陽坡泉煤礦10號(hào)煤層回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

黃慶國，李淑珍

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003；2.山西大同大學(xué)新平旺校區(qū)圖書館，山西大同 037003）

近年來我國煤礦生產(chǎn)規(guī)模和開采強(qiáng)度與日俱增，回采巷道的斷面尺寸持續(xù)增加，隨之而來的是由于巷道尺寸加大導(dǎo)致巷道圍巖控制難度提升，大斷面的回采巷道在原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力的雙重作用下變形加劇，冒頂事故時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重片幫，控頂高度加大，回采巷道的支護(hù)成本和維修費(fèi)用增加，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)和效益提升[1-3]。錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)已是這類巷道安全可靠的支護(hù)形式，首先要科學(xué)合理的確定支護(hù)參數(shù)，其次要保證錨桿錨索的施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖破壞失穩(wěn)而發(fā)生冒頂事故的重大安全生產(chǎn)隱患[4-7]。以陽坡泉煤礦10號(hào)煤層回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為工程背景，分析了煤層的賦存條件和現(xiàn)有回采巷道的使用現(xiàn)狀，通過理論計(jì)算得出了巷道兩幫和頂板的松動(dòng)破壞范圍，在此基礎(chǔ)上提出了合理的巷道支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)。

1 巷道工程條件

陽坡泉煤礦設(shè)計(jì)回采巷道位于該礦首采區(qū)104綜采工作面，該采區(qū)開采10號(hào)煤層，屬于穩(wěn)定厚煤層；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)理發(fā)育。煤層位于二疊系太原組上部，煤層厚度1.96 m～7.38 m，厚度變化大，平均厚度4.28 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～4層夾矸，穩(wěn)定可采，煤層傾角3～10°(依據(jù)礦井初步設(shè)計(jì))。10號(hào)煤層的直接頂板為平均厚度為6.05 m的砂質(zhì)泥巖，泥巖之上為平均厚度0.71 m的9號(hào)煤層，9號(hào)煤層之上為平均厚度3 m的中細(xì)砂巖，砂巖之上是4 m的泥巖，泥巖之上為平均厚度達(dá)到12.80 m的S4砂巖。10號(hào)煤層底板為平均厚度12.01m的泥巖。煤層綜合柱狀，見圖1。

圖1 煤層綜合柱狀圖

本采區(qū)10號(hào)煤層煤的物理力學(xué)參數(shù)沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參照周邊類似賦存條件的煤層，煤的容重1.36～1.66 t/m3，煤層硬度系數(shù)2，單向抗壓強(qiáng)度為5.21 MPa，煤層的內(nèi)摩擦角為42.5°，屬于較軟煤層。

2 回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀及新設(shè)計(jì)巷道斷面尺寸

目前，10號(hào)煤層綜采工作面回采巷道支護(hù)形式為錨桿、錨索、菱形金屬網(wǎng)（頂網(wǎng)）聯(lián)合支護(hù)（巷道兩幫無支護(hù)），錨桿桿體Φ16 mm，錨桿長(zhǎng)度1 800 mm，錨桿間距為1.15～1.25 m；錨索規(guī)格為Φ15.24×8 000 mm，錨索間距2 m，排距3 m。巷道兩幫無支護(hù)。

現(xiàn)封閉的10105綜采面順槽密閉墻外煤壁有片幫，范圍不大，有小面積的幾處，頂板鋪的菱形網(wǎng)，無鋼帶、無梯子梁，也沒有發(fā)現(xiàn)有離層現(xiàn)象，個(gè)別地方有頂煤掉包現(xiàn)象，其他支護(hù)方面隱患沒發(fā)現(xiàn)。

10號(hào)煤層強(qiáng)度低，新設(shè)計(jì)順槽巷道的直接頂板為平均厚度0.78 m的頂煤，頂煤之上是砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度低，上覆0.71 m厚的9號(hào)煤層，屬于符合頂板，巷道存在支護(hù)困難，巷道圍巖變形量大、受采動(dòng)影響大。根據(jù)井下實(shí)際情況和松軟圍巖的錨固支護(hù)理論研究成果及10號(hào)煤層圍巖狀況進(jìn)行10號(hào)煤層回采巷道頂板錨固支護(hù)設(shè)計(jì)，回采巷道選擇“金屬網(wǎng)＋預(yù)應(yīng)力錨桿＋W鋼帶＋錨索補(bǔ)強(qiáng)”聯(lián)合錨固支護(hù)方式。

陽坡泉煤礦生產(chǎn)能力由300 kt/a增加到1 200 kt/a，全部更新了掘進(jìn)及采煤設(shè)備。原有的回采巷道滿足不了生產(chǎn)能力提升后煤炭運(yùn)輸、設(shè)備材料運(yùn)輸、通風(fēng)安全的要求，回采巷道設(shè)計(jì)斷面由4.4×3.0 m提高到5.0×3.5 m，為此需要對(duì)增大斷面后的運(yùn)輸和回風(fēng)平巷進(jìn)行支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，以保證回采工作面的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸和通風(fēng)要求。陽坡泉煤礦新設(shè)計(jì)綜采工作面順槽巷道斷面形狀參數(shù)，見表1。

表1 新設(shè)計(jì)回采巷道形狀及尺寸

3 陽坡泉煤礦10號(hào)煤層巷道支護(hù)參數(shù)計(jì)算

理論研究、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和數(shù)值模擬表明，煤層巷道圍巖破壞的區(qū)域呈現(xiàn)拱狀，巷道破壞范圍輪廓可近似簡(jiǎn)化拱狀結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 煤巷定量設(shè)計(jì)模型

根據(jù)煤層柱狀圖和頂板巖層分布狀態(tài)分析，陽坡泉煤礦10號(hào)煤層巷道頂板有頂煤層0.78 m，其上為泥巖，巷道寬度5.0 m，對(duì)于這種復(fù)合的頂板只使用錨桿支護(hù)很難起到安全有效加固作用，必須選用較長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿聯(lián)合加固方案。

3.1 巷道頂、幫破壞區(qū)域分析

（1）巷道兩幫破壞范圍。陽坡泉煤礦回采巷道直接頂為頂煤，其上是砂質(zhì)泥巖，構(gòu)成復(fù)合頂板，其垮落形狀為拱形，見圖3。

圖3 巷道頂幫破壞區(qū)域圖

回采巷道兩幫形成的破壞范圍按下式確定：

式中：Kc為巷道周邊擠壓應(yīng)力系數(shù)，一般取3.0；γ為巷道巖層的平均容重；K為采動(dòng)影響系數(shù)；σm為煤幫單向抗壓強(qiáng)度，MPa；h為巷道高度，m；H為埋深，m；?為煤層內(nèi)摩擦角，（°）。

當(dāng)寬高比5.0/3.50＝1.428時(shí)，KC=3.0；10號(hào)煤層煤的容重的最大值γ=1.66 kN/m3，兩側(cè)為實(shí)體煤，取K=1；煤的單向抗壓強(qiáng)度σm=5.21 MPa；煤層的內(nèi)摩擦角?=42.5°；巷道高度h=3.50 m；根據(jù)本礦ZK51-1鉆孔推斷巷道最大埋深為H＝165 m。

將上述參數(shù)代入式中得：

（2）巷道圍巖最大破壞范圍可按下式預(yù)計(jì)：

式中：fm為幫煤的普氏系數(shù)；a為巷道的半跨距，m。

將fm＝2.0，a＝2.50 m，c＝0.89 m代入得：

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)

（1）幫錨桿長(zhǎng)度。煤層巷道兩幫的支護(hù)位置，可取在破壞范圍的2/3處，作為兩幫錨桿支護(hù)長(zhǎng)度的最小值，巷道兩幫的全部破壞范圍作為支護(hù)長(zhǎng)度的最大值。因此，為了安全考慮，兩幫錨桿有效錨固范圍取其破壞范圍的最大值，慮到外露部分長(zhǎng)度需要0.2 m，幫錨桿長(zhǎng)度實(shí)際選用1.80 m。

（2）頂錨桿長(zhǎng)度。同樣，沿著支護(hù)合力作用點(diǎn)為端點(diǎn)形成的拱高b1作為頂板錨桿支護(hù)最短長(zhǎng)度，頂板在支護(hù)條件下全松動(dòng)范圍拱高作為錨桿支護(hù)的最大長(zhǎng)度，頂板錨桿有效長(zhǎng)度為1.15～1.70 m，取最大值并考慮外露端長(zhǎng)度0.2 m，則頂板錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度取為2.0 m。

（3）錨固長(zhǎng)度與錨固劑。陽坡泉煤礦回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)選擇錨桿桿體公稱直徑為22 mm，錨桿的錨固力190 kN，極限拉斷力為265 kN，延伸率為17%，桿尾螺紋規(guī)格為M24 mm。配套高強(qiáng)度拱型托板，力學(xué)性能與錨桿桿體配套，拱型托板規(guī)格為150×150×10 mm，并與W形鋼帶配套。設(shè)計(jì)錨固力取100 kN，頂板錨桿需要的錨固長(zhǎng)度為：

式中：Pm為設(shè)計(jì)錨固力，取100 kN；R為錨桿孔半徑，取14 mm；τ為樹脂藥卷與鉆孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度，取τ＝1.8 MPa。

需要的錨固藥卷長(zhǎng)度：

式中：R1為錨桿桿體的半徑，取11 mm；R2為樹脂藥卷的半徑，取11.5 mm。

設(shè)計(jì)每根錨桿配套一支MSCK2355藥卷，藥卷總長(zhǎng)550 mm，則實(shí)際的錨固長(zhǎng)度為：

每根錨桿的實(shí)際錨固力為：

PM=2πRτL0=2×3.14×14×1.8×0.97=153 kN滿足要求。

（4）頂板錨桿間排距。巷道頂板錨桿布置數(shù)目要滿足兩個(gè)條件：首先是要完全承受拱內(nèi)巖石重量，其次是要錨桿桿體的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

為了平衡拱內(nèi)巖石重量所需錨桿間排距S1可按下式計(jì)算：

式中：RT為錨桿的實(shí)際錨固力，取RT＝100 kN/根；k為安全系數(shù)，取k＝2；γ為頂板巖層平均密度，取γ＝25.0 kN/m3。

將上述參數(shù)代入得：

校核桿體抗剪強(qiáng)度所需錨桿間距S2可按下式計(jì)算：

式中：d為錨桿直徑，按Φ22 mm計(jì)算；k2為頂板抗剪安全系數(shù)，一般取k2＝2；P0為錨桿錨固力；τ為錨桿抗剪強(qiáng)度，根據(jù)所選錨桿技術(shù)參數(shù)為300 MPa；2a為巷道跨度，取2a＝5.0 m；l頂為頂板錨桿有效錨固長(zhǎng)度；f為分層間摩擦系數(shù)數(shù)，取f＝0.3。

將上述參數(shù)及γ＝25.0 kN/m3、l頂＝0.97 m代入得：

取S1、S2的最小值作為頂板錨桿支護(hù)間排距，則有：

于是，頂板錨桿數(shù)目：5.0/1.15=4.35根，考慮到施工的方便及安全，頂板錨桿數(shù)目取5根，間排距選擇選取1 000 mm。幫錨桿的間距700 mm，排距750 mm，三排五花式布置。

3.3 錨索加固參數(shù)

陽坡泉煤礦綜采工作面順槽巷道錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)選擇KP19-1/1720普通型礦用錨索。錨索直徑為18.96 mm，鋼絞線抗拉強(qiáng)度為1 720 MPa。

（1）錨索長(zhǎng)度、間距。陽坡泉煤礦10號(hào)煤層綜采工作面順槽巷道高度3.5 m，10號(hào)煤層平均厚度為4.28 m，巷道頂煤厚度約0.8 m，其上為6.08 m的泥巖，泥巖之上為2.0 m的中細(xì)砂巖。巷道支護(hù)錨索要在堅(jiān)硬巖層保持一定的錨固長(zhǎng)度，用以確保錨索的錨固力，針對(duì)陽坡泉煤礦回采巷道實(shí)際情況，確定錨索有效長(zhǎng)度為8.0 m，錨索外露長(zhǎng)度選取0.3 m，錨索總長(zhǎng)度為8.30 m。10號(hào)煤層回采巷道支護(hù)錨索排距3.0 m，錨索間距1.50 m，沿回采巷道巷道頂板頂板垂直布置，能保證錨索錨固到回采巷道上部中細(xì)砂巖的長(zhǎng)度為1.20 m左右。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)常向巷道頂板打垂直鉆孔，探測(cè)頂板煤巖層厚度變化情況，以便隨時(shí)調(diào)整錨索的長(zhǎng)度，保證錨固到細(xì)粒砂巖頂板的長(zhǎng)度有保證，確保巷道支護(hù)的安全。

（2）錨索排距及錨固力。巷道支護(hù)中錨索加固支護(hù)的作用是維護(hù)巷道頂板下沉形成“內(nèi)拱”的穩(wěn)定。取間隔3排錨桿打1排錨索，錨索排距3.0 m，每根錨索的錨固力為：

即需每根錨索的錨固力不低于216.25 kN/根，選取的錨索滿足要求。

（3）錨索的預(yù)緊力。在巷道支護(hù)中實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)時(shí)，錨索的預(yù)應(yīng)力應(yīng)是錨桿設(shè)計(jì)載荷值的1.0～1.3倍，故確定錨索的預(yù)應(yīng)力為100 kN。

（4）錨固長(zhǎng)度與錨固劑。設(shè)計(jì)選用錨索為高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑18.90 mm，取Pm＝250 kN，τ＝3 MPa。則錨固長(zhǎng)度為：

需要的錨固卷長(zhǎng)度：

設(shè)計(jì)每根錨索配套一支CK2360藥卷和一支K2360藥卷（超快速藥卷在上部，快速藥卷在下部），藥卷總長(zhǎng)1 200 mm，則實(shí)際的錨固長(zhǎng)度為：

每根錨索的實(shí)際錨固力為：

PM=2πRτL0=2×3.14×14×3×1.48=390 kN

3.4 確定回采巷道錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

3.4.1 錨桿參數(shù)

（1）頂板錨桿。錨桿+W型鋼帶，錨桿長(zhǎng)度2.20 m，桿體為Ф22 mm的左旋無縱筋螺紋鋼，設(shè)計(jì)每根錨桿配套一支CK2355，進(jìn)行端部錨固，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm。W形鋼帶規(guī)格：厚度為3 mm，寬度為250 mm，長(zhǎng)度為5 000 mm。錨桿角度：頂板錨桿安設(shè)角度垂直布置。

（2）兩幫。選擇普通螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度為1 800 mm，直徑為18 mm，采用1支K3537樹脂藥卷，間、排距為700×750 mm，三排五花式布置。

3.4.2 錨索參數(shù)

單根鋼絞線，直徑為18.89 mm，長(zhǎng)度為8 300 mm，每根錨索配套一支CK2360藥卷和一支K2360藥卷（超快速藥卷在上部，快速藥卷在下部），藥卷總長(zhǎng)1 200 mm。錨索間距1.50 m，排距3.0 m。

根據(jù)陽坡泉煤礦10好煤層回采巷道的頂板情況，由于頂煤的存在導(dǎo)致符合頂板的形成，為確保巷道安全使用，要根據(jù)頂板變化情況，對(duì)錨索長(zhǎng)度做出及時(shí)調(diào)整，使其錨固到巷道上部中細(xì)砂巖層的長(zhǎng)度不小于1 000 mm?；夭上锏厘^固支護(hù)參數(shù)布置圖，見圖4、圖5。

圖4 10號(hào)煤層巷道頂板錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

圖5 10號(hào)煤層巷道幫錨桿支護(hù)參數(shù)

4 結(jié)語

按設(shè)計(jì)的10號(hào)煤層回采巷道支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)施工后，巷道兩幫移近量最大為150 mm，和巷道頂板下沉量最大為65 mm，回采巷道的維修工程量比設(shè)計(jì)前降低了50%，保證了綜采工作面的安全生產(chǎn)。