斜溝煤礦工作面運(yùn)輸巷圍巖控制技術(shù)實(shí)踐

田彥斌

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

1 工程概況

山西西山晉興能源斜溝煤礦18106工作面運(yùn)輸巷，設(shè)計(jì)長度3736 m，用于回采工作面的回風(fēng)及輔助運(yùn)輸材料等，巷道位于11采區(qū)措施巷南側(cè)，東側(cè)為18108采空區(qū)，西側(cè)為實(shí)煤區(qū)，南側(cè)為實(shí)煤區(qū)。工作面開采8#煤層，煤層平均厚度3.86 m，平均傾角9.2°，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，含黃鐵礦碎片，可見殘留植物碎片，直接頂為中細(xì)粒砂巖，均2.46 m，基本頂中細(xì)粒砂巖，均厚7.89 m。

18106工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)斷面為寬×高=5.2 m×3.8 m，巷道幫部為實(shí)體煤，煤層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巷幫易出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象，現(xiàn)擬對巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行錨網(wǎng)索各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)的分析設(shè)計(jì)，以科學(xué)經(jīng)濟(jì)的確定出巷道支護(hù)方案。

2 錨桿索支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

根據(jù)18106工作面的具體地質(zhì)條件提出采用錨網(wǎng)索+鋼帶的支護(hù)方式，基于理論計(jì)算能夠得出巷道頂板及兩幫所需的支護(hù)作用力，現(xiàn)采用懸吊梁理論和圍巖極限平衡區(qū)理論［[1-3］，能夠計(jì)算出圍巖極限平衡區(qū)的半徑見式（1）：

式中：R為巷道圍巖極限平衡區(qū)半徑；r1為巷道的半徑；γ為覆巖容重；H為巷道的埋深；C為巖體的內(nèi)聚力；φ為巖體的內(nèi)摩擦角；根據(jù)運(yùn)輸巷的各項(xiàng)參數(shù)取γ=27 kN/m3，r1=2.6 m，H=400 m，C=2.4 MPa，φ=25°，基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出R=3.86 m，進(jìn)而能夠計(jì)算得出巷道頂板及兩幫的塑性破壞區(qū)寬度L2=3.86-2.6=1.26 m。

現(xiàn)根據(jù)圍巖塑性區(qū)的發(fā)育特征，進(jìn)行錨桿（索）各項(xiàng)支護(hù)方案的設(shè)計(jì)：

（1）錨桿長度：基于懸吊理論，錨桿長度見式（2）：

式中：L1為錨桿的外露長度；L2為錨桿的有效長度，L3為錨桿深入穩(wěn)定巖層的深度，根據(jù)巷道特征及支護(hù)條件，取錨桿的外露長度L1=0.1 m，錨桿的有效長度L2取為圍巖破壞帶的深度為1.26 m，取L3=0.8 m，基于該值能夠計(jì)算得出錨桿的長度L=2.16 m，考慮到頂板巖層裂隙的發(fā)育情況及厚度變化的情況，最終確定錨桿長度L=2.6 m。

（2）錨桿間排距：根據(jù)礦井目前錨桿鉆孔的直徑為28 mm，故考慮錨桿的直徑為20 mm和22 mm，根據(jù)斜溝煤礦錨桿錨固力的經(jīng)驗(yàn)值取為120 kN，錨桿的間排距見式（3）：

式中：D為錨桿的間排距；Q為錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，k為安全系數(shù)；Lp為圍巖極限平衡區(qū)的厚度，γ為覆巖容重，取Q=120 kN，k=3，γ=27 kN/m3，Lp=1.34 m，將上述數(shù)據(jù)代入式（3）中，能夠得出D≤1.05 m。

（3）錨桿直徑：錨桿直徑的計(jì)算表達(dá)式可據(jù)下式確定：

式中：d為錨桿的直徑；σt為錨桿的抗拉強(qiáng)度，p為錨桿的軸向拉力，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取p=60 kN，σt=500 MPa，將上述數(shù)據(jù)代入到式中，能夠得出錨桿的直徑d≥12.4 mm，基于錨桿直徑、樹脂藥卷直徑和鉆孔直徑相互匹配的原則，確定各個(gè)鉆孔直徑間的差值在4～10 mm的范圍內(nèi)，確定錨桿直徑為22 mm，鉆孔直徑為28 mm，樹脂藥卷的直徑為24 mm。

（4）樹脂藥卷的計(jì)算：錨桿所需錨固劑的數(shù)量根據(jù)錨桿所需的錨固長度確定，由于煤幫較為松軟破碎，現(xiàn)為控制圍巖的穩(wěn)定，計(jì)算錨固長度時(shí)，按照加長錨固進(jìn)行分析，及取錨桿長度的80%為錨固長度［4-5］，則能夠計(jì)算出數(shù)值藥卷長度的表達(dá)式為：

式中：L藥為樹脂藥卷的長度；R藥為數(shù)值藥卷半徑；R為鉆孔半徑；R錨為錨桿半徑；K為錨固劑的損耗系數(shù)；L錨為設(shè)計(jì)錨固長度；根據(jù)錨固長度取為錨桿長度的80%，取L錨=2.16 m，R=14 mm，R藥=11.5 mm，R錨=11 mm，k=1.1～1.5，基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出樹脂藥卷的總長度L藥=1.42 m，結(jié)合斜溝煤礦現(xiàn)有的樹脂錨固劑長度有300 mm和600 mm兩種，故確定選用錨桿選用1 塊CK23/30 樹脂藥卷和2 塊K23/60樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固。

另外根據(jù)斜溝煤礦同采區(qū)的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)可知，回采巷道在8.25 m錨索間排距為1350 mm×2700 mm、錨桿間排距為700 mm×900 mm的支護(hù)方式下，圍巖變形量較小，故可針對該支護(hù)方案在一定程度上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)上述支護(hù)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可知，錨桿的間排距應(yīng)小于1.05 m，現(xiàn)為合理確定錨桿的間排距，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，根據(jù)18106工作面運(yùn)輸巷的特征，建立數(shù)值模擬長×寬×高=100 m×30 m×40 m的模型，選取錨桿的間距為700 mm、800 mm、900 mm和1000 mm時(shí)，具體分析錨桿不同間距時(shí)圍巖塑性區(qū)的分布特征，見圖1。

通過具體分析圖1可知，在錨桿的間距小于900 mm時(shí)，上覆巖層的塑性區(qū)發(fā)育程度較小，其中在錨桿間距為700 mm和800 mm時(shí)，頂板塑性區(qū)的發(fā)育范圍為1.4 m，且塑性區(qū)主要發(fā)育在頂板中部，當(dāng)錨桿間距增大為1000 mm時(shí)，此時(shí)頂板塑性區(qū)發(fā)育范圍達(dá)到2.0 m，并且塑性區(qū)的會(huì)沿著節(jié)理裂隙逐漸向頂板的兩側(cè)發(fā)展；另外從圖中能夠看出，錨桿間距為700 mm時(shí)，巷道左右兩幫的塑性區(qū)發(fā)育范圍均為1.3 m；錨桿間距為800 mm時(shí)，巷道左幫和右?guī)偷乃苄詤^(qū)為1.4 m和1.5 m；當(dāng)錨桿的間距增大為900 mm，巷道左右兩幫的塑性區(qū)分別為2.0 m和1.5 m；當(dāng)錨桿的間距增大為1000 mm，巷道左右兩幫的塑性區(qū)分別為2.3 m和2.5 m，塑性區(qū)發(fā)育已經(jīng)超出錨桿的錨固范圍。故基于塑性區(qū)分析知，錨桿的排距應(yīng)≤900 mm。

另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出巷道在不同錨桿間距下，巷道掘進(jìn)期間，巷道頂板及兩幫圍巖位移量的數(shù)值，見表1。

表1 不同錨桿間距下圍巖位移量數(shù)據(jù)

通過具體分析表1可知，隨著錨桿間距的增大，巷道頂板、左幫及右?guī)偷奈灰屏砍尸F(xiàn)出逐漸增大的趨勢，在錨桿間距由700 mm增大到900 mm，頂板及位移量在較小的范圍內(nèi)增長；當(dāng)錨桿間距由900 mm增大到1000 mm時(shí)，頂板中部的位移的增幅為48.75%，巷道左幫中部位移的增幅為65.7%，巷道右?guī)椭胁课灰频脑龇鶠?3.9%?；诖丝芍?，當(dāng)錨桿的間距大于900 mm時(shí)，圍巖位移量出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象，故為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，結(jié)合圍巖塑性區(qū)的分析結(jié)果，綜合確定，巷道頂板及兩幫錨桿的間排距為900 mm×900 mm。

圖1 不同錨桿間距下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

2.3 支護(hù)方案

根據(jù)上述理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面采用錨網(wǎng)索+鋼帶支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)：錨桿采用型號為MSGLW-400/22×2600左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，間排距為900 mm×900 mm，采用1塊CK23/30樹脂藥卷和2塊K23/60樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固，錨固長度為1.5 m，錨桿預(yù)緊力矩300 N·m；頂板錨索采用Φ21.6 mm×8250 mm的鋼絞線；間排距為1350 mm×2700 mm，采用五花布置，每根錨索配一個(gè)300 mm×300 mm×14 mm可調(diào)心拱形托板及配套鎖具，錨固采用加長錨固，錨固長度為1.95 m，錨索預(yù)緊力為200 kN。

（2）兩幫支護(hù)：煤柱幫均采用型號為MSGLW-400/22×2600左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，間排距為900 mm×900 mm，錨固方式與頂板錨桿相同，錨桿預(yù)緊扭矩250 N·m，回采幫錨桿采用型號為MSGLW-400/22×2600玻璃鋼錨桿，錨固方式與頂板錨桿相同，錨桿預(yù)緊力矩250 N·m。

巷道錨桿索間通過W型鋼帶進(jìn)行連接，同時(shí)在巷道表面鋪設(shè)10#鐵絲的金屬菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂護(hù)幫作業(yè)，具體巷道的支護(hù)方案見圖2。

圖2 運(yùn)輸巷支護(hù)斷面

3 支護(hù)效果分析

為分析驗(yàn)證運(yùn)輸巷在現(xiàn)有支護(hù)方案下的圍巖控制效果，在巷道掘進(jìn)期間，對巷道的表面位移情況進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果，能夠繪制出圍巖變形量與距掘進(jìn)工作面距離的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 巷道表面位移曲線

通過具體分析圖3可知，巷道圍巖變形量主要發(fā)生在距離掘進(jìn)工作面5～70 m的范圍內(nèi)，隨著掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)測站與掘進(jìn)工作面的距離大于70 m時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平恐饾u趨于穩(wěn)定，在測站與掘進(jìn)工作面之間的距離在5～40 m的范圍內(nèi)，圍巖變形速率較快，當(dāng)測站與掘進(jìn)工作面間的距離在40～70 m時(shí)，圍巖變形速率逐漸降低，當(dāng)測站距離掘進(jìn)工作面大于70 m時(shí)，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫移近量為84 mm。

4 結(jié)語

根據(jù)18106工作面運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)條件，確定18106工作面運(yùn)輸巷采用錨網(wǎng)索+鋼帶支護(hù)方案；通過理論分析確定了錨桿的直徑、長度和錨固方式等參數(shù)，基于數(shù)值模擬進(jìn)一步確定了錨桿的間距和排距，結(jié)合巷道條件進(jìn)行支護(hù)方案參數(shù)的具體設(shè)計(jì)；根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果可知，巷道在該支護(hù)方案下能夠保障圍巖的穩(wěn)定。