麻家梁礦大斷面煤巷支護(hù)設(shè)計與應(yīng)用

李　皓　李思超

(1.同煤集團(tuán)浙能麻家梁煤礦有限責(zé)任公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

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麻家梁礦大斷面煤巷支護(hù)設(shè)計與應(yīng)用

李皓1李思超2

(1.同煤集團(tuán)浙能麻家梁煤礦有限責(zé)任公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

摘要針對麻家梁煤礦大斷面煤層巷道支護(hù)存在的問題，采用動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法，依據(jù)地應(yīng)力測試、煤巖體力學(xué)性質(zhì)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，確定了14201輔運(yùn)順槽錨桿支護(hù)參數(shù)，并及時監(jiān)測礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。實踐結(jié)果表明：將動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法應(yīng)用于現(xiàn)場實踐，巷道維護(hù)效果較好，經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益顯著，可為類似條件下的錨桿支護(hù)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞大斷面煤巷錨桿支護(hù)動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計數(shù)值模擬

對于特厚煤層，隨著開采強(qiáng)度的不斷增加，回采工作面的推進(jìn)速度、生產(chǎn)強(qiáng)度急劇增大，要求使用更大型的采掘設(shè)備，以及為滿足通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)劝踩a(chǎn)的需要，煤層中布置的回采巷道的斷面面積也逐漸增大。由于煤體強(qiáng)度低、巷道頂板和兩幫節(jié)理發(fā)育，加之受工作面采動的影響，圍巖變形嚴(yán)重、支護(hù)體系時常發(fā)生破斷、撕裂等現(xiàn)象，大斷面煤巷支護(hù)難度大[1-3]。本研究針對麻家梁煤礦回采巷道的實際情況，對特厚煤層中大斷面巷道的支護(hù)設(shè)計進(jìn)行探討。

1生產(chǎn)地質(zhì)條件

麻家梁煤礦基本構(gòu)造形態(tài)為一向W傾斜且略有起伏的單斜構(gòu)造，地層傾角平緩(約5°)。現(xiàn)主采4#煤層，煤層厚度3.50～11.00m，平均8.28m，可采系數(shù)100%，煤層層位穩(wěn)定，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。該煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含0～9層夾矸，夾矸巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，含有少量高嶺質(zhì)泥巖和粉砂巖，夾矸厚度變化較大，層位不穩(wěn)定，一般在0.5m以下。煤層頂板主要為泥巖及砂巖，底板主要為泥巖和高嶺質(zhì)泥巖。本研究以14201輔運(yùn)順槽為研究對象，14201工作面位于14101工作面西部，665m水平大巷南側(cè)，為二采區(qū)首采工作面，其東部為五采區(qū)輔運(yùn)大巷(圖1)。14201輔運(yùn)順槽均沿煤層底板布置，巷道斷面為矩形，斷面規(guī)格5 500mm×3 600mm，為大斷面煤巷。

李皓(1986—)，男，助理工程師，036000 山西省朔州市。

圖1　采掘工程布置

2大斷面煤巷圍巖變形破壞原因

(1)圍巖條件復(fù)雜。在特厚煤層開采條件下，煤巷頂?shù)装鍦\部圍巖主要為力學(xué)性質(zhì)較差的泥巖、煤體或強(qiáng)度較低的砂巖，但巷道頂?shù)装迳畈繃鷰r多為穩(wěn)定的砂巖，力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，二者強(qiáng)度差別較大，在巖層間易產(chǎn)生薄軟環(huán)節(jié)造成離層[4-5]。巷道兩幫圍巖為強(qiáng)度較低的內(nèi)體，易在動壓影響下發(fā)生破壞。

(2)巷道斷面增大。大斷面巷道頂板易出現(xiàn)拉破壞，圍巖變形速度大，頂板易離層、沿弱面塑性剪切滑移破壞，同時巷道底板在回采過程中易出現(xiàn)底鼓。

(3)應(yīng)力條件復(fù)雜。在服務(wù)年限內(nèi)，回采巷道掘進(jìn)期間受原巖應(yīng)力的影響，回采期間受相鄰工作面開采引起的側(cè)向支承應(yīng)力和本工作面開采形成的工作面前方超前支承壓力的影響，圍巖應(yīng)力為原巖應(yīng)力的2～3倍。

3錨桿支護(hù)設(shè)計

3.1設(shè)計思路

在錨桿支護(hù)設(shè)計中，采用動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法確定錨桿支護(hù)參數(shù)，動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法主要包括6個基本部分[6]：①地應(yīng)力測試，測試巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)；②煤巖體力學(xué)性能測試，確定煤巖體的力學(xué)參數(shù)；③初始設(shè)計，采用數(shù)值模擬結(jié)合工程類比法和理論計算法研究支護(hù)參數(shù)變化對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，初步確定合理的錨桿支護(hù)參數(shù)；④現(xiàn)場施工，按初始設(shè)計方案進(jìn)行施工，保證施工質(zhì)量；⑤現(xiàn)場監(jiān)測，在現(xiàn)場設(shè)置監(jiān)測站點監(jiān)測圍巖情況；⑥設(shè)計完善，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果修改初始設(shè)計并應(yīng)用于指導(dǎo)實踐。

3.2錨桿支護(hù)參數(shù)確定

以14201輔運(yùn)順槽生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立數(shù)值計算模型，以地應(yīng)力測試結(jié)果確定模型邊界條件，以實驗室?guī)r石力學(xué)試驗結(jié)果為依據(jù)確定數(shù)值模擬參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的支護(hù)材料模擬研究不同支護(hù)方案下巷道圍巖的變形情況，從而確定合理的支護(hù)參數(shù)。根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，在模型上邊界施加12.76MPa自重應(yīng)力，該應(yīng)力可視為均布載荷；水平方向施加14.85MPa水平應(yīng)力，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定位移和速度。麻家梁煤礦巖體的物理力學(xué)參數(shù)實驗室測試結(jié)果見表1。

表1　巖層物理力學(xué)參數(shù)

針對14201輔運(yùn)順槽的具體條件，本研究提出了5種巷道支護(hù)方案，各方案參數(shù)見表2。巷道頂部和兩幫錨桿規(guī)格為φ22mm、長2 400mm、BHRB500的高強(qiáng)讓壓錨桿；頂錨索規(guī)格為φ21.8mm、長9 000mm的19股鋼絞線錨索，幫錨索規(guī)格為φ21.8mm、長4 000mm的19股鋼絞線錨索。

巷道在掘巷期間，不同錨桿支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖的整體變形量較小，巷道圍巖變形主要發(fā)生在工作面回采期間(圖2)。由圖2可知：回采期間不同錨桿支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖的變形量有所不同，將方案3與方案1對比可知，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平棵黠@減小，頂?shù)装逡平繌?40mm降至500mm，兩幫移近量從660mm降至280mm；方案4與方案3相比，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓容^小，基本無變化。

表2　巷道支護(hù)方案參數(shù)比較

圖2　回采期間不同支護(hù)方案巷道位移變化曲線

結(jié)合上述分析，并顧及圍巖錨固體的承載能力和經(jīng)濟(jì)效益，本研究確定回采階段的錨桿支護(hù)方案為方案4，據(jù)此確定了14201輔運(yùn)順槽巷道支護(hù)斷面參數(shù)，見圖3。

圖3　14201輔運(yùn)順槽錨桿錨索支護(hù)斷面(單位：mm)

3.3支護(hù)材料及參數(shù)

(1)材質(zhì)、直徑和長度。頂部和兩幫錨桿采用φ22mm、長2 400mm、BHRB500的高強(qiáng)讓壓錨桿，尾部配套使用蝶形鋼托盤(規(guī)格150mm×150mm×10mm)、半球形調(diào)心墊圈、高強(qiáng)螺母。頂板W鋼帶規(guī)格5 200mm×280mm×3mm，幫部W鋼帶規(guī)格300mm×300mm×3.75mm。頂板錨索規(guī)格為φ21.8mm、長9 000mm的19股鋼絞線錨索，幫錨索規(guī)格為φ21.8mm、長4 000mm的19股鋼絞線錨索，錨索尾部配套使用規(guī)格為300mm×300mm×16mm的碟形鋼托盤、半球形高強(qiáng)度可調(diào)心墊圈及鎖具。

(2)間排距。頂板、兩幫錨桿間排距為900mm×900mm；頂板錨索間排距為2 700mm×2 700mm，幫錨索間排距為1 800mm×2 700mm。

(3)錨固劑及錨固長度。頂板和兩幫螺紋鋼錨桿各采用1支樹脂藥卷MSCK2360、MSK2360。錨索錨固劑采用樹脂藥卷，凝結(jié)速度為超快速、快速；頂板錨索采用樹脂藥卷為快速1支MSCK2360、2支MSK2360；幫錨索采用樹脂藥卷為1支快速M(fèi)SCK2360、2支MSK2360。

3.4現(xiàn)場觀測

14201工作面回采過程中，在14201輔運(yùn)順槽中設(shè)置了巷道表面位移監(jiān)測站，監(jiān)測巷道在工作面后方圍巖的變形情況，觀測結(jié)果見圖4。由圖4可知：在工作面后方20m處巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平棵黠@增加，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)巷道位移逐漸增加，在工作面后方80m處巷道頂?shù)装寮皟蓭偷南鄬σ平块_始趨于穩(wěn)定，當(dāng)工作面推進(jìn)至150m處，巷道位移基本不再增加，可見巷道維護(hù)效果良好。

4結(jié)語

大斷面煤巷巷道圍巖煤體強(qiáng)度低、節(jié)理發(fā)育、頂板易產(chǎn)生離層，加之巷道受到臨近工作面及本工作面采動的影響，其所處的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，使得大斷面煤巷支護(hù)困難，支護(hù)成本較高。為此，以麻家梁煤礦14201輔運(yùn)順槽為例，確定了合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，成效顯著，對于類似礦山支護(hù)設(shè)計有一定的參考價值。

圖4　回采期間巷道表面位移監(jiān)測曲線

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(收稿日期2015-11-05)