大斷面回采巷道支護(hù)優(yōu)化研究

王道成，王龍成

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

黃陵二號(hào)煤礦是國家高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化礦井，為滿足礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)及災(zāi)害治理需要，需要掘進(jìn)大量的回采巷道，合理選擇安全、高效、經(jīng)濟(jì)的巷道支護(hù)方式對(duì)煤礦生產(chǎn)建設(shè)具有重要意義。近年來，錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)在二號(hào)煤礦得到了廣泛的應(yīng)用，體現(xiàn)了其安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)。隨著礦井自動(dòng)化快速掘進(jìn)設(shè)備的出現(xiàn)，需要對(duì)以往的錨網(wǎng)索支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，以便更好地適應(yīng)現(xiàn)代化掘進(jìn)裝備要求。本文以黃陵二號(hào)煤礦207運(yùn)輸順槽為例，以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)207運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合2#煤層頂?shù)装鍘r性，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，為回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 工程背景

黃陵二號(hào)煤礦207運(yùn)輸順槽是為207綜采工作面服務(wù)的運(yùn)輸巷道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度4 800 m，巷道沿2#煤層掘進(jìn)，煤層厚度3.2～3.5 m，煤層為層狀或塊狀構(gòu)造，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)生裂隙發(fā)育。巷道基本頂為深灰色粉砂巖，厚度5～7.5 m，直接頂為細(xì)粒砂巖，厚度13～25 m，直接底為粉砂巖、泥巖，厚度0.8～2.3 m。207運(yùn)輸順槽所處區(qū)域煤層為單斜構(gòu)造，地層傾角1°～3°，區(qū)域內(nèi)存在小型斷層，2 300 m以及2 500 m處揭露斷層并未對(duì)掘進(jìn)施工產(chǎn)生明顯影響。原支護(hù)為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷道頂板錨索采用φ21.8 mm×7 500 mm十九芯防腐錨索，結(jié)合T140鋼帶按照“3-2-3”的方式菱形布置，T140鋼帶為“一梁七孔”，長(zhǎng)度5 000 mm。錨索間排距2 400 mm×800 mm/1 600 mm×800 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850樹脂藥卷。墊片規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm。頂部錨桿采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，配合T140鋼帶按照“4-5-4”的方式菱形布置，錨桿間排距800 mm×800 mm/1 600 mm×800 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和2卷MSZ2360樹脂藥卷，墊片規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm。

巷道側(cè)幫部采用φ22 mm×2 600 mm樹脂錨桿支護(hù)，每排施工4根，錨桿間排距1 000 mm×800 mm，靠近頂板幫錨桿距頂300 mm。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷，并加墊規(guī)格400 mm×200 mm×50 mm的木托板，靠頂部和底部2排木托板橫向安裝，中間2排木托板豎向安裝。煤柱側(cè)幫部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，每排施工4根，錨桿間排距1 000 mm×800 mm，靠近頂板幫錨桿距頂300 mm。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓設(shè)鋼筋托梁支護(hù)，規(guī)格為φ16 mm×3 200 mm，托盤使用Q235錨桿托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm。

2 回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2.1 錨桿間排距計(jì)算

黃陵二號(hào)煤礦巷道圍巖松動(dòng)圈及采煤工作面合理隔離煤柱寬度已有相關(guān)研究成果，207運(yùn)輸順槽巷道圍巖松動(dòng)范圍在2.5～3.5 m之間。207帶式輸送機(jī)運(yùn)輸巷頂板為5～7 m厚的粉砂巖，粉砂巖的密度為2.7 t/m3，煤的密度為1.37 t/m3。運(yùn)輸順槽凈寬5 400 mm，凈高為3 600 mm。頂錨桿采用Ⅱ級(jí)鋼筋，直徑為22 mm，長(zhǎng)度為3 200 mm；側(cè)壁采用樹脂錨桿，直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2 800 mm。按單體錨桿懸吊作用計(jì)算錨桿間距。

式中：δt—桿體抗拉強(qiáng)度，MPa；γ—巖體容重，kN/m2；k—安全系數(shù)，取1.5～1.8；l2—巷道頂板巖體破碎帶高度，m；d—錨桿桿體直徑，mm；a—錨桿間距，mm。

錨桿Ⅱ級(jí)鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為δt=300 N/mm2，γ=2.7 t/m3，K=1.8，l2=3.5 m，d=22 mm。經(jīng)計(jì)算得a=819 mm，所以錨桿采用菱形布置，間排距為800 mm×800 mm。

2.2 錨索間排距選取

采用工程類比的方法確定錨索的間排距。文家坡煤礦錨索間距間排距在停采線以內(nèi)為1.4 m×2.1 m，停采線以外錨索間排距為2.4 m×0.7 m；貫屯煤礦50206工作面巷道，錨桿間距為800 mm，采用菱形布置。錨索間距間排距在停采線以內(nèi)為2.4 m×1.1 m；小紀(jì)汗煤礦11213工作面巷道，錨桿間距為800 mm菱形布置，錨索間距間排距在停采線以內(nèi)為2.4 m×0.9 m。207帶式輸送機(jī)巷道的錨索間排距為2.4 m×0.8 m。綜合分析，207帶式輸送機(jī)支護(hù)參數(shù)為頂錨桿間距為800 mm，菱形布置，錨索間距為2.4 m×0.8 m。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)207運(yùn)輸順槽巷道圍巖基本條件及實(shí)際揭露狀況，巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖1所示。

a-巷道斷面圖；b-頂板支護(hù)圖圖1 207運(yùn)輸順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道頂錨索使用φ21.8 mm×7 500 mm，十九芯鋼絞線，配合16#-4 500 mm槽鋼托梁架設(shè)支護(hù)，“一梁三索”，錨索間排距2 000 mm×1 600 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨索使用1卷K2850和3卷Z2850樹脂藥卷。

錨桿采用矩形布置，靠幫頂錨桿距巷幫300 mm，與頂板成30°角斜向上施工，中間5根頂錨桿均與頂板垂直，頂錨桿采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿排間距800 mm×800 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷K2335和2卷Z2360樹脂藥卷，使用φ16圓鋼×5 000 mm鋼筋托梁，“一梁七孔”，托盤使用Q235錨桿托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm。

幫部采面?zhèn)炔捎忙?2 mm×2 600 mm樹脂錨桿支護(hù)，每排施工4根，間排距1 000 mm×800 mm，靠近頂板幫錨桿距頂300 mm，與水平成10°角斜向上施工，最底部幫錨桿與水平成10°角斜向下施工。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷K2335和1卷Z2360樹脂藥卷，并加墊木托板，木托板規(guī)格400 mm×200 mm×50 mm，靠頂部和底部2排木托板橫向安裝，中間2排木托板豎向安裝。

幫部煤柱側(cè)采用φ22 mm×2 800 mm金屬錨桿，每排施工4根，間排距1 000 mm×800 mm，靠近頂板幫錨桿距頂300 mm，與水平成10°角斜向上施工，最底部幫錨桿與水平成10°角斜向下施工。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷K2335和1卷Z2360樹脂藥卷，并加鋼筋托梁支護(hù)，規(guī)格φ16 mm圓鋼×3 200 mm，托盤使用Q235錨桿托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm。

頂部及采面?zhèn)葞筒捎脧?fù)合網(wǎng)，頂部復(fù)合網(wǎng)規(guī)格為4 200 mm×5 800 mm，幫部復(fù)合網(wǎng)規(guī)格為1 200 mm×3 400 mm。采用尼龍繩連接，網(wǎng)片搭接100 mm，聯(lián)網(wǎng)步距200 mm。煤柱側(cè)幫部采用φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)片，規(guī)格為1 000 mm×1 800 mm，采用上下2片搭接的形式，上下2片搭接200 mm，左右2片搭接100 mm，采用14#鐵絲連接，聯(lián)網(wǎng)步距200 mm。

3 回采巷道壓力觀測(cè)分析

使用KJ693型頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采掘工作面頂板在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)已施工的錨桿支護(hù)巷道，每50 m在巷道頂板中線位置安裝一個(gè)頂板位移傳感器監(jiān)測(cè)頂板離層狀態(tài)，2種傳感器交錯(cuò)安裝，采用GMY400W型錨桿(索)應(yīng)力傳感器觀測(cè)錨桿、錨索受力情況。采用GUW300W型頂板位移傳感器觀測(cè)頂板淺層和深層位移量。205運(yùn)輸順槽采用的為原支護(hù)參數(shù)，通過與207運(yùn)輸順槽相同位置測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。

a-頂板離層；b-錨索受力圖2 205、207運(yùn)輸順槽支頂板監(jiān)測(cè)分析

從圖2(a)看出，在支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前的205運(yùn)輸順槽頂板上，位移量11 mm，207運(yùn)輸順槽位移變化趨勢(shì)與205運(yùn)輸順槽基本一致，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)最大位移量11.8 mm。從圖2(b)看出，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前的205運(yùn)輸順槽頂板錨桿載荷最大6.7 kN，參數(shù)優(yōu)化后207運(yùn)輸順槽頂板錨桿最大7.4 kN。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)黃陵二號(hào)煤礦207運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，首先從形式上改變了原來錨桿、錨索在同一根鋼帶上支護(hù)方式，為快速掘進(jìn)提供便利；其次，為綜采超前支架的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，方便綜采工作面在回采中的退錨工作，達(dá)到采后頂板及時(shí)垮落。

(2)通過對(duì)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的巷道支護(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)巷道頂板下沉量基本控制在11 mm左右，且未出現(xiàn)大面積的頂板下沉現(xiàn)象，圍巖滿足巷道使用要求，支護(hù)方案符合安全生產(chǎn)要求。