhì)構造，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，采取相應針對性措施，可以確保工作面頂板安全，使回采工作順利進行。在頂板管理中，監(jiān)測工作尤為關鍵，及時掌握頂板壓力變化情況，對綜采工作面的安全生產(chǎn)意義重大。

[1]李俊.西銘礦2號煤層錨桿支護參數(shù)確定的進一步探討[J].科技信息，2011（9）：63.

[2]單仁亮，王玉寶，田亮，等.官地礦2號煤層煤巷錨桿支護參數(shù)優(yōu)化研究[R]//巖石力學與工程的創(chuàng)新和實踐第十一次全國巖石力學與工程學術大會論文集，2010.

[3]翟喜萬.西銘礦2號煤層錨桿支護合理參數(shù)研究[J].山西焦煤科技，2003（6）：112.

[4]王京明.煤巷錨桿支護技術參數(shù)優(yōu)化及經(jīng)濟效益比較[J].煤礦現(xiàn)代化，2017（4）：39.