深部工作面回采巷道錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張海驕，孫樂(lè)樂(lè)，曹建國(guó)

（1.淮河能源礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)公司，安徽 淮南；2.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南）

1 工程概況

張集礦東三11-2 煤采區(qū)1511 工作面煤層頂?shù)装鍘r性分布見(jiàn)表1。

表1 巖層分層厚度

1511 工作面沿11-2 煤頂板掘進(jìn), 砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),砂質(zhì)含量不均。1511 主要受到頂板砂巖裂隙水影響,對(duì)于頂板砂巖裂隙水,會(huì)降低錨索網(wǎng)支護(hù)效果,對(duì)于該區(qū)域加強(qiáng)錨桿索支護(hù)密度和礦壓觀測(cè), 變形較大區(qū)域可適當(dāng)增設(shè)木點(diǎn)柱,綜上所述,1511 比較適合采用錨索網(wǎng)支護(hù)。

2 理論設(shè)計(jì)

為滿足通風(fēng)、行人、運(yùn)輸及安全生產(chǎn)的需要,16118運(yùn)順設(shè)計(jì)為寬×高=5400×3800 mm 的矩形斷面, 有效斷面為20.52 m。

2.1 支護(hù)斷面設(shè)計(jì)

考慮到該工作面采用綜采方式回采, 根據(jù)煤巖層傾角,并考慮一定的巷道變形富余量,回采巷道設(shè)計(jì)斷面為近矩形:凈寬×凈高=5.2×3.9 m。

2.2 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 頂板破碎帶高度

式中:R0-巷道的掘進(jìn)半徑,取2.6 m;

γ-巖體容重,取26.12 KN/m3;

Z-巷道埋深,取738.1 m;

φ-巖體內(nèi)摩擦角,取39.27°;

C-巖體內(nèi)聚力,取8.62 MPa;

h-等效圓中心至頂板的距離,取1.95 m;

Rp-巖體破碎帶半徑,計(jì)算得2.63 m;

計(jì)算得巖體破碎帶高度為0.68 m。

(2) 頂板錨桿長(zhǎng)度

式中:L1-錨桿外露(煤巖體)長(zhǎng)度,取0.1 m;

L2-錨桿伸入破碎帶外的長(zhǎng)度,取0.5 m;

D-巖體破碎帶高度D,取0.68 m。

將數(shù)值代入得錨桿長(zhǎng)度為1.28 m。設(shè)計(jì)頂板錨桿長(zhǎng)度選擇為大于1.28 m 即可,選用錨桿長(zhǎng)度2.5 m,直徑Φ20 mm,符合要求。

(3) 錨桿錨固力與錨固長(zhǎng)度

據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則[4]:

式中:P-煤層頂板單根錨桿錨固力,KN;

Pq-錨桿的屈服強(qiáng)度,335 MPa;

a-錨桿直徑,取20 mm。

由式(3)計(jì)算結(jié)果可知:頂板單根錨桿錨固力至少為105.19 KN。

頂板錨桿錨固長(zhǎng)度:

式中:P-錨桿錨固力,100 KN;

d-錨桿孔徑,30 mm;

p-樹(shù)脂與頂板粘結(jié)強(qiáng)度,6.5 MPa。

實(shí)際錨固長(zhǎng)度為700 mm>163.3 mm,滿足需求。

(4) 支護(hù)密度及間排距

式中:K 取1.7；D 取最大0.68 m；γd取26.12 KN/m3；Pq取335 Mpa。設(shè)計(jì)錨桿間排距為[1]:750 mm×800 mm,滿足要求。

(5) 錨桿托盤

選用與錨桿體配套的M 形金屬托盤,托盤的承載力應(yīng)不小于165 KN。頂板錨桿支護(hù)參數(shù)為:錨桿選材為:Φ20 mm、L=2 500 mm 左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為750 mm×800 mm,錨固力不得小于100 KN[2]。

2.3 幫部錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 幫錨桿長(zhǎng)度

幫錨桿長(zhǎng)度計(jì)算見(jiàn)式(6)：

式中:C 為圍巖破壞范圍,其計(jì)算表達(dá)式為:

式中:H-巷道埋深,取738.1 m;

Ks-巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù),按巷道斷面形狀確定,矩形取2.3,斜矩形取2,拱形取1.5;

f-煤體普氏系數(shù),(根據(jù)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,取0.81);

φ-煤體內(nèi)摩擦角,取38°;

γ-巷道上覆巖層的平均容重,(根據(jù)《張集礦開(kāi)采煤層圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估與研究》,取26.12 KN/m3);

h-煤層厚度或被巷道切割的煤層厚度,(根據(jù)地質(zhì)資料,取煤層平均厚度3 m);

Ka-采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù),計(jì)算得0.95。

(2) 幫錨桿直徑

錨桿采用Ф20 mm、L=2 500 mm。其錨桿直徑計(jì)算式為:

式中:P-煤層頂板單根錨桿錨固力,KN;

Pq-錨桿的屈服強(qiáng)度,335 Mpa;

a-錨桿直徑,mm。

由上述計(jì)算結(jié)果為19.5 mm,取Ф 為20 mm 滿足安全需求。

(3) 錨桿錨固力與錨固長(zhǎng)度

根據(jù)式(3):Pq取400 Mpa;a 取22 mm。經(jīng)計(jì)算,計(jì)算得幫部單根錨桿錨固力為152 KN。幫部錨桿錨固長(zhǎng)度根據(jù)式(4), 式中:P 取80 KN;d 取32 mm;p 取2 MPa,由式得幫部錨桿錨固長(zhǎng)度為398 mm,幫部錨桿采用1 卷K2550 和1 卷Z2860 經(jīng)過(guò)計(jì)算確定錨固長(zhǎng)度為1 440 mm。

(4) 幫錨桿間排距

根據(jù)式(5):K 取1.7;D 取最大0.68 m;γd取13.328 KN/m3;Pq取335 MPa;得PS=0.13 根/m2,幫間距取800 mm,所以其排距a 為:

設(shè)計(jì)錨桿間排距為:750 mm×800 mm,滿足要求。

2.4 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 冒落拱高度

冒落拱高度計(jì)算式為:

式中:Lb-冒落拱高度,m;

B-巷道跨度,取5.2 m;

f-頂板巖石的堅(jiān)固性系數(shù),(根據(jù)《張集礦開(kāi)采煤層圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估與研究》,取5.85)。

故計(jì)算可得冒落拱高度為0.44 m。

(2) 錨索長(zhǎng)度

式中:L-為錨索總長(zhǎng)度,m;

La-錨索外露長(zhǎng)度,m;根據(jù)圍巖情況取0.3 m;

Lb-冒落拱高度,計(jì)算得0.44 m;

Lc-錨索錨固長(zhǎng)度,m;根據(jù)圍巖情況取1.2 m。

計(jì)算得錨索的長(zhǎng)度為1.94 m。采用工程類比法,設(shè)計(jì)錨索長(zhǎng)度選擇大于1.94 m 即可,故選用6.3 m 滿足要求。

(3) 錨索間排距的確定

根據(jù)式(5),K 取1.7;D 取0.68 m;γd取26.12 KN/m3；fa取1 860 Mpa;a 取22 mm。計(jì)算結(jié)果得Ps=0.04根/m2,取頂板錨索間距1.1 m,結(jié)合實(shí)際巷道寬度,錨索間排距取1 100 mm×800 mm。

(4) 錨索布置方式

根據(jù)本礦同類型煤巷支護(hù)經(jīng)驗(yàn), 錨網(wǎng)斷面為矩形斷面,凈寬×凈高=5 200×3 900 mm。

頂板采用Ф20 mm×2 500 mm 規(guī)格的錨桿,間距×排距為750 mm×800 mm; 幫部采用Ф20 mm×2 500 mm 規(guī)格的錨桿,間距×排距為750 mm×800 mm;錨索規(guī)格為L(zhǎng)×Ф=6 300 mm×22 mm,錨索選用應(yīng)保證錨固段在穩(wěn)定巖層中, 錨索間排距為1 100 mm×800 mm[3]。

3 支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬

幫部錨桿參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

根據(jù)地質(zhì)條件,建立長(zhǎng)250 m 高150 m,沿巷道掘進(jìn)方向長(zhǎng)100 m 的三維計(jì)算模型,并對(duì)所研究巷道部分圍巖網(wǎng)格進(jìn)行加密,見(jiàn)圖1。

圖1 模型

根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果及煤礦同類型巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn),設(shè)置三種幫部錨桿支護(hù)方案:

方案1: 左右兩幫錨桿數(shù)量5 根, 間排距為900×800 mm, 頂板錨桿數(shù)量為7 根, 間排距為750×800 mm,頂板錨索數(shù)量為3 根,間排距為1 100×800 mm；方案2: 左右兩幫錨桿數(shù)量6 根, 間排距為750×800 mm,頂板錨桿數(shù)量為7 根,間排距為750×800 mm,頂板錨索數(shù)量為3 根,間排距為1 100×800 mm;方案3:左右兩幫錨桿數(shù)量7 根,間排距為600×800 mm,頂板錨桿數(shù)量為7 根,間排距為750×800 mm,頂板錨索數(shù)量為3 根,間排距為1 100×800 mm;具體布置情況見(jiàn)圖2-圖4[4]。

圖2 方案1 錨桿(索)支護(hù)情況

圖3 方案2 錨桿(索)支護(hù)情況

圖4 方案3 錨桿(索)支護(hù)情況

選擇方案1 時(shí),巷道圍巖塑性破壞范圍較大;在方案2 與方案3 支護(hù)情況下, 巷道圍巖塑性破壞范圍較小,兩幫分別為1.45 m、1.36 m,頂板分別為1.08 m、1.02 m,底板分別為1.11 m、1.03 m;方案2 與方案3相比,其圍巖塑性破壞范圍較方案3 大,但相差不大。

綜合考慮安全因素與經(jīng)濟(jì)效益, 選定方案2 作為巷道幫部支護(hù)方案。

得出優(yōu)化后的方案分別為:

頂部錨桿參數(shù)優(yōu)化:頂板錨桿數(shù)量7 根,間排距為750×800 mm, 左右兩幫錨桿數(shù)量為6 根, 間排距為750×800 mm,頂板錨索數(shù)量為3 根,間排距為1 100×800 mm[5]。

錨索參數(shù)優(yōu)化: 頂板錨索數(shù)量3 根, 間排距為1 100×800 mm,3-3-3 布置,兩幫錨桿數(shù)量為6 根,間排距為750×800 mm, 頂板錨桿數(shù)量為7 根, 間排距為750×800 mm。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)包括三部分:

第一部分由錨桿和M5 鋼帶組成。M5 鋼帶安裝在巷道中部,每根M5 鋼帶上安裝7 根錨桿,頂板錨桿規(guī)格:Φ20×2 500 mm,頂板鋼帶長(zhǎng)度為4 800 mm。錨桿材質(zhì)均為20MnSi。

第二部分由14#槽鋼和錨索組成。均使用2 600 mm 長(zhǎng)14#槽鋼, 布置方式為“3-3-3”, 錨索規(guī)格為:Φ22×6 300 mm。

第三部分是金屬網(wǎng),采用10#金屬網(wǎng)。幫部支護(hù)結(jié)構(gòu)包括兩部分:

第一部分由錨桿和M5 鋼帶組成。幫部鋼帶采用豎直和沿走向布置,豎直布置的巷幫M5 鋼帶長(zhǎng)度為2 500 mm,其上布置5 根錨桿。

第二部分是10#金屬網(wǎng)。幫部網(wǎng)至底角,網(wǎng)應(yīng)封閉頂幫巖媒體,相鄰網(wǎng)搭接長(zhǎng)度不得低于100 mm,連網(wǎng)扎扣間距不超過(guò)200 mm。

5 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工及地質(zhì)情況, 進(jìn)行理論分析并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,確定了相關(guān)的力學(xué)參數(shù),用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,經(jīng)合理化分析,與不同方案的對(duì)比,最后確定了更為合理的支護(hù)方案,并進(jìn)行了優(yōu)化,