臺頭煤業(yè)2號煤層巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

連曉強(qiáng)

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

1 工程概況

臺頭煤業(yè)位于呂梁山南端，井田面積22 km2，臨(汾)—宜(川)公路橫亙礦區(qū)，交通十分便利。目前主采的2號煤層，煤層厚度2.8～3.38 m，平均為3 m，含0～2層夾矸，結(jié)構(gòu)較為簡單，煤層傾角平均為5°，煤質(zhì)為焦煤。2號煤層頂板主要為細(xì)粒砂巖及粉砂巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板多為砂巖、粉砂巖，局部為泥巖，2號煤層埋深為189 m，埋深較淺，煤層及頂?shù)装迩闆r如表1所示。

2 回采巷道原支護(hù)方案

臺頭煤業(yè)2S202-1工作面回采巷道為矩形巷道，巷道斷面尺寸為寬×高=4.2 m×3 m，原設(shè)計(jì)采用錨桿(索)+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式，頂錨桿為D18 mm×2 100 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，幫錨桿為D16 mm×1 600 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm。此支護(hù)方案主要采用工程類比法，以相似煤層賦存條件的礦井工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，綜合考慮臺頭煤業(yè)實(shí)際地質(zhì)條件所設(shè)計(jì)，可能存在過度支護(hù)或支護(hù)不足的問題，因此需要對支護(hù)方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化[1-4]，以保證礦井的安全、高效生產(chǎn)。

表1 2號煤層頂?shù)装迩闆r

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 理論計(jì)算

為優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，礦方委托專業(yè)公司進(jìn)行彈性波測試及鉆孔窺視，確定了臺頭煤業(yè)2S202-1回采巷道圍巖松動圈深度分別為頂板1.4 m，巷道兩幫1.3 m。

2S202-1回采巷道為矩形巷道，斷面尺寸為4.2 m×3.0 m，依據(jù)懸吊理論，錨桿長度可由下式計(jì)算：

L=L1+L2+L3

式中：L1為錨桿有效長度，根據(jù)頂板松動圈深度，頂板取1.4 m，巷幫取1.3 m；L2為錨桿外露長度，取0.1 m；L3為錨桿錨固長度，取0.3 m。

計(jì)算可得：頂板錨桿長度L頂=1.8 m，巷幫錨桿長度L幫=1.7 m。

根據(jù)錨桿承載力與錨固力等強(qiáng)度原則，錨桿直徑可由下式計(jì)算：

式中：T為錨桿拉拔力，取60 kN；σ為錨桿桿體的許用強(qiáng)度，取340 MPa。

計(jì)算可得：D≥0.015 m，綜合考慮臺頭煤業(yè)2號煤層其他工作面回采巷道支護(hù)效果，頂板錨桿直徑D頂=18 mm，巷幫錨桿直徑D幫=16 mm。

錨桿間排距可由下式計(jì)算：

式中：k為安全系數(shù)，取1.8；γ為頂板巖層容重，取23.50 kN/m3。

計(jì)算可得a=1.19 m，實(shí)際取1.2 m。

3.2 數(shù)值模擬

借助UDEC數(shù)值模擬軟件，對臺頭煤業(yè)2S202-1工作面回采巷道采用優(yōu)化方案支護(hù)后的應(yīng)力分布及位移情況進(jìn)行數(shù)值模擬，2號煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)如表1所示，優(yōu)化后支護(hù)條件下，數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 支護(hù)方案優(yōu)化后數(shù)值模擬效果

從圖1中可以看出，在2S202-1回采巷道圍巖出現(xiàn)了一定范圍的卸壓區(qū)，其中巷幫位置圍巖卸壓區(qū)范圍約為1.25 m，頂板位置圍巖卸壓區(qū)約為1.39 m，與彈性波測試及鉆孔窺視結(jié)果基本吻合。在巷道圍巖卸壓區(qū)范圍內(nèi)無論是垂直應(yīng)力還是水平應(yīng)力，均小于原巖應(yīng)力的36%，整體來看，巷道圍巖的塑性區(qū)域較小，整體完整性及穩(wěn)定性保持良好，支護(hù)效果顯著。

3.3 方案比較

原有設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案，如表2所示。由于適當(dāng)減小了頂板錨桿長度，并降低了錨桿支護(hù)密度，優(yōu)化后的支護(hù)方案投入成本明顯少于原有支護(hù)方案，以100 m工程量計(jì)算，優(yōu)化后的支護(hù)方案可節(jié)省成本約8 000元。

表2 支護(hù)方案對比

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了解優(yōu)化后支護(hù)方案的現(xiàn)場支護(hù)效果，在2S202-1工作面回采巷道采用優(yōu)化后的方案進(jìn)行了支護(hù)，并在回風(fēng)巷距離開切眼100 m及200 m位置，布置現(xiàn)場綜合監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測工作面回采過程中，巷道圍巖變形量及錨桿工作阻力變化情況，現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖2所示，兩個測點(diǎn)巷道圍巖變形量監(jiān)測曲線及錨桿軸力監(jiān)測曲線走勢基本相似，在工作面開始回采時，由于測站距離工作面較遠(yuǎn)，并未受到采動影響，巷道圍巖并未變形，隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)測站距離工作面80 m范圍以內(nèi)時，測站逐漸受到工作面回采擾動影響，巷道圍巖開始發(fā)生變形，最終測點(diǎn)1所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?6 mm，兩幫變形量最大值為34 mm，頂板離層量僅為21 mm；測點(diǎn)2所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?5 mm，兩幫變形量最大值為41 mm，離層量最大值僅為17 mm。監(jiān)測結(jié)果表明，支護(hù)效果良好，巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好，滿足礦方的安全生產(chǎn)需求。

現(xiàn)場巷道錨桿軸力監(jiān)測曲線顯示，測點(diǎn)1所監(jiān)測到的錨桿軸力最大值為46.78 kN，測點(diǎn)2所監(jiān)測到的錨桿軸力最大值為44.57 kN，都遠(yuǎn)小于巷道支護(hù)所使用錨桿的拉拔力60 kN，錨桿并無失效的隱患，可以保證錨桿的支護(hù)效果。

5 結(jié) 語

綜上所述，由于2號煤層埋深較淺，巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好，通過工程類比法所設(shè)計(jì)的原支護(hù)方案存在過度支護(hù)的問題，在保證支護(hù)效果的前提下，通過縮小頂板錨桿長度及減小支護(hù)密度的方法對原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，其中頂錨桿由原方案的2.1 m減小到1.8 m，為保證巷道圍巖穩(wěn)定性，幫錨桿由原方案的1.6 m增大到1.7 m，錨桿間排距由1.0 m×1.0 m增大到1.2 m×1.2 m。經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，錨桿無失效風(fēng)險，支護(hù)效果良好，頂?shù)装遄畲笠平績H為76 mm，頂板最大離層量僅為21 mm，兩幫最大變形量僅為41 mm，滿足了礦井的安全生產(chǎn)需求，而優(yōu)化后的方案每100 m工程量較原有支護(hù)方案可節(jié)省約8 000元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。