義棠城峰煤業薄煤層回采巷道支護設計研究

鄧東杰

(山西介休義棠城峰煤業有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概況

義棠城峰煤業位于山西省晉中市介休市，主采的1號煤層厚度較小，平均厚度僅為1.05 m。已揭露煤層傾角變化為20～28°，平均24°，煤層較為穩定。如表1所示，煤層上方為0～2.27 m的砂質泥巖及6.03～12.15 m的粗粒砂巖。煤層底板為均厚6.27 m的粉砂巖。

表1 煤層頂底板巖性

通過對1號煤層進行煤質分析，可知1號煤層為焦煤，屬特低灰-低灰、低硫、低熱值-特高熱值煤。由于1號煤層厚度較小，施工空間有限，一旦巷道支護不合理導致圍巖失穩引發事故，極難處理[1-4]。通過研究1號煤層回采巷道支護形式，對有效回采1號煤層的優質煤炭資源意義重大。

2 回采巷道支護方案設計

2.1 錨桿支護形式與參數設計

根據檢測報告數據，頂板巖層平均容重為26.3 kN/m3，兩幫巖層容重為14 kN/m3，頂板巖體的普氏系數為2.1，兩幫內摩擦角為47.9°。結合公司以前的工程實際，選用錨桿桿體的牌號為MG335。根據普氏理論，巷道兩幫及頂板錨固參數確定如圖1所示。

圖1 錨固參數計算

如圖1所示：

(1)

式中：b1為普氏免壓拱高度，m；a＇為兩幫滑動三角體上寬，m；B＇為巷道等效跨度，m；B為巷道掘進的跨度，3.4 m；H為巷道高度，2.4 m；φb為巖層內摩擦角，45°；fd為頂板巖體普氏系數，取2.1。

經計算可得：b1=1.249 m，a＇=0.924 m，B＇=5.248 m。

2.1.1 頂錨桿支護參數

1) 頂錨桿長度。錨桿長度可由下式計算：

l=l1+l2+l3

(2)

式中：l為頂錨桿長度，m；l1為外露長度，0.1 m；l2為有效長度，參考免壓拱高度，取1.249 m；l3為錨入堅硬巖層的長度，m。

其中l3可由下式計算：

(3)

式中：d為錨桿直徑，0.018 m；σt為錨桿抗拉強度，455 MPa；τa為錨桿與樹脂的粘結強度，3.5 MPa。

計算可得：l3=0.585 m，l=1.93 m。

2) 頂板錨桿間排距。錨桿間排距可由下式計算：

(4)

式中：a為錨桿間排距，m；Q為頂錨桿錨固力，85 kN；K為安全系數，1.65；γd為頂板巖層容重，26.3 kN/m3。

代入數據計算可得：a=1.252 m。

綜合考慮《設計規范》及義棠城峰煤業地質條件和施工條件，考慮到一定的安全系數，確定頂錨桿長度為2 m，間排距為800 mm×800 mm，靠近巷幫的錨桿與垂直方向呈15°夾角，其余頂板錨桿垂直布置。

2.1.2 幫錨桿參數設計

1) 幫錨桿長度。幫錨桿長度同樣可由公式(2)計算，但是幫錨桿有效長度l2參考巷幫滑動三角體上寬，取0.924 m，計算可得幫錨桿長度l＇=1.609 m。

總側壓計算可得：P=qcH=32.849 kN。

錨桿布置密度為n=P/Q＇=0.208。

式中：Q＇為幫錨桿錨固力，85 kN。

綜合考慮《設計規范》及義棠城峰煤業地質條件和施工條件，考慮一定的安全系數，確定幫錨桿長度為2 m，間排距為1 000 mm×800 mm，靠近巷幫的錨桿與垂直方向呈15°夾角，其余幫錨桿垂直布置。

2.2 錨索支護參數設計

根據現場頂板巖層鉆孔柱狀圖可知，錨索的錨固段應處于煤層上方粗粒砂巖層中，因此，錨索長度設計為6.2 m。

頂板荷載集度為：q=γbb1=32.849 kN/m。

社會網絡是由作為節點的社會行動者(social actor)及其間的關系構成的集合[15]。在一個社會網絡中，節點指代社會行動者，節點間連線寓含行動者間的關系。社會網絡分析(social network analysis)是以行動者及其間的關系為“原材料”，利用制圖、數量統計分析等技術可視化行動者間的社會關系結構。社會網絡分析方法廣泛被運用于文獻計量學進行共詞網絡分析、合著網絡分析、引文網絡分析以期了解某學科或領域的研究現狀而受到研究者們的喜愛，筆者借鑒該方法將正念療法高頻關鍵詞共現矩陣導入Ucinet 6.0構建社會網絡圖譜，而后分析，見圖3。

因此，頂板錨索間排距設計為1 000 mm×2 400 mm，每排布置兩根錨索。

3 現場應用

3.1 支護方案

為驗證前述支護設計是否合理，在義棠城峰煤業010105回采巷道進行現場試驗，巷道斷面為矩形，斷面尺寸為凈寬×凈高=3.2 m×2.2 m，按照前述設計，010105回采巷道支護形式如圖2所示，頂錨桿選用D18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索規格為D17.8 mm×6 200 mm，間排距為1 000 mm×2 400 mm。

圖2 巷道支護方案(mm)

3.2 現場監測

為驗證巷道支護方案是否合理，考慮到回風巷道機械設備較少，更容易布置監測儀器及收集監測數據，因此在010105回風巷布置3個綜合測站，每個測站都包括兩個巷道圍巖變形監測點、1個錨桿工作阻力監測點、1個錨索工作阻力監測點及1個頂板離層觀測斷面，現場監測曲線如圖3所示。

如圖3(a)所示，工作面回采期間巷道頂底板及兩幫均產生了變形。工作面開采到距測站60 m左右時巷道開始產生變形，并隨著工作面的不斷推進，變形量逐漸變大，工作面開采過測站50 m后巷道基本不再變形。由觀測數據可知，測站一巷道最終頂底板移近量為130 mm，兩幫移近量為94 mm；測站二最終頂底板移近量為140 mm，兩幫移近量為99 mm；測站三巷道最終頂底板移近量為120 mm，兩幫移近量為96 mm。總體看，巷道頂底板移近量略大于兩幫移近量，變形量在允許變化范圍之內。

如圖3(b)所示，工作面開采到距測站30 m左右時巷道圍巖變形速度開始變大，由觀測數據可知，測站一巷道頂底板最大移近速度為11 mm/d，兩幫最大移近速度為9 mm/d；測站二巷道頂底板最大移近速度為13 mm/d，兩幫最大移近速度為8.4 mm/d；測站三巷道頂底板最大移近速度為12.5 mm/d，兩幫最大移近速度為7 mm/d。當工作面采過測站5～20 m時變形速度迅速減小，說明工作面開采后后方有一定范圍的卸壓區。工作面采過測站40 m后，變形速度逐漸減小。

圖3 現場監測曲線圖

如圖3(c)所示，工作面開采初期時，各測站錨桿、錨索測力計讀數一直沒有變化，當工作面開采到距測站30～40 m時，由于受到工作面采動的影響，測力計讀數才開始變化，并隨著工作面的開采，錨桿、錨索受力逐漸增大，當工作面采過測站30 m后測力計讀數不再變化。

如圖3(d)所示，工作面開采期間，巷道頂板淺部和深部均產生了離層。從觀測數據可以看出，測站一巷道淺基點最大離層量是12 mm，深基點最大離層量是20 mm；測站二巷道淺基點最大離層量是8 mm，深基點最大離層量是25 mm；測站三巷道淺基點最大離層量是10 mm，深基點最大離層量是28 mm。總體離層量較小，說明支護效果較好。

通過現場監測數據顯示，巷道整體變形量不大，頂板巖層也沒有離層失穩的隱患，錨桿(索)工作狀態良好，可以起到有效的支護作用，表明支護方案合理，可以滿足現場的安全生產需求。

4 結 語

薄煤層開采空間小，施工空間有限，一旦巷道圍巖失穩發生事故，極難處理。以義棠城峰煤業為工程背景，采用理論計算、工程類比等方法，確定了義棠城峰煤業1號煤層回采巷道支護參數如下：頂錨桿選用D18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索規格為D17.8 mm×6 200 mm，間排距為1 000 mm×2 400 mm。并在010105工作面進行現場試驗，通過對010105回風巷圍巖變形量、錨桿(索)受力及頂板離層進行現場監測，結果表明：巷道整體變形量不大，頂板巖層也沒有離層失穩的隱患，錨桿(索)工作狀態良好，可以滿足現場的安全生產需求。