莒山煤礦巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)研究

郭曉峰，劉 忍，劉世凱，任玉紅，楊 牧，劉姿壯，王金紅

(1.山西蘭花集團(tuán) 莒山煤礦有限公司，山西 高平 048002；2.徐礦集團(tuán) 龐莊煤礦蘆家窯項(xiàng)目部，山西 朔州 036800；3.中煤華晉集團(tuán) 韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043700)

我國(guó)大多數(shù)煤礦采用井工開(kāi)采，需要在井下開(kāi)挖很多巷道，巷道支護(hù)也就成為了影響煤礦生產(chǎn)的重要因素[1]。巷道支護(hù)一是為了確保巷道圍巖體的穩(wěn)定性；二是為了給煤礦生產(chǎn)提供良好的工作空間；三是為了保護(hù)人與物的安全[2-3]。由于各煤礦地質(zhì)條件不同，因此聯(lián)合支護(hù)的方式也有所差異[4]，那么如何根據(jù)煤礦各自的地質(zhì)條件設(shè)計(jì)出與之相符的支護(hù)方案就成為各煤礦需要解決的重要問(wèn)題[5]，本文根據(jù)莒山煤礦的地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析與實(shí)踐結(jié)合的方法設(shè)計(jì)出4-2煤層巷道頂板支護(hù)方案，不僅為莒山煤礦的生產(chǎn)工作提供了穩(wěn)定的作業(yè)空間，同時(shí)也為巷道支護(hù)理論提供了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 生產(chǎn)地質(zhì)情況介紹

莒山煤礦位于晉城市澤州縣，目前回采4號(hào)煤層，而4號(hào)煤層在井田內(nèi)分叉為4-1號(hào)和4-2號(hào)煤層，4-1號(hào)4-2號(hào)煤層平均煤厚分別為9.37 m、3.5 m，兩層相距平均為5.8 m?，F(xiàn)礦井4-1號(hào)煤層已采完，采掘生產(chǎn)已進(jìn)入4-2號(hào)煤層開(kāi)拓準(zhǔn)備、布面生產(chǎn)階段。4-2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂板為粉砂巖、泥巖及砂礫巖，底板為泥巖、砂礫巖及炭質(zhì)粉砂巖，中間含1～2層夾矸，厚0.2～0.4 m。工作面兩巷道設(shè)計(jì)斷面均為矩形，膠帶巷與軌道巷寬度分別為5.0 m和4.0 m，高度為3.2 m。因4-1號(hào)煤層和4-2號(hào)煤層距離較近，下部4-2號(hào)煤層巷道布置將不可避免地受到上覆4-1號(hào)煤層開(kāi)采礦山壓力的影響，為確保4-2號(hào)煤層采掘過(guò)程中頂板支護(hù)安全，特對(duì)4-2煤層開(kāi)采巷道布置、支護(hù)方式進(jìn)行分析研究和設(shè)計(jì)。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

由地質(zhì)資料分析可知，為了確保巷道圍巖體的穩(wěn)定性，該礦應(yīng)采用錨桿、索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)。

2.1 軌道巷錨桿的選取

采用懸吊理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行確定。

2.1.1 長(zhǎng)度的選取

長(zhǎng)度為L(zhǎng)=L1+L2+L3

式中:L為錨桿全長(zhǎng)，m；L1為外露長(zhǎng)度；L2為有效長(zhǎng)度，m；L3為錨桿錨固長(zhǎng)度，m。

1)L1=墊板厚度+螺母厚度+(0.02～0.03)m，取0.15 m。

2)L2由普式自然平衡拱理論確定，由于實(shí)測(cè)煤的堅(jiān)固性系數(shù)為1.9，小于2，因此采用下式確定：

巷道頂錨桿有效長(zhǎng)度L2的確定：

L2=1/f[B/2+Hcot(45°+φ/2)

=1/1.9[4.5/2+3cot(45°+67°/2)]

=1.17 m

巷道幫錨桿有效長(zhǎng)度L2的確定：

式中:φ為內(nèi)摩擦角，44.2°；H為巷道掘進(jìn)高度,m；B為巷道跨度，m；f為普氏系數(shù)。

3)L3一般為0.3～0.4 m。

根據(jù)上述公式得頂錨桿長(zhǎng)度為1.72 m，取2 m；幫錨桿長(zhǎng)度為1.75 m，取1.8 m。

2.1.2 間排距的選取

間排距為D≤0.5L=0.5×2=1 m，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工方便，取間排距相等，因此，錨桿間、排距均為1 m。

2.1.3 直徑的選取

根據(jù)公式d=L/110，確定頂錨桿直徑為19 mm，取20 mm；幫錨桿直徑為16 mm。從安全考慮，同時(shí)為了統(tǒng)一制造，取18 mm。

2.1.4 錨固力的驗(yàn)算

根據(jù)下式可確定錨桿錨固力為：

Q=KL2D2r=3×1.9×1.252×1.2=10.7 t

式中：r為視密度，t/m3；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；K為錨桿安全系數(shù)，取2～3；Q為錨桿錨固力，t。

2.1.5 錨桿的選取

選用45Mn螺紋鋼，其桿體直徑為22 mm、屈服載荷為124 kN、破壞載荷為200 kN、錨固力為12.4 t，符合條件。

2.2 錨固劑的選取

采用Z2850型樹(shù)脂錨固劑，其規(guī)格為D28 mm×500 mm，適應(yīng)鉆孔為D32 mm±2 mm，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。當(dāng)頂板較穩(wěn)定時(shí)采用端部錨固，當(dāng)頂板條件差時(shí)采用全長(zhǎng)錨固。

表1 樹(shù)脂藥卷主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 錨索的選取

根據(jù)莒山煤礦的地質(zhì)條件，采用7股D5 mm的鋼絞線錨索，其結(jié)構(gòu)為1×7；直徑為15.2 mm；拉斷載荷為260 kN；延伸率為3.5%。

2.3.1 錨索長(zhǎng)度

X=X1+X2+X3=0.2+2.8+1.5=4.5 m。

式中：X1為錨索外露長(zhǎng)度，取0.2 m；X2為潛在不穩(wěn)定巖層高度，取2.8 m；X3為錨索錨固長(zhǎng)度，取1.5 m。

2.3.2 排距的選取

s=3σ/4B2γk=3×260/(4×4.02×12.0×0.5)=2.03 m，取2 m。

式中：k為安全系數(shù)，取0.5；B為巷道寬度，4.0 m；γ為煤巖體積力，12.0 kN/m3；σ為每根錨索最低破斷載荷，取260 kN。

2.3.3 間距的選取

m=0.85B/n=(0.85×4.0)/2=1.7 m，取1.5 m。

式中：B為巷道寬度，4.0 m；n為排數(shù)。軌道巷支護(hù)示意見(jiàn)圖1。

圖1 軌道巷支護(hù)示意(mm)

3 膠帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)

膠帶巷斷面為矩形，寬為5.0 m，高為3.2 m。支護(hù)方式采用錨桿、索、鋼帶聯(lián)合支護(hù)。確定運(yùn)輸巷頂錨桿長(zhǎng)度為2 m，直徑為20 mm，幫錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，直徑為18 mm，錨桿錨固力為12.4 t，錨桿間排距為1 m。錨固劑的確定方式同軌道巷。錨索長(zhǎng)度取4.5 m，排距、間距分別為1.5 m、1.2 m。膠帶巷支護(hù)示意見(jiàn)圖2。

圖2 膠帶巷支護(hù)示意(mm)

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，我礦軌道巷、膠帶巷頂錨桿選用長(zhǎng)2.0 m、D20 mm的等強(qiáng)錨桿，幫支護(hù)錨桿選用長(zhǎng)1.8 m，D18 mm的普通螺紋鋼錨桿。錨桿排距為1 m，間距不大于1 m，錨索選用直徑為15.2 mm的鋼絞線，長(zhǎng)度為4.5 m，軌道巷排距為2 m，間距為1.5 m，膠帶巷排距為1.5 m，間距為1.2 m。當(dāng)4-2煤層巷道過(guò)上部煤柱區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶等集中應(yīng)力區(qū)時(shí)，掘進(jìn)層位及其頂?shù)装鍑鷰r受集中應(yīng)力作用可能出現(xiàn)塑性變形或強(qiáng)度變?nèi)醯痊F(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖性條件及受破壞程度，在采取錨桿、錨索主動(dòng)支護(hù)的同時(shí)，還需配合架棚支護(hù)提高被動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度，以確保巷道頂板支護(hù)安全。