某礦1311工作面膠帶順槽支護(hù)方案優(yōu)化研究

＊周文中 趙帥 趙利安

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 胡底煤業(yè)有限公司 山西 048006 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院 遼寧 123000）

煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)的重要保證，煤礦安全往往受到各種各樣的因素影響。煤礦安全的重要保障來(lái)自安全的支護(hù)技術(shù)，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境給礦井支護(hù)帶來(lái)巨大的困難。我國(guó)煤礦的分布地形較為復(fù)雜，所以必須根據(jù)實(shí)際情況，為巷道設(shè)計(jì)相適應(yīng)的支護(hù)方案并進(jìn)行優(yōu)化處理，這對(duì)煤礦安全具有重要意義[1]。晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦回采巷道存在過度支護(hù)強(qiáng)度問題，造成支護(hù)材料浪費(fèi)、掘進(jìn)速度減慢、生產(chǎn)成本增加。依據(jù)回采巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)理論[2-4]，對(duì)該礦1311工作面膠帶順槽支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到在保證圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上降低支護(hù)成本。

1.工程概況

1311工作面位于晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦一盤區(qū)，工作面傾斜長(zhǎng)度249.7m，可采走向長(zhǎng)度2710.0m，可采面積676687.0m2，工作面的地面標(biāo)高為1012.4～1182.7m，巷道范圍煤層底板標(biāo)高305～446m。南側(cè)為1310工作面，正在掘進(jìn)，北側(cè)為1312工作面，未掘進(jìn)，如圖1所示。東側(cè)為一盤區(qū)大巷。1311采煤面開采煤層為3號(hào)煤層，煤層厚度4.6～5.0m，厚度平均值為4.7m。煤層傾角范圍0°～8°，傾角平均值為5°。

圖1 1311工作面巷道布置示意圖

3號(hào)煤層基本頂以黑色砂質(zhì)泥巖為主，夾少量粉砂巖條帶，厚度11.3m左右，巖層硬度f(wàn)=9～10。煤層直接頂為致密塊狀含植物化石裂隙發(fā)育的黑色泥巖，其厚度平均為1.50m，巖層硬度f(wàn)=2～2.3，煤層無(wú)偽頂。

1311工作面膠帶順槽頂板支護(hù)采用1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨，間排距1200mm×1200mm，每排5根。錨固長(zhǎng)度1550mm，預(yù)緊力不小于250kN。

1311工作面膠帶順槽幫部支護(hù)采用高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿與1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索。錨桿間排距950mm×1200mm，每幫5根和3根錨桿間隔布置，錨固長(zhǎng)度950mm。錨桿角度：幫部最上部錨桿向上傾斜不大于10°，最下部錨桿向下傾斜不大于10°，其余錨桿均與巷幫垂直打注。錨索均與巷幫垂直打注。錨索與錨桿同排布置，每隔一排替代幫部從上至下第2和第4根錨桿，間排距1900mm×2400mm，錨固長(zhǎng)度1550mm。

隨著煤層埋藏深度的增加，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：回采巷道圍巖變形量大，特別是復(fù)用巷道的片幫和底鼓嚴(yán)重，巷道需要翻修后才能繼續(xù)使用。此外回采巷道普遍存在錨索、錨桿拉斷現(xiàn)象，主要集中在兩幫頂角處。因此有必要提出可行的巷道控制技術(shù)和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案，確定合理的支護(hù)參數(shù)，以確保礦井的安全回采，降低支護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)礦井高效生產(chǎn)。

2.膠帶順槽支護(hù)方案優(yōu)化

(1)膠帶順槽頂板支護(hù)優(yōu)化方案

頂板支護(hù)采用高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿與1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索支護(hù)。

錨桿：采用高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，直徑為22mm，長(zhǎng)度為2400mm，型號(hào)為MSGLW-500/22-2400。

錨桿托盤：高強(qiáng)度碟型托盤，托盤規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×厚=300mm×200mm×10mm。

錨桿角度：均與頂板垂直打注。

錨桿布置：排距為1200mm，間距為1200mm，靠幫錨桿距幫400mm，每排5根和3根間隔布置。

錨桿錨固方式：采用三支MSZ2360型樹脂錨固劑進(jìn)行全長(zhǎng)錨固。采用深度2.31～2.34m，直徑30mm的鉆孔，錨固長(zhǎng)度和設(shè)計(jì)錨固力最低值分別為2.28m和190kN，預(yù)緊力矩100N·m。

錨索：采用1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制成，直徑為17.8mm，長(zhǎng)度為5400mm，型號(hào)為SKP17.8-1/1860-5400。

錨索托盤：托盤規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×厚=300mm×300mm×16mm。

錨索角度：均與巷幫垂直打注。

錨索布置：與錨桿同排布置，每隔一排替代頂板第2和第4根錨桿，排距為2400mm，間距為2400mm。

錨索錨固方式：采用三支錨固劑加固所選用的錨索：MSK2335型1支（快速），MSZ2360型2支（中速）。先放入快速錨固劑，后放入中速錨固劑。直徑30mm，深度5.05～5.15m的鉆孔中，錨固長(zhǎng)度要大于等于1.40mm，且外露長(zhǎng)度一般為0.15～0.25m。錨索設(shè)計(jì)錨固力150kN，相應(yīng)的預(yù)緊力大于等于140kN。根據(jù)使用的張拉機(jī)具，張拉時(shí)由于力的損耗，需張拉至28MPa。

網(wǎng)片：采用10#鐵絲編織而成的金屬菱形網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格為70mm×70mm。網(wǎng)片規(guī)格1350mm×5800mm，型號(hào)為L(zhǎng)W10/70-1.35×5.8。

網(wǎng)片聯(lián)接方式：相鄰網(wǎng)片互相搭接，搭接長(zhǎng)度不小于0.1m。搭接部位每隔0.1～0.15m使用雙股16#鍍鋅鉛絲扎緊，扎結(jié)至少3圈。

(2)膠帶順槽兩幫支護(hù)優(yōu)化方案

兩幫支護(hù)采用高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每幫5根錨桿。

錨桿：采用高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，直徑為22mm，長(zhǎng)度為2400mm，型號(hào)為MSGLW-500/22-2400。

錨桿托盤：高強(qiáng)度碟型托盤，托盤規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×厚=150mm×150mm×10mm。

錨桿角度：幫部最上部錨桿向上傾斜不大于10°，最下部錨桿向下傾斜不大于10°，其余錨桿均與巷幫垂直打注。

W鋼帶護(hù)板：規(guī)格為BHW-280-4-400-1，最上一根和最下一根錨桿錨桿不使用W鋼帶護(hù)板。錨桿易超長(zhǎng)時(shí)，可使用兩塊相同規(guī)格的錨桿托盤支墊。

錨桿布置：錨桿排距為1200mm，間距為950mm。最上部一根錨桿錨桿距頂300mm，最下部一根錨桿距上部錨桿700～1000mm、距底板不大于700mm。若起錨高度超過700mm，則必須補(bǔ)打錨桿。

錨固方式：錨桿為樹脂加長(zhǎng)錨固，采用MSK2335型快速錨固劑和MSZ2360型中速錨固劑各一支。先放入快速錨固劑，后放入中速錨固劑。直徑30mm，深度2.31～2.34m的鉆孔中，錨固長(zhǎng)度要大于等于1.20m，錨索設(shè)計(jì)錨固力150kN，相應(yīng)的預(yù)緊力大于等于400N·m。

網(wǎng)片：煤柱側(cè)幫使用網(wǎng)孔和網(wǎng)片規(guī)格分別為70mm×70mm，1.35m×4.60m的10#金屬菱形網(wǎng)片支護(hù)巷幫，型號(hào)為L(zhǎng)W10/70-1.35×4.6。非煤柱側(cè)（回采側(cè)幫）采用塑料編織網(wǎng)片護(hù)幫，網(wǎng)片和網(wǎng)孔規(guī)格分別為4.60m×1.35m和50mm×50mm。

網(wǎng)片聯(lián)接方式：采用搭接法連接，搭接長(zhǎng)度不小于100mm。搭接后網(wǎng)片之間采用雙股16#鍍鋅鉛絲捆扎，金屬菱形網(wǎng)之間、金屬菱形網(wǎng)和塑料網(wǎng)之間每隔100～150mm捆扎一道，塑料網(wǎng)之間每隔100mm捆扎一道，扭結(jié)不少于3圈。

支護(hù)斷面與參數(shù)，見圖2。

圖2 13111膠帶運(yùn)槽支護(hù)平、剖面圖

(3)原方案與優(yōu)化方案支護(hù)成本對(duì)比

優(yōu)化后的支護(hù)方案成本與原支護(hù)成本對(duì)比，見表1。優(yōu)化方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

表1 13111膠帶順槽巷原方案與優(yōu)化方案支護(hù)成本對(duì)比

①根據(jù)頂板特征，以高強(qiáng)錨桿替代19股錨索，鉆孔長(zhǎng)度減少36.5%；②以高強(qiáng)錨桿替代錨索，材料直接成本及運(yùn)輸成本減少37%；③頂板預(yù)應(yīng)力降低；④安裝時(shí)間降低；⑤以全長(zhǎng)錨固取替加長(zhǎng)錨固，維護(hù)了圍巖的整體性。

通過對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的支護(hù)方案：幫部最上部錨桿向上有傾斜不大于10°，最下部錨桿向下傾斜不大于10°的傾角（原來(lái)均垂直頂板），可以有效防止頂角和底角部位的變形和破壞。另外，錨桿布置間距由1200mm減小為950mm，新增加了快速錨固劑，提高了對(duì)巷道的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)速度。

3.回采巷道支護(hù)優(yōu)化方案驗(yàn)算

(1)錨桿長(zhǎng)度的理論計(jì)算

①按加固拱理論計(jì)算[5]：

式中：B—巷道荒斷面寬度；

N—圍巖穩(wěn)定性影響系數(shù)，取1.2；

則：L=1.2×(1.1+5.6/10)=1.992m。

而Lb=托盤盤高+螺母厚度+錨桿外露長(zhǎng)度+鋼筋梯子厚度+網(wǎng)厚度=10+30+50+10+3=103mm=0.103m。

而：L=1.992+0.103=2.095m。

②按冒落拱高度計(jì)算錨桿長(zhǎng)度：

按普氏理論計(jì)算冒落拱高度H可以用式（2）計(jì)算[6]：

式中：B—巷道荒斷面寬度，取5.6m；h—巷道荒斷面高度，取4.5m；f頂—頂板巖石普氏硬度系數(shù)，取4；φ幫—幫煤體的內(nèi)摩擦角，取35°。

通過計(jì)算得：

H=1.29m。

錨桿長(zhǎng)度應(yīng)伸到冒落拱外穩(wěn)定巖層內(nèi)0.5以上，則：

由以上計(jì)算驗(yàn)證，長(zhǎng)2.4m、直徑22mm的高強(qiáng)錨桿符合要求。

(2)錨桿間排距的驗(yàn)算

①按加固拱理論：

②根據(jù)錨固力等于或大于被懸吊軟弱巖層重量的原則可以用下式（3）計(jì)算[7]：

式中：Q—錨桿錨固力，Q=150kN；K—安全系數(shù)，取2；H—軟巖厚度，m；γ—巖石容重，取2.61t/m3。

根據(jù)以上計(jì)算，13111巷道錨桿排距取1200mm，間距為1200mm，均符合要求。

(3)錨網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度的驗(yàn)算

13111頂板支護(hù)的強(qiáng)度驗(yàn)算為：

根據(jù)式（4），滿足該式即支護(hù)強(qiáng)度滿足安全要求，則：

式中：P1—單根錨桿的錨固力，取15t；P2—單根錨索的錨固力，取15t；γ—巖石容重，取2.61t/m3；H—冒落拱高度，取1.5m；B—巷道寬度，m。

上述計(jì)算結(jié)果表明，13111采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的形式，其對(duì)頂板壓力的安全系數(shù)為3.62≥2；符合支護(hù)強(qiáng)度要求。

4.結(jié)論

針對(duì)晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦1311工作面膠帶順槽的支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后方案以高強(qiáng)錨桿替代19股錨索，鉆孔長(zhǎng)度減少了36.5%；材料直接成本及運(yùn)輸成本減少了37%。經(jīng)理論驗(yàn)收，優(yōu)化后的支護(hù)強(qiáng)度滿足巷道安全使用要求。