億欣煤業(yè)15 號(hào)煤層煤巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

馬華杰

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)晉圣坡底煤業(yè)，山西 晉城 048000）

近年來(lái)，我國(guó)礦區(qū)在回采巷道支護(hù)實(shí)踐中廣泛推廣錨桿（索）支護(hù)技術(shù)并取得階段性成功。但是，隨著單一工作面煤炭產(chǎn)量越來(lái)越大，為了滿足生產(chǎn)需求，兩側(cè)平巷的斷面尺寸也不斷遞增，這將導(dǎo)致巷道跨度較以往巷道有所不同，進(jìn)而給巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的難題。

1 工程地質(zhì)概況

億欣煤業(yè)采用平硐開(kāi)拓方式，共布置3 個(gè)井筒，分別是主平硐、副平硐和回風(fēng)立井。首采煤層為15號(hào)煤層，共劃分為5 個(gè)盤(pán)區(qū)，現(xiàn)開(kāi)采一盤(pán)區(qū)。15 號(hào)煤層布置有一個(gè)主水平，水平標(biāo)高為+1064m。在主、副平硐井底，沿東西方向布置一組大巷，采用“兩進(jìn)一回”的三巷布置方式，分別為膠帶巷、軌道巷和回風(fēng)巷。15 號(hào)煤回采工作面采用長(zhǎng)壁綜采采煤工藝，全部垮落法管理頂板，礦井采掘比為1:2。

15 號(hào)煤層位于太原組底部，煤層厚度為1.60～4.29m，平均2.55m。井田東部煤層較厚，向西有逐漸變薄的趨勢(shì)，為井田內(nèi)賦存區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定型煤層，一般含1 ～2 層泥巖夾矸。煤層頂板為K2 灰?guī)r，大部分有炭質(zhì)泥巖偽頂，底板為中厚層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖。井田內(nèi)中南部、西部15 號(hào)煤層埋藏較淺，存在風(fēng)氧化現(xiàn)象。井田西部存在小范圍的采空區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造類型屬于簡(jiǎn)單。

2 頂板巖樣力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力測(cè)試分析

2.1 頂板巖樣物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

通過(guò)對(duì)15 號(hào)煤層頂板巖層進(jìn)行煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)于后續(xù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。其具體可總結(jié)為如下3 個(gè)方面：

（1）為頂板巖石基本類型、強(qiáng)度等級(jí)的劃分等提供重要的參數(shù)依據(jù)，對(duì)后期巷道支護(hù)方案的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義；

（2）當(dāng)采用數(shù)值模擬軟件優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)時(shí)，可為其模型的建立提供較為準(zhǔn)確的巖層賦值參數(shù)，從而使其建立的模型更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，進(jìn)而使數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠；

（3）通過(guò)測(cè)定巖石物理力學(xué)性質(zhì)，可為設(shè)計(jì)方運(yùn)用懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論等理論方法優(yōu)化錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)時(shí)，提供重要的基礎(chǔ)依據(jù)。

根據(jù)礦方地質(zhì)資料可知該巖樣為K2 灰?guī)r，對(duì)其取巖樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。

表1 K2 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 地應(yīng)力參數(shù)測(cè)試

地應(yīng)力的測(cè)試位置選擇在15 號(hào)煤層頂板，頂板打鉆位置定在XV1220 巷內(nèi)，具體位置如圖1 所示。

圖1 地應(yīng)力測(cè)試施工地點(diǎn)

地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)相對(duì)于XV1220 巷道的位置關(guān)系情況如圖2 所示。

圖2 測(cè)試地點(diǎn)鉆孔布置示意圖

由測(cè)試鉆孔得到的原始地應(yīng)力結(jié)果如下：南北方向正應(yīng)力（σx=1.273MPa）、東西方向正應(yīng)力（σy=1.631MPa）、豎直方向正應(yīng)力（σz=3.624MPa）、切應(yīng)力τxz=τyz=τxy=0MPa。億欣煤業(yè)15 號(hào)煤頂板K2灰?guī)r中的原始地應(yīng)力較小，豎直方向地應(yīng)力主要由自重應(yīng)力構(gòu)成。總體來(lái)說(shuō)，因?yàn)槁癫剌^淺、構(gòu)造應(yīng)力較小，億欣煤業(yè)15 號(hào)煤層區(qū)域原始地應(yīng)力水平較低。

因?yàn)樵紤?yīng)力中，豎直方向應(yīng)力大大超過(guò)水平方向應(yīng)力，所以巷道幫部的支護(hù)不能滯后于頂板支護(hù)，最好是幫頂同步支護(hù)。由于原始地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主且整體水平較低，原始地應(yīng)力影響下的巷道圍巖松動(dòng)圈不會(huì)發(fā)育太大，無(wú)論任何方向布置的巷道僅在原始地應(yīng)力的影響下只可能產(chǎn)生0.8～1.0m以下的小松動(dòng)圈，巷道的支護(hù)強(qiáng)度因此可以適當(dāng)降低。巷道幫頂?shù)腻^桿長(zhǎng)度可以設(shè)定在1.8～2.0m以下，直徑可以在18mm 左右，密度也可以在1500×1800mm 以上，但是錨桿的初始錨固力必須滿足規(guī)程要求。

3 原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程需要以及設(shè)計(jì)確定，工作面軌道回風(fēng)順槽、膠帶進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面為5.2m×2.6m，凈斷面為5.0m×2.5m，沿15 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。原支護(hù)方案為：頂板采用桿體為Φ20 左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿材質(zhì)為Q335，長(zhǎng)度為2200mm，桿尾螺紋為M22，型號(hào)為Φ20-M22-2200。采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1300mm。錨桿托盤(pán)采用拱形高強(qiáng)度托盤(pán)，鋪設(shè)金屬網(wǎng)。錨桿材質(zhì)為Q335，長(zhǎng)度為2200mm，桿尾螺紋為M22，型號(hào)為Φ20-M22-2200。采用兩支錨固劑（一支K2335 和一支Z2360）進(jìn)行錨固。錨桿托盤(pán)采用拱形高強(qiáng)度托盤(pán)，鋪設(shè)金屬網(wǎng)。錨桿預(yù)緊扭矩為150N?m，錨索預(yù)緊力為100kN。順槽巷道原支護(hù)斷面如圖3 所示。

圖3 順槽巷道原支護(hù)斷面圖

巷道在原有支護(hù)方案下，頂板極有可能發(fā)生冒頂事故，兩幫極有可能發(fā)生內(nèi)擠變形情況，如圖4所示。

圖4 順槽巷道原支護(hù)方案礦壓顯現(xiàn)情況

4 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

本次設(shè)計(jì)在充分考慮該礦15 號(hào)煤層回采巷道層位以及頂?shù)装鍑鷰r條件的基礎(chǔ)上，從提高巷道支護(hù)效果同時(shí)降低巷道支護(hù)成本的角度出發(fā)，運(yùn)用理論計(jì)算和工程類比法相結(jié)合的方法對(duì)15 號(hào)煤層回采巷道進(jìn)行設(shè)計(jì)。確定采用“錨網(wǎng)支護(hù)+錨索補(bǔ)強(qiáng)”的支護(hù)方式對(duì)回采巷道進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)根據(jù)不同的圍巖條件，選取了不同的支護(hù)參數(shù)。

4.1 N2102 回風(fēng)平巷支護(hù)優(yōu)化工業(yè)性試驗(yàn)

（1）當(dāng)直接頂為完整K2 灰?guī)r，且灰?guī)r含水很少、厚度在5m 以上時(shí)。

（1） 頂板支護(hù)

① 錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，材質(zhì)選 用BHRB400， 規(guī) 格 為MSGLW-400-20/2000，桿體直徑為20mm，長(zhǎng)度為2000mm。錨桿采用強(qiáng)力錨桿螺母M22，配合高強(qiáng)度托板調(diào)心球墊和減磨墊圈，托板采用高強(qiáng)度拱型托板，規(guī)格為150×150×10mm。錨桿采用矩形布置，排距1800mm，間距1500mm。

② 錨索索體采用1×7 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線， 型 號(hào) 為SKP15.24-1/1860-5400mm， 直 徑為Φ15.24 mm，長(zhǎng)度5400mm，尾部采用配套的高強(qiáng)度鎖具。錨索居中布置一根，垂直于頂板布置，排距5400mm。錨索托板采用規(guī)格為300×300×16mm 的平托板。

（2）巷幫支護(hù)

非開(kāi)采幫：采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，材質(zhì)為BHRB400，規(guī)格為MSGLW-400-20/2000，桿體直徑為20mm，長(zhǎng)度2000mm。錨桿布置每排3 根，排距1800mm，間距900mm。

鋼筋托梁規(guī)格為SB-14-1900-3，采用14#圓鋼焊接而成。網(wǎng)片采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表，材料為Φ6.0mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100mm。

開(kāi)采幫：錨桿采用玻璃鋼錨桿，型號(hào)為Φ20-M22-2000，桿體直徑20mm，長(zhǎng)度2000mm，桿尾螺紋為M22。錨桿布置每排3 根，排距1800mm，間距900mm。鋼筋托梁規(guī)格為SB-14-1900-3，采用14#圓鋼焊接而成，寬度為80mm，長(zhǎng)度為1900mm。網(wǎng)片采用高強(qiáng)雙抗塑料網(wǎng)護(hù)表，網(wǎng)格規(guī)格50×50mm，長(zhǎng)×寬=2600mm×1900mm。優(yōu)化后的順槽支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)斷面如圖5 所示。

（2）當(dāng)直接頂為完整K2 灰?guī)r，且灰?guī)r含水很少、厚度為2～5m 時(shí)，支護(hù)參數(shù)同（1），但錨桿支護(hù)排距縮小至1600mm，錨索排距縮小至4800mm。

（3）當(dāng)直接頂為完整K2 灰?guī)r，且灰?guī)r含水很少、厚度在2m 以下時(shí)，支護(hù)參數(shù)同（1），但錨桿支護(hù)排距縮小至1400mm，錨索排距縮小至2800mm。

（4）當(dāng)直接頂為其他巖性時(shí)，支護(hù)參數(shù)同（1），但錨桿支護(hù)間排距調(diào)整為1100×1200mm，錨索調(diào)整為布置兩根，間排距為2000×2400mm。

4.2 支護(hù)優(yōu)化前后數(shù)值模擬

通過(guò)RFPA 數(shù)值模擬仿真的方法可以進(jìn)一步對(duì)巷道頂板支護(hù)較差時(shí)的破壞情況以及優(yōu)化后頂板支護(hù)改良后的情況進(jìn)行模擬分析，如圖6 所示。從中也可以看出優(yōu)化支護(hù)方案能夠確保頂板巖層之間不發(fā)生離層現(xiàn)象，說(shuō)明頂板支護(hù)體結(jié)構(gòu)有效地保證了頂板巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖5 優(yōu)化后的順槽巷道支護(hù)斷面圖

5 結(jié)論

（1）基于15 號(hào)煤層頂板灰?guī)r原始應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力均較少，且頂板K2 灰?guī)r穩(wěn)定完整，屬于堅(jiān)硬易管理頂板，優(yōu)化錨桿間排距是科學(xué)、合理的。

（2）原有支護(hù)方案下巷道礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，針對(duì)性地對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了優(yōu)化后的支護(hù)方案。

（3）數(shù)值模擬了支護(hù)優(yōu)化前后巷道圍巖的變形破壞特征，驗(yàn)證了優(yōu)化后的支護(hù)方案效果顯著，并且降低了單位長(zhǎng)度巷道的支護(hù)材料成本。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果