義棠城峰煤業(yè)薄煤層回采巷道支護(hù)設(shè)計研究

鄧東杰

(山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概況

義棠城峰煤業(yè)位于山西省晉中市介休市，主采的1號煤層厚度較小，平均厚度僅為1.05 m。已揭露煤層傾角變化為20～28°，平均24°，煤層較為穩(wěn)定。如表1所示，煤層上方為0～2.27 m的砂質(zhì)泥巖及6.03～12.15 m的粗粒砂巖。煤層底板為均厚6.27 m的粉砂巖。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

通過對1號煤層進(jìn)行煤質(zhì)分析，可知1號煤層為焦煤，屬特低灰-低灰、低硫、低熱值-特高熱值煤。由于1號煤層厚度較小，施工空間有限，一旦巷道支護(hù)不合理導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)引發(fā)事故，極難處理[1-4]。通過研究1號煤層回采巷道支護(hù)形式，對有效回采1號煤層的優(yōu)質(zhì)煤炭資源意義重大。

2 回采巷道支護(hù)方案設(shè)計

2.1 錨桿支護(hù)形式與參數(shù)設(shè)計

根據(jù)檢測報告數(shù)據(jù)，頂板巖層平均容重為26.3 kN/m3，兩幫巖層容重為14 kN/m3，頂板巖體的普氏系數(shù)為2.1，兩幫內(nèi)摩擦角為47.9°。結(jié)合公司以前的工程實際，選用錨桿桿體的牌號為MG335。根據(jù)普氏理論，巷道兩幫及頂板錨固參數(shù)確定如圖1所示。

圖1 錨固參數(shù)計算

如圖1所示：

(1)

式中：b1為普氏免壓拱高度，m；a＇為兩幫滑動三角體上寬，m；B＇為巷道等效跨度，m；B為巷道掘進(jìn)的跨度，3.4 m；H為巷道高度，2.4 m；φb為巖層內(nèi)摩擦角，45°；fd為頂板巖體普氏系數(shù)，取2.1。

經(jīng)計算可得：b1=1.249 m，a＇=0.924 m，B＇=5.248 m。

2.1.1 頂錨桿支護(hù)參數(shù)

1) 頂錨桿長度。錨桿長度可由下式計算：

l=l1+l2+l3

(2)

式中：l為頂錨桿長度，m；l1為外露長度，0.1 m；l2為有效長度，參考免壓拱高度，取1.249 m；l3為錨入堅硬巖層的長度，m。

其中l(wèi)3可由下式計算：

(3)

式中：d為錨桿直徑，0.018 m；σt為錨桿抗拉強度，455 MPa；τa為錨桿與樹脂的粘結(jié)強度，3.5 MPa。

計算可得：l3=0.585 m，l=1.93 m。

2) 頂板錨桿間排距。錨桿間排距可由下式計算：

(4)

式中：a為錨桿間排距，m；Q為頂錨桿錨固力，85 kN；K為安全系數(shù)，1.65；γd為頂板巖層容重，26.3 kN/m3。

代入數(shù)據(jù)計算可得：a=1.252 m。

綜合考慮《設(shè)計規(guī)范》及義棠城峰煤業(yè)地質(zhì)條件和施工條件，考慮到一定的安全系數(shù)，確定頂錨桿長度為2 m，間排距為800 mm×800 mm，靠近巷幫的錨桿與垂直方向呈15°夾角，其余頂板錨桿垂直布置。

2.1.2 幫錨桿參數(shù)設(shè)計

1) 幫錨桿長度。幫錨桿長度同樣可由公式(2)計算，但是幫錨桿有效長度l2參考巷幫滑動三角體上寬，取0.924 m，計算可得幫錨桿長度l＇=1.609 m。

總側(cè)壓計算可得：P=qcH=32.849 kN。

錨桿布置密度為n=P/Q＇=0.208。

式中：Q＇為幫錨桿錨固力，85 kN。

綜合考慮《設(shè)計規(guī)范》及義棠城峰煤業(yè)地質(zhì)條件和施工條件，考慮一定的安全系數(shù)，確定幫錨桿長度為2 m，間排距為1 000 mm×800 mm，靠近巷幫的錨桿與垂直方向呈15°夾角，其余幫錨桿垂直布置。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場頂板巖層鉆孔柱狀圖可知，錨索的錨固段應(yīng)處于煤層上方粗粒砂巖層中，因此，錨索長度設(shè)計為6.2 m。

頂板荷載集度為：q=γbb1=32.849 kN/m。

社會網(wǎng)絡(luò)是由作為節(jié)點的社會行動者(social actor)及其間的關(guān)系構(gòu)成的集合[15]。在一個社會網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點指代社會行動者，節(jié)點間連線寓含行動者間的關(guān)系。社會網(wǎng)絡(luò)分析(social network analysis)是以行動者及其間的關(guān)系為“原材料”，利用制圖、數(shù)量統(tǒng)計分析等技術(shù)可視化行動者間的社會關(guān)系結(jié)構(gòu)。社會網(wǎng)絡(luò)分析方法廣泛被運用于文獻(xiàn)計量學(xué)進(jìn)行共詞網(wǎng)絡(luò)分析、合著網(wǎng)絡(luò)分析、引文網(wǎng)絡(luò)分析以期了解某學(xué)科或領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀而受到研究者們的喜愛，筆者借鑒該方法將正念療法高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣導(dǎo)入Ucinet 6.0構(gòu)建社會網(wǎng)絡(luò)圖譜，而后分析，見圖3。

因此，頂板錨索間排距設(shè)計為1 000 mm×2 400 mm，每排布置兩根錨索。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 支護(hù)方案

為驗證前述支護(hù)設(shè)計是否合理，在義棠城峰煤業(yè)010105回采巷道進(jìn)行現(xiàn)場試驗，巷道斷面為矩形，斷面尺寸為凈寬×凈高=3.2 m×2.2 m，按照前述設(shè)計，010105回采巷道支護(hù)形式如圖2所示，頂錨桿選用D18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索規(guī)格為D17.8 mm×6 200 mm，間排距為1 000 mm×2 400 mm。

圖2 巷道支護(hù)方案(mm)

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

為驗證巷道支護(hù)方案是否合理，考慮到回風(fēng)巷道機械設(shè)備較少，更容易布置監(jiān)測儀器及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此在010105回風(fēng)巷布置3個綜合測站，每個測站都包括兩個巷道圍巖變形監(jiān)測點、1個錨桿工作阻力監(jiān)測點、1個錨索工作阻力監(jiān)測點及1個頂板離層觀測斷面，現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖3所示。

如圖3(a)所示，工作面回采期間巷道頂?shù)装寮皟蓭途a(chǎn)生了變形。工作面開采到距測站60 m左右時巷道開始產(chǎn)生變形，并隨著工作面的不斷推進(jìn)，變形量逐漸變大，工作面開采過測站50 m后巷道基本不再變形。由觀測數(shù)據(jù)可知，測站一巷道最終頂?shù)装逡平繛?30 mm，兩幫移近量為94 mm；測站二最終頂?shù)装逡平繛?40 mm，兩幫移近量為99 mm；測站三巷道最終頂?shù)装逡平繛?20 mm，兩幫移近量為96 mm?？傮w看，巷道頂?shù)装逡平柯源笥趦蓭鸵平?，變形量在允許變化范圍之內(nèi)。

如圖3(b)所示，工作面開采到距測站30 m左右時巷道圍巖變形速度開始變大，由觀測數(shù)據(jù)可知，測站一巷道頂?shù)装遄畲笠平俣葹?1 mm/d，兩幫最大移近速度為9 mm/d；測站二巷道頂?shù)装遄畲笠平俣葹?3 mm/d，兩幫最大移近速度為8.4 mm/d；測站三巷道頂?shù)装遄畲笠平俣葹?2.5 mm/d，兩幫最大移近速度為7 mm/d。當(dāng)工作面采過測站5～20 m時變形速度迅速減小，說明工作面開采后后方有一定范圍的卸壓區(qū)。工作面采過測站40 m后，變形速度逐漸減小。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測曲線圖

如圖3(c)所示，工作面開采初期時，各測站錨桿、錨索測力計讀數(shù)一直沒有變化，當(dāng)工作面開采到距測站30～40 m時，由于受到工作面采動的影響，測力計讀數(shù)才開始變化，并隨著工作面的開采，錨桿、錨索受力逐漸增大，當(dāng)工作面采過測站30 m后測力計讀數(shù)不再變化。

如圖3(d)所示，工作面開采期間，巷道頂板淺部和深部均產(chǎn)生了離層。從觀測數(shù)據(jù)可以看出，測站一巷道淺基點最大離層量是12 mm，深基點最大離層量是20 mm；測站二巷道淺基點最大離層量是8 mm，深基點最大離層量是25 mm；測站三巷道淺基點最大離層量是10 mm，深基點最大離層量是28 mm。總體離層量較小，說明支護(hù)效果較好。

通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，巷道整體變形量不大，頂板巖層也沒有離層失穩(wěn)的隱患，錨桿(索)工作狀態(tài)良好，可以起到有效的支護(hù)作用，表明支護(hù)方案合理，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié) 語

薄煤層開采空間小，施工空間有限，一旦巷道圍巖失穩(wěn)發(fā)生事故，極難處理。以義棠城峰煤業(yè)為工程背景，采用理論計算、工程類比等方法，確定了義棠城峰煤業(yè)1號煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)如下：頂錨桿選用D18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索規(guī)格為D17.8 mm×6 200 mm，間排距為1 000 mm×2 400 mm。并在010105工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗，通過對010105回風(fēng)巷圍巖變形量、錨桿(索)受力及頂板離層進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明：巷道整體變形量不大，頂板巖層也沒有離層失穩(wěn)的隱患，錨桿(索)工作狀態(tài)良好，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。