綜放工作面大斷面沿頂巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

宗 蓋

（潞安化工集團(tuán)古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100）

隨著古城煤礦大型集約化程度的提高[1-2]，巷道斷面面積需求不斷增大，巷道周?chē)膽?yīng)力分布規(guī)律和圍巖破壞規(guī)律極為復(fù)雜[3-5]。有針對(duì)性地調(diào)整優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)能控制巷道圍巖破壞范圍和維護(hù)巷道穩(wěn)定性。

1 概況

古城煤礦位于山西省長(zhǎng)治市屯留區(qū)李高鄉(xiāng)境內(nèi)，年核準(zhǔn)生產(chǎn)能力0.8 Mt，主采3#煤。煤層埋深660 m，煤層厚度為3.35～9.65 m，平均厚6.0 m，煤層平均傾角為5°～8°，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0.2 m 厚。礦井無(wú)自然發(fā)火現(xiàn)象，屬不易自燃煤層。S1301 工作面布置在3#煤層中，巷道均沿頂板掘進(jìn)。S1301 工作面傾斜長(zhǎng)度302 m，走向長(zhǎng)度為1600 m。工作面布置四條巷道，分別為S1301 運(yùn)輸巷道、S1301 輔運(yùn)巷道、S1301 輔運(yùn)進(jìn)風(fēng)巷道、S1301 回風(fēng)巷道，如圖1。巷道頂板巖性自下而上依次為：砂質(zhì)泥巖（5.3 m）、粉砂巖（5.3 m）、細(xì)粒砂巖（6.7 m）；底板巖性自上而下依次為：粉砂巖（3 m）、泥巖（1 m）、粉砂巖（3.5 m）。S1301 工作面為南一盤(pán)區(qū)工作面，周?chē)鸀槲撮_(kāi)采區(qū)，南接S1303 工作面。其中S1301 運(yùn)輸巷道的長(zhǎng)度為1668 m，矩形斷面的寬×高為5200 mm×3800 mm，凈斷面面積為19.76 m2。

2 巷道錨固體強(qiáng)度分析

矩形巷道最容易進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)組織，但其肩角處易發(fā)生形變，在支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)頂角和底角錨桿需保持一定角度，使得錨桿可形成壓縮承載體，據(jù)此建立矩形巷道的支護(hù)承載力學(xué)模型（圖1）。

圖1 巷道支護(hù)力學(xué)模型

錨桿承載體所受垂直應(yīng)力（Fn）為：

而由靜力平衡方程可以得出巷道的錨固承載體強(qiáng)度為：

式中：b為錨固體壓縮帶厚度，m；Da為錨桿間距，m；Db為錨桿排距，m；Dmax為錨桿間排距中較大的值，m；pi為巷道支護(hù)體強(qiáng)度，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；σs為錨桿桿體屈服強(qiáng)度，MPa；R1為頂板圓弧的半徑，m；β為圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角度，（°）；α為錨桿壓縮角度，（°）。

由式（2）可知，隨著錨桿直徑和錨桿長(zhǎng)度的增加，錨固承載體的強(qiáng)度越大；隨著巖層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的升高，錨固承載體的強(qiáng)度增大。故合理的錨桿材質(zhì)、長(zhǎng)度以及錨桿間排距對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性有較大影響。

3 巷道支護(hù)方案

3.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

基于第2 節(jié)對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型可知，合理的支護(hù)體長(zhǎng)度和間排距影響巷道圍巖穩(wěn)定性。因此，提出S1301 運(yùn)輸巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 巷道支護(hù)方案

（1）頂板采用“錨網(wǎng)梁+索”聯(lián)合支護(hù)。錨桿：采用型號(hào)為MGLW500 無(wú)縱肋螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿（Ф22 mm×2400 mm），錨固方式為樹(shù)脂藥卷錨固（1 支MSK2335 型和1 支MSZ2360 型樹(shù)脂錨固劑），錨桿間排距為800 mm×1000 mm，頂部每排布置7 根錨桿，錨固力大于160 kN。金屬網(wǎng)為8#鐵絲編織，網(wǎng)格為40 mm×40 mm。錨索：采用Ф21.8 mm×8300 mm 的鋼絞線，采用3-4-3 布置，3 根錨索的間排距為1600 mm×1000 mm，4 根錨索的間排距為1200 mm×1000 mm，錨固方式為樹(shù)脂藥卷錨固（1 支MSK2335 型和2 支MSZ2360 樹(shù)脂錨固劑），張拉力大于300 kN。鋼筋梯子梁：采用Ф14 mm 圓鋼雙筋梯子梁。

（2）巷幫采用“錨網(wǎng)＋W 鋼帶”聯(lián)合支護(hù)。桿：采用型號(hào)為MGLW500 無(wú)縱肋螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿（Ф22 mm×2400 mm），錨固方式為樹(shù)脂藥卷錨固（1 支MSK2335 型和1 支MSZ2360 型樹(shù)脂錨固劑），錨桿間排距為1000 mm×1000 mm，兩幫各布置4 根錨桿，錨固力大于160 kN。金屬網(wǎng)為8#鐵絲編織，網(wǎng)格為40 mm×40 mm。W 鋼帶：每根錨桿配備一塊W 鋼帶。

3.2 巷道圍巖相似模擬

為驗(yàn)證巷道支護(hù)參數(shù)方案是否有效，進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)（如圖3）。在未支護(hù)狀態(tài)下，巷道呈現(xiàn)頂板冒落式破壞形式。而在優(yōu)化后的支護(hù)方案下巷道變形量較小，不影響工作面正?；夭晒ぷ?。同時(shí)也反映出合理的錨桿（索）支護(hù)長(zhǎng)度可以提升錨固承載體的承載能力和巷道圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，限制圍巖繼續(xù)劣化程度。

圖3 巷道圍巖變形形態(tài)

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

巷道圍巖變形量采用“十字?jǐn)嗝娣ā边M(jìn)行測(cè)量，每間隔2 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)站，共設(shè)置8 個(gè)測(cè)站。隨著S1301 工作面運(yùn)輸巷道掘進(jìn)的進(jìn)行，對(duì)巷道的兩幫移近量和頂?shù)装逡平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖4）。考慮到巷道底板幾乎無(wú)變形，故未在圖中列出。

圖4 巷道圍巖移近量

由圖4 可知1#測(cè)站的巷道圍巖移近量變化曲線，隨著巷道掘進(jìn)的進(jìn)行，巷道位移量整體表現(xiàn)為先升高后逐漸平穩(wěn)的狀態(tài)。掘進(jìn)到第10 d 時(shí)，左右?guī)偷奈灰屏糠謩e為79 mm、57 mm，整體變化趨勢(shì)陡增；而從10～60 d，兩幫已經(jīng)基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，整體的位移量在156 mm 左右。由于巷道是沿頂掘進(jìn)，基本上位移量變化較小，維持在10 mm 左右的狀態(tài)。由此可知，巷道支護(hù)效果較好，能保證礦井正常生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行。

由圖5 巷道圍巖移近速度可以看出，巷道掘進(jìn)到第5 d 時(shí)，巷道兩幫位移速度較大，達(dá)到32 mm/d；之后第5～12 d 期間，巷道兩幫的移近速度逐步降低至3 mm/d；而后第13～60 d 時(shí)，巷道兩幫位移量速度逐漸減小，直至衰減到0。頂板位移量基本保持不變。因此，巷道的支護(hù)方案設(shè)計(jì)較為合理，滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)的基本需要。

圖5 巷道圍巖移近速度

5 結(jié)論

（1）對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，得到適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度、降低錨桿間排距以及增加錨桿直徑能提升錨固體承載能力。

（2）對(duì)S1301 運(yùn)輸巷道提出合理的支護(hù)方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)的驗(yàn)證，該支護(hù)方案較好地保證了巷道完整性。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出巷道兩幫圍巖移近速度整體是先升高后降低，最后逐漸衰減到0。而巷道頂板的移近速度有略微的變化，基本保持平穩(wěn)的狀態(tài)。巷道圍巖移近量整體呈現(xiàn)先升高之后基本保持不變的狀態(tài)，而底板基本不變形，頂板變形量最大維持在10 mm 左右。巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)合理，能保證礦井正常生產(chǎn)要求。