莒山煤礦巷道頂板支護設(shè)計研究

郭曉峰，劉 忍，劉世凱，任玉紅，楊 牧，劉姿壯，王金紅

(1.山西蘭花集團 莒山煤礦有限公司，山西 高平 048002；2.徐礦集團 龐莊煤礦蘆家窯項目部，山西 朔州 036800；3.中煤華晉集團 韓咀煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043700)

我國大多數(shù)煤礦采用井工開采，需要在井下開挖很多巷道，巷道支護也就成為了影響煤礦生產(chǎn)的重要因素[1]。巷道支護一是為了確保巷道圍巖體的穩(wěn)定性；二是為了給煤礦生產(chǎn)提供良好的工作空間；三是為了保護人與物的安全[2-3]。由于各煤礦地質(zhì)條件不同，因此聯(lián)合支護的方式也有所差異[4]，那么如何根據(jù)煤礦各自的地質(zhì)條件設(shè)計出與之相符的支護方案就成為各煤礦需要解決的重要問題[5]，本文根據(jù)莒山煤礦的地質(zhì)條件，通過理論分析與實踐結(jié)合的方法設(shè)計出4-2煤層巷道頂板支護方案，不僅為莒山煤礦的生產(chǎn)工作提供了穩(wěn)定的作業(yè)空間，同時也為巷道支護理論提供了一定的實踐經(jīng)驗。

1 生產(chǎn)地質(zhì)情況介紹

莒山煤礦位于晉城市澤州縣，目前回采4號煤層，而4號煤層在井田內(nèi)分叉為4-1號和4-2號煤層，4-1號4-2號煤層平均煤厚分別為9.37 m、3.5 m，兩層相距平均為5.8 m。現(xiàn)礦井4-1號煤層已采完，采掘生產(chǎn)已進(jìn)入4-2號煤層開拓準(zhǔn)備、布面生產(chǎn)階段。4-2號煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂板為粉砂巖、泥巖及砂礫巖，底板為泥巖、砂礫巖及炭質(zhì)粉砂巖，中間含1～2層夾矸，厚0.2～0.4 m。工作面兩巷道設(shè)計斷面均為矩形，膠帶巷與軌道巷寬度分別為5.0 m和4.0 m，高度為3.2 m。因4-1號煤層和4-2號煤層距離較近，下部4-2號煤層巷道布置將不可避免地受到上覆4-1號煤層開采礦山壓力的影響，為確保4-2號煤層采掘過程中頂板支護安全，特對4-2煤層開采巷道布置、支護方式進(jìn)行分析研究和設(shè)計。

2 支護設(shè)計

由地質(zhì)資料分析可知，為了確保巷道圍巖體的穩(wěn)定性，該礦應(yīng)采用錨桿、索、鋼帶聯(lián)合支護。

2.1 軌道巷錨桿的選取

采用懸吊理論對錨桿支護參數(shù)進(jìn)行確定。

2.1.1 長度的選取

長度為L=L1+L2+L3

式中:L為錨桿全長，m；L1為外露長度；L2為有效長度，m；L3為錨桿錨固長度，m。

1)L1=墊板厚度+螺母厚度+(0.02～0.03)m，取0.15 m。

2)L2由普式自然平衡拱理論確定，由于實測煤的堅固性系數(shù)為1.9，小于2，因此采用下式確定：

巷道頂錨桿有效長度L2的確定：

L2=1/f[B/2+Hcot(45°+φ/2)

=1/1.9[4.5/2+3cot(45°+67°/2)]

=1.17 m

巷道幫錨桿有效長度L2的確定：

式中:φ為內(nèi)摩擦角，44.2°；H為巷道掘進(jìn)高度,m；B為巷道跨度，m；f為普氏系數(shù)。

3)L3一般為0.3～0.4 m。

根據(jù)上述公式得頂錨桿長度為1.72 m，取2 m；幫錨桿長度為1.75 m，取1.8 m。

2.1.2 間排距的選取

間排距為D≤0.5L=0.5×2=1 m，考慮現(xiàn)場施工方便，取間排距相等，因此，錨桿間、排距均為1 m。

2.1.3 直徑的選取

根據(jù)公式d=L/110，確定頂錨桿直徑為19 mm，取20 mm；幫錨桿直徑為16 mm。從安全考慮，同時為了統(tǒng)一制造，取18 mm。

2.1.4 錨固力的驗算

根據(jù)下式可確定錨桿錨固力為：

Q=KL2D2r=3×1.9×1.252×1.2=10.7 t

式中：r為視密度，t/m3；L2為錨桿有效長度，m；K為錨桿安全系數(shù)，取2～3；Q為錨桿錨固力，t。

2.1.5 錨桿的選取

選用45Mn螺紋鋼，其桿體直徑為22 mm、屈服載荷為124 kN、破壞載荷為200 kN、錨固力為12.4 t，符合條件。

2.2 錨固劑的選取

采用Z2850型樹脂錨固劑，其規(guī)格為D28 mm×500 mm，適應(yīng)鉆孔為D32 mm±2 mm，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。當(dāng)頂板較穩(wěn)定時采用端部錨固，當(dāng)頂板條件差時采用全長錨固。

表1 樹脂藥卷主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 錨索的選取

根據(jù)莒山煤礦的地質(zhì)條件，采用7股D5 mm的鋼絞線錨索，其結(jié)構(gòu)為1×7；直徑為15.2 mm；拉斷載荷為260 kN；延伸率為3.5%。

2.3.1 錨索長度

X=X1+X2+X3=0.2+2.8+1.5=4.5 m。

式中：X1為錨索外露長度，取0.2 m；X2為潛在不穩(wěn)定巖層高度，取2.8 m；X3為錨索錨固長度，取1.5 m。

2.3.2 排距的選取

s=3σ/4B2γk=3×260/(4×4.02×12.0×0.5)=2.03 m，取2 m。

式中：k為安全系數(shù)，取0.5；B為巷道寬度，4.0 m；γ為煤巖體積力，12.0 kN/m3；σ為每根錨索最低破斷載荷，取260 kN。

2.3.3 間距的選取

m=0.85B/n=(0.85×4.0)/2=1.7 m，取1.5 m。

式中：B為巷道寬度，4.0 m；n為排數(shù)。軌道巷支護示意見圖1。

圖1 軌道巷支護示意(mm)

3 膠帶巷支護設(shè)計

膠帶巷斷面為矩形，寬為5.0 m，高為3.2 m。支護方式采用錨桿、索、鋼帶聯(lián)合支護。確定運輸巷頂錨桿長度為2 m，直徑為20 mm，幫錨桿長度為1.8 m，直徑為18 mm，錨桿錨固力為12.4 t，錨桿間排距為1 m。錨固劑的確定方式同軌道巷。錨索長度取4.5 m，排距、間距分別為1.5 m、1.2 m。膠帶巷支護示意見圖2。

圖2 膠帶巷支護示意(mm)

4 結(jié) 語

綜上所述，我礦軌道巷、膠帶巷頂錨桿選用長2.0 m、D20 mm的等強錨桿，幫支護錨桿選用長1.8 m，D18 mm的普通螺紋鋼錨桿。錨桿排距為1 m，間距不大于1 m，錨索選用直徑為15.2 mm的鋼絞線，長度為4.5 m，軌道巷排距為2 m，間距為1.5 m，膠帶巷排距為1.5 m，間距為1.2 m。當(dāng)4-2煤層巷道過上部煤柱區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶等集中應(yīng)力區(qū)時，掘進(jìn)層位及其頂?shù)装鍑鷰r受集中應(yīng)力作用可能出現(xiàn)塑性變形或強度變?nèi)醯痊F(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場實際巖性條件及受破壞程度，在采取錨桿、錨索主動支護的同時，還需配合架棚支護提高被動支護強度，以確保巷道頂板支護安全。