青洼礦2101工作面支護(hù)參數(shù)設(shè)計研究

王攻關(guān)

（晉煤集團(tuán)晟泰公司安全管理部，山西 晉城 048006）

0 引言

工作面回采后合理的支護(hù)參數(shù)影響著頂板的穩(wěn)定性及回采速率，對礦井回采安全和經(jīng)濟(jì)效益具有促進(jìn)作用[1～2]。但是，由于礦井開采深度和地質(zhì)條件的復(fù)雜，工作面回采后受高地壓及斷層等構(gòu)造的影響頂板易破壞，造成支護(hù)困難。工作面頂板穩(wěn)定性差又會導(dǎo)致回采巷道圍巖出現(xiàn)變形破壞[3～4]。因此，工作面回采后根據(jù)煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造等因素，合理設(shè)計支護(hù)參數(shù)，支架支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力等參數(shù)要保證回采工作面頂板的穩(wěn)定性，從而保證工作面的安全高效回采[5～6]。

1 工作面概況

青洼礦2101工作面位于一采區(qū)南部，為礦井首采工作面。工作面主采2號煤，煤層厚度1.93～3.03m，傾角1～3°。直接頂為3.0m厚泥巖，基本頂為約3.5m厚細(xì)粒砂巖；直接底為1.2m厚粉砂巖，基本底為約4.8m厚細(xì)粒砂巖。開采2號煤層時，礦井最大絕對瓦斯涌出量為7.78m3/min、最大相對瓦斯涌出量為6.16m3/t，屬于瓦斯礦井；礦井正常涌水量200m3/d，最大涌水量320m3/d，水文地質(zhì)條件為中等類型。

2 巷道掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計

2101工作面兩巷掘進(jìn)后，受斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響，巷道圍巖變形較大，因此，需要采用錨網(wǎng)索+注漿加固的支護(hù)措施加固巷道圍巖強(qiáng)度，提高巷道整體穩(wěn)定性，保證工作面的安全高效回采。

2.1 錨網(wǎng)索支護(hù)

1）構(gòu)造變形較大區(qū)域。

斷層等構(gòu)造區(qū)域是2101工作面圍巖變形量最大區(qū)域，占總變形量的70%～80%，因此，采用錨網(wǎng)索對巷道加強(qiáng)支護(hù)，其支護(hù)參數(shù)見表1，支護(hù)示意圖如圖1所示。

表1 斷層等構(gòu)造區(qū)域錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

圖1 斷層構(gòu)造區(qū)域支護(hù)示意圖

一般區(qū)域頂板和兩幫每排分別打6根錨桿，每3排打8根錨索；當(dāng)巷道掘進(jìn)至頂板斷層等構(gòu)造區(qū)域時，需要增加錨索數(shù)量，增加錨桿支護(hù)所形成承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，每排布置2根錨索，頂板每排打5根錨桿，兩幫每排打3根錨桿。

2）一般區(qū)域。

雖然2101工作面兩巷其它區(qū)域圍巖也出現(xiàn)了一定的變形，但變形量小。一般區(qū)域巷道同樣采用錨網(wǎng)索支護(hù)，但支護(hù)參數(shù)與斷層等構(gòu)造變形較大區(qū)域有所不同，其錨網(wǎng)索參數(shù)見表2。

表2 一般區(qū)域錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

2101工作面兩巷錨桿之間采用Φ14mm的圓鋼焊制的鋼筋梯子梁連接而成，進(jìn)一步提高了巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度。

2.2 注漿加固

2101工作面兩巷采用注漿加固巷道，保證巷道圍巖的完整性，提高承載能力。選用QB152型便攜式注漿泵，注漿液高水材料。注漿開始后緩慢增加壓力，正常注漿壓力為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa。根據(jù)煤層硬度及地質(zhì)條件，確定注漿參數(shù)見表3。

表3 巷道底板注漿參數(shù)

當(dāng)巷道圍巖相對位移為27mm時，可知圍巖1.5m范圍內(nèi)已產(chǎn)生松動裂隙，此時為注漿最佳時機(jī)，漿液有效擴(kuò)散范圍將達(dá)到2.3m左右。

3 工作面回采支護(hù)設(shè)計

3.1 支護(hù)高度設(shè)計

工作面回采后采用液壓支架控制頂板下沉，根據(jù)工作面采深、煤層覆存、頂?shù)装逍再|(zhì)及經(jīng)濟(jì)成本來選擇合理的液壓支架，其中，對支架的選型起決定作用的是煤層頂板的性質(zhì)。由于2101工作面回采工作面頂板性質(zhì)為不穩(wěn)定—中等穩(wěn)定，因此你，工作面回采后采用雙柱掩護(hù)式支架。

液壓支架所需的高度由采高、頂板性質(zhì)掘進(jìn)，根據(jù)2101工作面地質(zhì)條件計算得到支架所需最大高度Hmax為：

式中：Mmax為2101工作面設(shè)計最大采高，取值3.0m；S1為2101工作面?zhèn)雾敽穸龋?.2m

根據(jù)公式計算可得，支架所需最大高度Hmax=3.2m。

2101工作面支架所需最小高度Hmin為:

式中：Mmin為2101工作面設(shè)計最小采高，取值1.9m；S1為2101工作面頂板最大下沉量和支架前移時最小可縮梁，取值0.3m

根據(jù)公式計算可得，支架所需最大高度Hmin=2.2m。

3.2 支架工作阻力

2號煤層采用分層開采，上下分層開采時，開采厚度范圍為 1.9～3.0m，則支架的支護(hù)高度滿足1900～3000mm，則根據(jù)估算法計算2101工作面支架工作阻力P為：

式中：S為支架支護(hù)的頂板面積，取7.5m2；Γ為頂板巖層容重，2.6t/m3；Hmax為工作面采高，取3.03m。

將數(shù)據(jù)帶入公式計算可得支架阻力P=（6～8）×9.8×7.5×2.6×3.03=3475～4632kN

3.3 支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)回歸經(jīng)驗計算2101工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度Q1為：

式中：K為備用系數(shù)，取值1.3；Mmax為2101工作面設(shè)計最大采高，取值3.0m；Γ為2號煤頂板巖層容重，取 26kN/m3。

將數(shù)據(jù)帶入公式計算可得支架支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)支架工作阻力計算最大支護(hù)強(qiáng)度Q2為：

將數(shù)據(jù)帶入計算Q2=4632/7.5=0.62MPa。

通過上述兩種方法計算，取其最大值為0.62MPa。

綜合考慮2號煤層賦存條件，2101工作面回采后確定采用ZFS5000/17/33型液壓支架進(jìn)行支護(hù)，其技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 2101工作面液壓支架技術(shù)特征表

4 支護(hù)效果檢驗

4.1 巷道圍巖變形量

2101工作面兩巷巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固后，通過在巷道頂板和兩幫設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測圍巖變形量來驗證支護(hù)效果。支護(hù)后，2101工作面膠帶順槽頂板下沉量和兩幫移近量如圖2所示。

圖2 2101工作面膠帶順槽圍巖變形量

由圖2可知，2101工作面軌道順槽采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固后，在觀測的4個月時間內(nèi)，巷道頂板和兩幫圍巖變形量總計分別為28mm、35mm。由此可知，錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固可以有效減小巷道圍巖變形量，提高巷道整體穩(wěn)定性，為巷道的安全掘進(jìn)提供了良好的條件。

4.2 錨桿受力情況

2101工作面膠帶支護(hù)后，通過監(jiān)測錨桿受力情況驗證支護(hù)效果。分別設(shè)置1#和2#兩個觀測斷面，觀測數(shù)據(jù)見表5。

表5 錨桿受力監(jiān)測結(jié)果

由表5可知，2101工作面采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固后，錨桿最大受力值為38kN，小于錨桿設(shè)計的50kN錨固力，由此可知，支護(hù)取得了良好效果。

5 結(jié) 論

1）以青洼礦2101工作面為研究對象，在兩巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)和注漿加固的措施提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，分別設(shè)計了錨網(wǎng)索和注漿參數(shù)；并根據(jù)工作面煤層賦存條件和頂板性質(zhì)，通過公式計算得到工作面回采后采用液壓支架支護(hù)的高度、阻力和強(qiáng)度，提出采用ZFS5000/17/33型液壓支架進(jìn)行支護(hù)。

2）通過監(jiān)測兩巷圍巖變形量和錨桿受力情況驗證支護(hù)效果，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，巷道頂板和兩幫圍巖變形量總計分別為28mm、35mm，錨桿最大受力值為38kN，小于錨桿設(shè)計的50kN錨固力，支護(hù)取得了良好的效果。