隆博煤業2-5012回采巷道支護方案設計

甄向宇

(霍州煤電宏大隆博煤業，山西 臨汾 042101)

1 工程背景

霍州煤電臨汾宏大隆博煤業行政隸屬于山西省臨汾市鄉寧縣西交口鄉陽塔村，井田主要可采煤層有2號、8號、9號、13號等煤層，其中2號煤層蓋山厚度為494～540 m，煤層平均厚度為3.4 m，含兩層夾矸。煤層結構為：0.3(0.25)1.4(0.32)0.93，煤體結構穩定，煤層傾角0～8°，平均傾角4°，普氏系數f=4.0～6.0。如表1所示，2號煤層偽頂為0.5 m的泥巖，直接頂為3.9 m的粉砂巖，基本頂為5.4 m的細粒砂巖，直接底為1.4 m的泥巖，老底為2.8 m的中粒砂巖。

表1 2號煤層頂底板巖性

通過分析現場礦壓監測數據，發現2號煤層回采巷道存在過度支護的問題，因此對2-5012工作面回采巷道支護方案進行重新設計，以避免過度支護造成資源浪費[1-4]。

2 方案設計

2.1 錨桿參數

1) 錨桿長度。錨桿長度可由下式計算：

L=KH+L1+L2

式中：L為錨桿全長，m；H為普氏免壓拱高度，m；K為安全系數，取1.8；L1為錨桿錨入穩定巖層的長度，取0.6 m；L2為錨桿外露長度，取0.3 m。H=B/2f，B為巷道跨度，取4.5 m；f為頂板巖層的普氏系數，取4。

計算可得：L=1.912 5 m。

依據上述計算結果，綜合考慮同一水平相鄰采面回采時，受采動影響后頂板錨桿支護情況，錨桿長度選取2.2 m。

2) 錨桿直徑。按桿體強度和錨固力相匹配的原則確定桿體直徑,由于本礦錨桿采用MSGLW-335/22×2400型號的左旋螺紋鋼式樹脂錨桿，則其直徑應以下公式計算：

式中：d為錨桿直徑，m；Q為錨桿設計錨固力，取127 kN；σt為桿體屈服強度，取335 MPa。

計算可得：d=21.98 mm。

依據上述計算結果，根據同一水平相鄰采面回采時，受采動影響后頂板錨桿支護情況分析，錨桿直徑選取22 mm。

3) 錨桿間、排距。錨桿間排距可由下式計算：

式中：a為錨桿間排距，m；d為錨桿直徑，22 mm；σt為桿體抗拉強度(屈服強度)，335 MPa；γ為巖體容重，25 kN/m3。

計算可得：a≤1.17 m。

依據上述計算，同時根據隆博礦已掘巷道與工程類比法分析，為確保施工安全，頂部每排為6根錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm。幫錨桿與頂錨桿同材質、同型號，幫部每幫每排5根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，根據2507順槽巷受采動巷道變化情況，煤柱側幫部優化為每隔一排第1根、第5根為幫錨桿，第2、3、4根為幫錨索，采煤側為5根幫錨桿。

2.2 錨索參數

錨索長度可由下式計算：

L索≥L外露+L鎖具+L懸吊+L錨固

式中：L外露為錨索外露長度，0.3 m；L鎖具為鎖具、鋼板厚度，0.2 m；L懸吊為錨索懸吊的不穩定巖層厚度，3.95 m；L錨固為錨固端長度，1.8 m。

計算可得錨索長度為L索≥6.2 m。

依據上述計算結果，根據同一水平相鄰采面回采時，受采動影響后頂板錨索支護情況分析，頂錨索長度選取6.5 m。

根據上述計算結果，結合以往的回采巷道支護經驗，確定2-5012工作面回采巷道采用錨網(索)+W鋼帶聯合支護的方案進行支護。為加強巷幫支護，煤柱側巷幫為每隔一排，第1根、第5根為幫錨桿，第2、3、4根為幫錨索支護，頂錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強左旋螺紋鋼錨桿支護，幫錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強全螺紋錨桿，頂幫錨桿均配合4 mm厚的W鋼帶+(長×寬×厚=120 mm×120 mm×10 mm)壓制蝶形托盤+調心球墊+減磨墊片+螺母支護；幫錨索采用D21.6 mm×4 200 mm的鋼絞線配合120 mm×120 mm×10 mm壓制蝶形托+鎖具支護，要求錨索外露150～250 mm，錨固力≥225 kN，預緊力≥180 kN。頂W鋼帶規格：4400 mm×220 mm×4 mm、幫W鋼帶規格：3 700 mm×220 mm×4 mm，頂部每排為6根錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，幫部每幫每排5根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm；錨桿、W鋼帶均垂直巷幫布置。

頂板錨索布置，一排間距1 500 mm、每隔4 m在巷中布置“三眼”組合錨索，排距4 000 mm，掘進時交替布置。錨索采用D21.6 mm×7 200 mm的鋼絞線配合250 mm×250 mm×16 mm鋼托板+鎖具支護， “三眼”組合錨索采用D21.6 mm×12 200 mm的鋼絞線配合500 mm×500 mm×16 mm鋼托板+鎖具支護。

3 現場試驗

3.1 數值模擬

根據2-5012工作面回采巷道的地質條件建立數值模型，巷道斷面尺寸為寬×高=4.5 m×3.8 m，埋深510 m，模型尺寸為X×Y×Z=100 m×200 ×100 m，數值模擬結果如圖1所示。

圖1 數值模擬結果

如圖1所示，以前述方案對回采巷道進行支護時，最大豎直應力為2.5 MPa，僅在巷道頂板及底板中央位置出現了部分塑性區域，巷道圍巖大部分仍處于彈性狀態。在工作面回采過程中，在距離工作面30 m范圍內，巷道圍巖變形量明顯增大，最終頂板變形量為167 mm，兩幫移近量為42 mm。數值模擬結果表明，前述支護方案支護效果良好，可以滿足煤礦安全生產需求。

3.2 現場監測

為驗證前述支護方案的現場支護效果，在2-5012回風巷距離開切眼100 m和150 m位置布置兩個綜合監測點，分別對錨桿應力及巷道圍巖變形進行現場監測，監測結果如圖2所示。

圖2 現場監測曲線圖

如圖2所示，在工作面回采過程中，超前支承壓力影響范圍約為50 m。在距離工作面50 m范圍內時，錨桿應力開始發生變化；在距離工作面15～20 m范圍內時，錨桿應力達到最大值；在距離工作面10 m以內時，由于距離工作面較近，受開采擾動的影響，圍巖發生破壞，因此煤柱側錨桿應力開始降低。巷道頂底板移近量最大值為218 mm，兩幫移近量最大值為175 mm，整體來看，巷道圍巖變形量不大，錨桿工作狀態良好，可以滿足礦方的安全生產需求，表明支護方案是合理的。

4 結 語

本文以隆博煤業2-5012工作面回采巷道為工程背景，采用理論分析和數值模擬的方法，確定回采巷道采用錨網(索)+W鋼帶的聯合支護方案。頂錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm；頂板錨索規格為D21.6 mm×7 200 mm，采用三眼布置，間排距為1 500 mm×4 000 mm；幫錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強全螺紋錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm。為加強巷幫支護，煤柱側巷幫為每隔一排，第1根、第5根為幫錨桿，第2、3、4根為幫錨索支護。頂W鋼帶規格為4 400 mm×220 mm×4 mm，幫W鋼帶規格為3 700 mm×220 mm×4 mm。對2-5012回風巷進行現場監測，結果表明巷道圍巖整體變形量較小，錨桿(索)可以起到有效的支護作用，滿足礦方的安全生產需求。