極近距離煤層回采巷道聯合支護技術研究

拜 敬

(山西蘭花集團 莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048000)

隨著錨桿支護理論的不斷完善和錨桿支護材料的不斷發展，錨桿支護已成為巷道永久支護的主要方式。山西蘭花集團莒山煤礦二采區10號煤層工作面回采巷道目前仍采用工字鋼棚支護，棚間距為0.8 m，缺乏理論依據，受9號煤層采空區及工作面動壓的影響，工作面順槽的變形量較大，嚴重制約10號煤層的安全高效生產。為解決10號煤層回采巷道的安全高效支護問題，以10207工作面回風順槽為研究背景，對巷道支護方案與支護參數進行研究。

1 工程概況與支護思路

1.1 開采地質條件

二采區10號煤層平均厚度1.7 m，距離上方9號煤層采空區的距離平均5.0 m，煤層頂板為泥巖和砂質泥巖，計劃開掘的10號煤層工作面順槽布置于9號煤層采空區下方。新掘的10207工作面回風順槽沿煤層頂板布置，采用梯形斷面，頂凈寬3.6 m，底凈寬4.6 m，凈高2.5 m.

1.2 支護思路

由于9、10號煤層的層間距近，受9號煤層采空區及煤柱的影響，10號煤層巷道掘進及工作面回采可能遇到圍巖壓力大、圍巖破碎、巷道變形量大等問題。但考慮到10號煤層頂板完整性較好，可以考慮采用U型鋼棚+錨桿的聯合支護方式。

2 U型鋼棚支護技術

2.1 支護材料材質

常用的礦用U型鋼棚有18U、25U、29U，材質有16 Mn、20 MnK、20 MnVK等，其主要力學參數見表1.

表1 礦用U型鋼棚力學性能表

針對實際生產地質條件，在參考該礦已有巷道支護方式、參數及支護效果的基礎上，通過現場調研，依據巷道支護原理和支護設計原則，確定使用材質為20 MnK的礦用29U型鋼棚進行支護。

2.2 U型鋼棚所受壓力分析

使用U型鋼棚支護其跨距為巷道頂板寬度，使用29U型鋼，其屈服極限σs=355 MPa，抗拉強度σb=510 MPa，抗彎截面模量Wz=106.0 cm3.

U型鋼頂梁受到的均布載荷為[1-2]：

(1)

式中：

q—U型鋼所受巷道頂板的均部載荷，kN/m；

σmax—頂梁所受的最大應力，MPa，取σmax=σs；

Wz—抗彎截面模量，m3；

l—工字鋼棚頂梁跨長，m，取3.6.

將各參數代入式(1)，得：q=23.23 kN/m.

通過分析可知，一架跨長為3.6 m的礦用29U型鋼頂梁達到屈服極限時，其所受均布載荷約為23.23 kN/m，整架的載荷為Qs=23.23 kN×3.6=83.6 kN.

發生抗拉破壞時，將σb=510 MPa代入式(1)，得q=33.4 kN/m，整架棚的破壞載荷為Qb=120.2 kN.

根據資料說明，鋼廠軋制的鋼材強度通常高于標準規定，故其實際承載能力均高于計算數據，選用29U型鋼可以滿足支護要求。

2.3 頂板壓力分析

巷道頂板壓力按下式計算[3-4]：

(2)

式中：

Qd—單位長度內巷道頂板壓力，kN/m；

γ—頂板巖石容重，kN/m3；

f—頂板巖石的堅固性系數；

a—巷道半跨度，m.

10207工作面順槽掘進上部頂板寬度為3.6 m，考慮多重采動影響，上覆頂板巖層的普氏系數f取1，頂板巖石平均容重γ取16.5 kN/m3，將各參數代入式(2)中，得巷道頂板壓力為88 kN/m.

由上述計算結果可知，采用跨長3.6 m的U型鋼支護，最小工字鋼使用載荷為83.6 kN/m.此時，當棚距為1.0 m時，安全系數為n=83.6/(88.0×1.0)=0.95，顯然不滿足支護強度。當棚距為0.8 m時，安全系數為n=83.6/(88.0×0.8)=1.18，滿足支護強度要求。

3 錨桿支護參數

為確保工作面開采過程中巷道圍巖的穩定，需要進行進一步錨桿支護。結合以上分析，10號煤層工作面順槽支護的重點是對巷道頂板的支護，根據鉆孔窺視結果，頂板完整性較好，滿足錨桿支護的條件，初步計劃采用錨桿支護。因此，針對10號煤層的賦存條件，采用相關的理論計算方法對頂板及兩幫的錨桿參數進行計算。

3.1 巷道頂板破壞深度

頂板巖層的破壞深度b按相對于層理的法線計[5]，可根據下式求出：

(3)

式中：

a—底部巷道的半跨距，m，取2.3；

α—煤層傾角，(°)，取5；

C—兩幫破壞深度，m，根據實測數據，取0.35；

ky—待錨固巖層的穩定性系數，取1.3；

fn—錨桿加固后錨固巖層的硬度系數，考慮一定的弱化系數，取1.8.

計算可得，回風順槽的頂板破壞深度為1.13 m.

3.2 錨桿長度

頂錨桿長度按下式所示：

Lr=b+Δ

(4)

式中：

Δ—錨桿支護超出圍巖破壞范圍的長度和外露長度之和，m,取0.6.

計算可得,運輸順槽和回風順槽的頂錨桿長度為1.17 m.

4 巷道支護方案

根據礦井二采區10號煤層工作面順槽的布置方式、受力分析、已有相關近距離煤層支護方法及井田內的地質鉆孔柱狀，結合礦井井下實際揭露情況和采區內其他巷道的支護現狀，綜合分析確定10號煤層10207工作面回風順槽采用U型鋼棚與錨桿聯合支護方案。

頂板及幫部采用29U型鋼，棚距800 mm.

巷道頂板采用d22 mm×2 400 mm的高強度螺紋鋼錨桿加強支護，樹脂加長錨固，桿尾螺紋強化，屈服強度335 MPa，抗拉強度490 MPa，延伸率18%，屈服載荷186.3 kN.配套3 400×1 100型技術網用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相連。鋪設時保證網片間搭接100～200 mm，并用鐵絲連接牢靠。錨桿排距為800 mm，每排布置4根錨桿，間距為1 100 mm，錨桿全部垂直頂板安裝，錨桿預緊力扭矩不小于300 N·m.巷道支護斷面見圖1.

圖1 巷道支護斷面圖

5 應用效果

10207工作面回風順槽采用U型鋼與錨桿聯合支護后，掘進期間巷道頂板最大下沉量為65 mm，兩幫最大累計變形量為82 mm，回采期間工作面前方巷道最大累計變形量為185 mm，兩幫最大累計變形量為215 mm，整個服務期間U型鋼未出現破斷和明顯的變形，巷道錨桿未出現失效等情況，滿足了工作面安全通風及輔助運輸要求。

6 結 論

針對10207工作面回風順槽實際開采技術條件，提出了U型鋼與錨桿聯合支護技術。通過理論分析得出，單架跨長3.6 m的礦用29U型鋼達到屈服極限時的載荷為83.6 kN，達到抗拉極限時的載荷為120.2 kN，實際承載能力均高于計算數據。巷道頂板壓力為88 kN/m，確定U型鋼支護排距為0.8 m.頂板破壞深度為0.57 m，確定頂錨桿長度為1.17 m，在此基上，綜合分析確定了采用d22 mm×2 400 mm型錨桿支護。現場實踐表明，巷道支護方案合理，巷道圍巖得到了有效控制，可以滿足工作面通風及輔助運輸要求。