母杜柴登礦深埋巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

趙國棟

（鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

0 引言

隨著煤炭資源的不斷開采，淺部煤炭資源日漸枯竭，煤礦開采開始轉(zhuǎn)向深部，開采技術(shù)條件越來越復(fù)雜，對(duì)巷道圍巖的支護(hù)要求也隨之增加，尤其是復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù)在煤礦開采中的比例不斷增加，是國內(nèi)外巷道支護(hù)的難點(diǎn)，對(duì)其支護(hù)技術(shù)的研究受到了很多專家的關(guān)注[1-3]。由于柴登礦30207通風(fēng)巷埋深約640m，埋深較大，巷道頂板易冒頂，控制難度較大，因此該文采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法來探究深埋巷道的支護(hù)技術(shù)，希望為類似工程地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)提供幫助，對(duì)提高深井高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

母杜柴登煤礦位于內(nèi)蒙古東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)南部，30207工作面通風(fēng)巷掘進(jìn)范圍內(nèi)北鄰未開采煤體、南鄰未開采煤體，西鄰30208綜采工作面采空區(qū)，東鄰未開采煤體。該工作面地表為高原堆積型丘陵地貌特征，全部被第四系風(fēng)積砂覆蓋，植被稀疏，為沙漠～半沙漠地區(qū)。30207工作面通風(fēng)巷所處層位為3-1煤層，3-1煤層位于延安組第二巖段（J1-2ya2）頂部，3-1煤組的頂部，全區(qū)賦存，總體為一走向NNE、傾向NWW的單斜形態(tài)，傾角約1°～6°。大部分地段煤層傾角較緩，約2°～3°，30207工作面通風(fēng)巷為矩形巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，掘?qū)挒?800mm，掘高為3900mm，S（掘）為22.62m2，凈寬為5800mm，凈高為3700mm，S（凈）為21.46m2。

工作面范圍內(nèi)煤層埋深為620.0m～660.0m，整體由南向北逐漸變深，3-1煤煤層底板標(biāo)高為+665.0m～+630.0m。煤層厚度特點(diǎn)為中部和南部較厚、北部較薄。根據(jù)區(qū)域范圍內(nèi)的7個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)采用煤厚4.51m～6.25m，平均5.75 m；煤層傾角1°～6°，大部分地段為1°～3°，平均2°，30207工作面通風(fēng)巷煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

2 巷道優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 巷道原支護(hù)方案

2.1.1 頂板支護(hù)參數(shù)

錨桿形式和規(guī)格如下：錨桿選用?22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，錨桿支護(hù)間距為1000mm，排距為1000mm，桿體屈服強(qiáng)度不低于500MPa，桿尾螺紋為M24，螺紋長度不小于150mm，采用高強(qiáng)螺母M24×3.0。

每根錨桿配一支MSCK2335與一支MSCK2360樹脂錨固劑。采用拱形高強(qiáng)托板配合調(diào)心球墊和尼龍墊圈使用，托板采用拱型高強(qiáng)度托板，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，高度不低于32mm，承載能力不低于桿體的極限拉斷力。最外側(cè)錨桿安設(shè)角度為15°，其余錨桿安設(shè)角度與頂板呈90°。錨桿預(yù)緊力200N·m，錨桿錨固力為80kN。

錨索采用Φ21.8mm×6300mm，錨索材料為1x19股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，錨索支護(hù)間排距為2000mm×1000mm，按“3-1-3”支護(hù)形式配套“W”鋼帶打設(shè)。

每根錨索配一支MSCK2335樹脂錨固劑和兩支MSCK2360樹脂錨固劑。采用規(guī)格300mm×300mm×20mm的高強(qiáng)度拱形碟形托盤，配套鎖具緊固錨索?！癢”鋼帶采用5mm厚Q235鋼沖壓制造，規(guī)格為4500mm×280mm。錨索拉拔力不低于250kN。

采用?6.3mm圓盤預(yù)彎成型金屬絲編織網(wǎng)，規(guī)格5800mm×1100mm，網(wǎng)片壓茬100mm，每隔200mm采用16#鐵絲雙絲雙扣連接、網(wǎng)絲扭接不少于3圈。

2.1.2 巷道兩幫支護(hù)參數(shù)

錨桿選用?22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，桿體為22#無縱筋螺紋式樹脂錨桿金屬桿體，桿體屈服強(qiáng)度不低于500MPa。錨桿支護(hù)間排距1000mm×1000mm，一排4根錨桿，錨桿須打設(shè)在網(wǎng)片壓茬處；桿尾螺紋為M24，螺紋長度不小于150mm，采用高強(qiáng)螺母M24×3.0。幫部第一排錨桿距頂板300mm，底角起錨高度600mm。

網(wǎng)片采用8#菱形金屬網(wǎng)，規(guī)格4500mm×1200mm，幫網(wǎng)與頂網(wǎng)壓茬200mm，每隔200mm采用16#鐵絲雙絲雙扣連接、網(wǎng)絲扭接不少于3圈；幫部網(wǎng)片壓茬100mm，幫錨桿須打設(shè)在網(wǎng)片壓茬處。每根錨桿采用一支MSCK2335與一支MSCK2360樹脂錨固劑。采用拱形高強(qiáng)托板配合調(diào)心球墊和尼龍墊圈使用，托板采用拱型高強(qiáng)度托板，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，高度不低于32mm，承載能力不低于桿體的極限拉斷力?？拷敯宓南飵湾^桿安設(shè)角度為與水平線呈+15°，靠近底板的巷幫錨桿安設(shè)角度為與水平線呈-15°。錨桿預(yù)緊力200N·m，錨桿錨固力為80kN。

2.2 巷道優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)原理

錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以增大巷道的開挖空間和錨桿的排距、間距，減少錨桿支護(hù)的數(shù)量，提高巷道的開挖進(jìn)度，通過錨索的懸吊作用來保持錨巖支護(hù)體和圍巖的穩(wěn)定。錨桿和錨索可以各自發(fā)揮其自身的優(yōu)勢(shì)，改善單一錨桿圍巖支護(hù)下的弊端。

金屬網(wǎng)可以支撐非錨固區(qū)域的破碎巖碎塊來防止發(fā)生塌落，在非錨定巖層之間傳遞荷載，使錨桿由單點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)化為多個(gè)錨桿形成的系統(tǒng)支護(hù)，可以降低局部支護(hù)強(qiáng)度巷道整體的不穩(wěn)定性。金屬網(wǎng)的柔韌性使其能更好地適應(yīng)圍巖的變形破壞，其剛度可以改善巷道圍巖的應(yīng)力條件，為圍巖提供支撐反作用力。工程實(shí)踐表明金屬網(wǎng)在動(dòng)壓巷道中起至關(guān)重要的作用，特別是在穩(wěn)定性較差的巷道使用錨桿支護(hù)中[4-7]。實(shí)踐結(jié)果證明，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道的薄弱部位進(jìn)行支護(hù)有很好的適用性。

2.3 巷道優(yōu)化支護(hù)方案

巷道優(yōu)化支護(hù)方案采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案如圖2所示。頂板支護(hù)采用直徑22mm、長度3000mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，錨桿的排距設(shè)計(jì)為800mm、間距設(shè)計(jì)為800mm；錨索采用直徑21.8mm、長度6300mm礦用高強(qiáng)度錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索的排距設(shè)計(jì)為1600mm、間距設(shè)計(jì)為1500mm，其他同原支護(hù)設(shè)計(jì)。

兩幫采用直徑22mm、長度3000mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，錨桿的排距設(shè)計(jì)為800mm、間距設(shè)計(jì)為800mm；錨索采用直徑21.8mm、長度6300mm礦用高強(qiáng)度錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索預(yù)緊力為220kN、排距設(shè)計(jì)為1600mm、間距設(shè)計(jì)為1500mm。在支護(hù)過程中可以根據(jù)圍巖情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

網(wǎng)片：巷道頂板和兩幫采用金屬網(wǎng)護(hù)表，金屬網(wǎng)片為網(wǎng)格50mm×50mm的10#鉛絲編織，規(guī)格3.3m×1.3m，與巷幫和頂板的金屬網(wǎng)均采用搭接法進(jìn)行連接， 搭接長度不小于100mm，然后用16#雙股鐵絲進(jìn)行扭結(jié)，聯(lián)網(wǎng)間隔不大于200mm，扭結(jié)不少于3圈，巷道兩幫每隔100m各安裝一片同規(guī)格的塑料網(wǎng)替換原金屬網(wǎng)。

為了防止頂板圍巖風(fēng)化膨脹和破碎，巷道支護(hù)完成后對(duì)30207工作面通風(fēng)巷的頂板采用C20混凝土及時(shí)進(jìn)行噴漿作業(yè)，噴射混凝土的厚度范圍為50mm～100mm。

3 數(shù)值模擬

分別對(duì)30207通風(fēng)巷采用原支護(hù)技術(shù)方案和優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算所得巷道圍巖豎向位移分布云圖如圖1所示，巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖2所示。

圖1 巷道圍巖豎向位移分布云圖

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

由圖3可以看出，原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案頂板最大下沉量分別約為70.3mm和29.0mm，與原支護(hù)方案相比，優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案下的頂?shù)装蹇傄平肯陆盗思s59%，說明優(yōu)化支護(hù)方案可以有效控制30207通風(fēng)巷圍巖，進(jìn)一步說明了優(yōu)化支護(hù)技術(shù)參數(shù)的科學(xué)合理性。

圖3 巷道圍巖變形曲線

在原支護(hù)技術(shù)方案下，巷道頂、底部破壞深度在垂直方向上分別約為2.1m和2.2m，巷道左、右兩幫處破壞深度在水平方向上分別約為2.5m和2.2m；在優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案下，巷道頂、底部破壞深度在垂直方向上分別約為0.7m和1.8m，巷道左、右兩幫處破壞深度在水平方向上分別約為0.4m和0.4m，較原支護(hù)方案塑性區(qū)范圍明顯減少。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

將優(yōu)化支護(hù)方案應(yīng)用于30207通風(fēng)巷，在巷道掘進(jìn)期間安設(shè)一組觀測(cè)點(diǎn)來監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況。頂部測(cè)點(diǎn)布置在巷道中心線上，幫部測(cè)點(diǎn)布置在距巷道地面1m的位置處，頂幫測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)，底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用鐵釬，釘入底板圍巖內(nèi)的長度為250mm，圍巖觀測(cè)站按每周1次進(jìn)行測(cè)讀和記錄，巷道變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，巷道頂板最大下沉量約為35.7mm，巷道底板底鼓量最大約為31.5mm，巷道左、右?guī)蛧鷰r變形最大約為25.3mm和24.3mm，圍巖變形量相對(duì)較小，變形量均滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。

5 結(jié)語

以母杜柴登礦30207通風(fēng)巷道為工程背景對(duì)圍巖控制及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下2個(gè)結(jié)論：1）在原支護(hù)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案下的頂?shù)装蹇傄平勘仍ёo(hù)技術(shù)方案下降了約59%，說明優(yōu)化支護(hù)技術(shù)參數(shù)的合理性。2）工業(yè)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在采用優(yōu)化支護(hù)技術(shù)后，通風(fēng)巷道頂和底板的最大變形量分別為35.7mm和31.5mm，巷道左、右?guī)蛧鷰r變形最大約為25.3mm和24.3mm，變形量均處于變形允許范圍內(nèi)，表明了該優(yōu)化支護(hù)技術(shù)在深井巷道支護(hù)中的合理性。