礦井淺埋煤層煤巷支護(hù)優(yōu) 化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

方銘 麻青波 馬旭坤

摘要：煤炭作為我國(guó)主要的能源之一，有著很大的價(jià)值，但同時(shí)開采時(shí)也存在著很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文通過分析煤炭開采過程中常見的關(guān)于淺埋煤層巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且簡(jiǎn)要闡述淺埋煤層巷道圍巖變形測(cè)量方法，提出了一些可以優(yōu)化巷道支護(hù)的關(guān)鍵因素，希望可以降低煤礦開采過程中的危險(xiǎn)因素，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：淺埋煤層;巷道圍巖;支護(hù);優(yōu)化設(shè)計(jì);礦壓監(jiān)測(cè)

引言

巷道安全是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵因素之一。巷道支護(hù)是否安全科學(xué)取決于多個(gè)因素。其中淺埋煤層礦區(qū)的地質(zhì)條件、合理的設(shè)計(jì)礦壓監(jiān)測(cè)等，隨著技術(shù)的進(jìn)步圍巖工程控制理論取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，支護(hù)理念由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，巷道的支護(hù)逐漸由傳統(tǒng)的棚式支護(hù)、低預(yù)應(yīng)力低強(qiáng)度錨桿支護(hù)向高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)轉(zhuǎn)化。要實(shí)現(xiàn)淺埋煤層的有效開發(fā)與利用，首先應(yīng)完成淺埋煤層巷道支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，無疑具有一定的理論意義和較大的實(shí)用價(jià)值。

1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)廣泛認(rèn)可動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)步驟包括：試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估→初始設(shè)計(jì)→現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和信息反饋→修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)點(diǎn)生產(chǎn)與地質(zhì)條件調(diào)研

2.1 巷道位置

某煤礦502盤區(qū)東西長(zhǎng)約5.0km，南北寬約2.8km，面積14.3km2，5-2煤層502盤區(qū)輔運(yùn)大巷與工作面之間的保護(hù)煤柱寬度為100m，采面回采期間不受采動(dòng)壓影響，502盤區(qū)輔運(yùn)大巷布置如圖1所示。

2.2 煤巖體賦存狀況

5-2煤層厚度2.04～3.15m，平均厚度2.6m，5-2煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.10m。老頂厚度40m以上為粉、細(xì)砂巖中厚層狀，比較穩(wěn);直接頂厚度0.84—14.28m粉砂巖、中粗砂巖中等穩(wěn)定，零星分布有泥巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層呈條帶狀結(jié)構(gòu)，瀝青光澤，節(jié)理不發(fā)育，502盤區(qū)煤層綜合柱狀圖如圖2所示。

2.3 巷道圍巖粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

巷道圍巖粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。錨桿拉拔力試驗(yàn)的目的是判定巷道圍巖的可錨性，評(píng)價(jià)錨桿、樹脂、圍巖錨固系統(tǒng)的性能和錨桿的錨固力。錨桿拉拔試驗(yàn)采用巷道正常施工時(shí)使用的支護(hù)材料進(jìn)行，其目的是判斷原支護(hù)中錨桿、錨固劑、孔徑三者之間的相互匹配情況，為后期進(jìn)行科學(xué)、合理的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

從已掘501盤區(qū)輔運(yùn)大巷頂板和巷幫支護(hù)再進(jìn)行一次錨桿、錨索粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。

3 原支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)與類似條件礦壓顯現(xiàn)狀況

設(shè)計(jì)單位出具的本礦502盤區(qū)輔運(yùn)大巷，矩形斷面，寬6.24m，高2.97m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，錨桿直徑20mm，長(zhǎng)度為2450mm，間排距為800×800mm，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度120mm。

本礦501盤區(qū)輔運(yùn)大巷已掘進(jìn)完成并服務(wù)多年，采用錨網(wǎng)支護(hù)，掘進(jìn)斷面為矩形，掘?qū)?.4m，掘高3.2m，掘進(jìn)斷面17.28m2。巷道具體支護(hù)參數(shù)為：

3.1 頂板支護(hù)

采用錨桿直徑18mm，長(zhǎng)度2000mm，采用120 ×120 ×8mm拱型高強(qiáng)度托板，采用6.5-100 mm×100mm/5200 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支Z2360和1只K2335樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排5根。

3.2 巷幫支護(hù)

采用錨桿直徑18mm，長(zhǎng)度2000mm，采用120 ×120 ×8mm拱型高強(qiáng)度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支K2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1300mm×1200mm，每排3根。詳見501盤區(qū)輔運(yùn)巷斷面支護(hù)見圖3。

3.3 原支護(hù)巷道礦壓顯現(xiàn)狀況

對(duì)類似巷道501盤區(qū)輔運(yùn)巷進(jìn)行了巷道礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)狀調(diào)研，掘進(jìn)完成后無明顯變形，圍巖完整性很好。根據(jù)礦方礦壓監(jiān)測(cè)資料顯示，頂板和兩幫變形量均控制在100mm以內(nèi)，無明顯頂板離層現(xiàn)象，巷道穩(wěn)定性程度良好，原支護(hù)參數(shù)完全可以滿足巷道安全使用要求。

502盤區(qū)輔運(yùn)大巷圍巖地質(zhì)條件與501盤區(qū)輔運(yùn)大巷基本相似，但斷面增大，因此支護(hù)設(shè)計(jì)可在501盤區(qū)大巷支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

4 設(shè)計(jì)原則

針對(duì)本礦具體地質(zhì)條件，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的成效，制定出502盤區(qū)輔運(yùn)大巷設(shè)計(jì)6項(xiàng)原則：一次支護(hù)原則、高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則、三高一低”原則（提高錨桿強(qiáng)度、剛度，降低支護(hù)密度，提高掘進(jìn)速度）、臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則、力學(xué)性能匹配原則、可操作性原則。

5 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

本支護(hù)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)是圍巖的關(guān)鍵承載圈理論和錨桿支護(hù)的擴(kuò)容-穩(wěn)定理論。關(guān)鍵圈是指巷道圍巖一定范圍內(nèi)能承受較大切向應(yīng)力的巖石圈。只要承載圈保持穩(wěn)定，則承載圈之外的巖層無需支護(hù)。支護(hù)的主要對(duì)象是關(guān)鍵承載圈以內(nèi)的巖層，把這部分巖層的高度作為載荷高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.1 巷道圍巖載荷高度計(jì)算

①頂板載荷高度

根據(jù)關(guān)鍵承載圏理論給出頂板載荷高度的計(jì)算公式為

5.3 錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算

①錨桿長(zhǎng)度

頂錨桿長(zhǎng)度由下式確定：lbr=B+Δ

式中，lbr：頂板錨桿長(zhǎng)度，m;

△：錨桿外露長(zhǎng)度與深入到關(guān)鍵承載圏外巖層長(zhǎng)度之和，取0.5m。

②錨桿直徑

類似巷道501盤區(qū)輔運(yùn)大巷采用的18#螺紋鋼桿體，可以滿足支護(hù)要求，本設(shè)計(jì)錨桿采用20#螺紋鋼桿體。

③錨桿排距

錨桿排距由下式確定：

式中，Pr：錨桿屈服力;

K：安全系數(shù)，取值為2.5;

a：懸臂巖層半跨距。

④每排錨桿數(shù)

頂錨桿每排數(shù)量：

根據(jù)計(jì)算出的每排錨桿數(shù)，反算錨桿排距：

5.4 502盤區(qū)輔運(yùn)大巷支護(hù)參數(shù)計(jì)算

502盤區(qū)輔運(yùn)大巷原始參數(shù)如下：

ks：根據(jù)表1中形狀及掘進(jìn)方式得ks=2.3;kt：巷道服務(wù)年限大于10年，穩(wěn)定煤層：kt =0.85;地應(yīng)力：σH =10.03MPa，σv=4.66MPa;頂板巖層強(qiáng)度：直接頂強(qiáng)度平均為37.39MPa;巷道斷面幾何尺寸：寬l=6.24m，高h(yuǎn)=2.97m;分層、節(jié)理情況：結(jié)合地質(zhì)力學(xué)測(cè)試中鉆孔窺視結(jié)果，巷道頂板較為完整，屬節(jié)理裂隙不發(fā)育，因此節(jié)理間距Dj取1.5m，分層厚度Dl取1.5m;煤層強(qiáng)度：σcc為煤幫強(qiáng)度平均值24.83MPa。煤層傾角：1°;煤層穩(wěn)定性系數(shù)：巷道掘進(jìn)后煤體完整，無片幫冒頂現(xiàn)象，因此屬穩(wěn)定煤層，煤層穩(wěn)定性系數(shù)kyc取0.85;煤層泊松比：根據(jù)表3，泊松比μ取0.4;其他參數(shù)為：c=2.1MPa，φ=29.1°，φc=26.8°，ky=0.82;將上述參數(shù)代入，計(jì)算出頂板載荷高度和煤幫破壞深度為：頂板載荷高度為 B=0.93m;煤幫破壞深度：D=-3.46m，值為負(fù)數(shù)，幫部基本不受破壞;頂板載荷計(jì)算結(jié)果為：Q=145.78kN/m ?Qb=214.87kN/m;頂錨桿長(zhǎng)度計(jì)算，得：lbr應(yīng)不小于1.43m;錨桿排距計(jì)算，得：Dr=1.17m;頂板每排錨桿數(shù)計(jì)算，得：N1=5.82根，取整數(shù)N=6根;反算錨桿排距，得Dr1=1.21m。

根據(jù)以上理論計(jì)算結(jié)果，從控制頂板關(guān)鍵圏載荷的角度來看，502盤區(qū)輔運(yùn)大巷頂板錨桿長(zhǎng)度不小于1.43m，錨桿數(shù)量為6根，合理排距不大于1.21m。

502盤區(qū)輔運(yùn)大巷跨度超過6m，為提高頂板安全性，需要進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。另外噴漿支護(hù)設(shè)計(jì)按照原設(shè)計(jì)保持執(zhí)行。

6 502盤區(qū)輔運(yùn)大巷支護(hù)初始設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1）已掘501盤區(qū)輔運(yùn)巷支護(hù)狀況和礦壓顯現(xiàn)情況調(diào)查結(jié)果;

2）502盤區(qū)輔運(yùn)大巷地質(zhì)資料及所在區(qū)域鉆孔資料;

3）現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮采用樹脂加長(zhǎng)錨固錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，依據(jù)煤層自然易燃，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度120mm。

6.2 初始支護(hù)方案

6.2.1頂板支護(hù)

采用錨桿直徑20mm，長(zhǎng)度2000mm，采用150 ×150 ×8mm拱型高強(qiáng)度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支MSK2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排6根。采用直徑21.8mm，119股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6300mm，采用兩支MSK2360樹脂藥卷錨固，采用300×300×16mm高強(qiáng)度拱形托板及配套鎖具，錨索每排1根布置，居中布置，排距2400mm。

6.2.2 巷幫支護(hù)

采用錨桿直徑18mm，長(zhǎng)度1600mm，采用150 ×150 ×8mm拱型高強(qiáng)度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支MSK2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排3根。詳見502盤區(qū)輔運(yùn)巷斷面支護(hù)見圖4。

7 礦壓監(jiān)測(cè)

本次礦壓監(jiān)測(cè)分為綜合監(jiān)測(cè)和日常監(jiān)測(cè)。前者驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)，后者主要是為了保證巷道安全。

7.1 綜合監(jiān)測(cè)

7.1.1 巷道表面位移

巷道設(shè)置2個(gè)圍巖礦壓分析測(cè)站，包括2個(gè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面，1個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)斷面和1個(gè)錨桿受力監(jiān)測(cè)斷面。觀測(cè)頻次為：距工作面50m內(nèi)每天觀測(cè)1次，以外每周觀測(cè)1次，如果位移量有明顯增長(zhǎng)，可增加觀測(cè)次數(shù)。

7.1.2 頂板離層

選用頂板離層儀測(cè)試頂板巖層錨固范圍內(nèi)外位移值，觀測(cè)頻次與表面位移相同。

7.1.3 錨桿受力

采用錨桿測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨桿受力，錨桿測(cè)力計(jì)安設(shè)在錨桿端部，每個(gè)測(cè)站在頂板布置2個(gè)、兩幫各布置1個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，根據(jù)電阻應(yīng)變?cè)韥頊y(cè)量錨桿在不同時(shí)期的受力情況，分析儀測(cè)得應(yīng)變片變化量的大小，計(jì)算錨桿端部受力狀態(tài)。

7.2 日常監(jiān)測(cè)

日常監(jiān)測(cè)包括二部分內(nèi)容，錨桿錨固力抽檢和錨桿預(yù)緊力矩檢測(cè)。

7.2.1錨桿錨固力抽檢

巷道掘進(jìn)施工過程中，按≥10%的比例和≤2天的時(shí)間間隔對(duì)錨桿錨固力進(jìn)行抽測(cè)。抽測(cè)時(shí)只做非破壞性拉拔，頂、幫錨桿拉拔力不超過100kN和80kN，測(cè)試錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度，檢測(cè)錨桿錨固力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7.2.2 錨桿預(yù)緊力矩檢測(cè)

巷道掘進(jìn)施工過程中按不小于30%的比例和不大于2天的時(shí)間間隔用力矩示值扳手對(duì)錨桿螺母預(yù)緊力矩進(jìn)行抽測(cè)，錨桿扭矩應(yīng)達(dá)到150N.m。

8 結(jié)語

淺埋煤層礦井煤巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，需依據(jù)巷道圍巖變形、地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、支護(hù)狀況和礦壓顯現(xiàn)情況調(diào)查結(jié)果，根據(jù)巷道支護(hù)效果，可在施工過程中對(duì)上述方案進(jìn)行調(diào)整，可以安全有效開發(fā)利用能源，做到安全合理的對(duì)淺埋煤層進(jìn)行開采，以此方法有效地提高我國(guó)的煤炭產(chǎn)量。

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