葉定陽(yáng) 劉長(zhǎng)武 劉 洋 何 濤

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065)

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，充填采礦［1］在我國(guó)就有一定應(yīng)用。充填開(kāi)采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空區(qū)，達(dá)到控制巖層運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。充填開(kāi)采通過(guò)對(duì)工作面后方采空區(qū)實(shí)施充填，能夠有效控制地表開(kāi)采沉陷，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)地下水資源不受破壞，提高煤炭資源采出率，改善礦山安全生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)不搬遷采煤，解放村莊建筑物下、鐵路下、水體下煤炭資源，很好地解決了“三下”壓煤的開(kāi)采問(wèn)題。

冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“邢臺(tái)礦”)六采區(qū)采煤層為厚煤層，煤層中下部有0.3 m厚夾矸，把煤層分為上下2個(gè)自然分層，上分層回采并已經(jīng)充填，下分層廢棄。邢臺(tái)礦經(jīng)過(guò)42 a的高強(qiáng)度開(kāi)采，到2009年底，剩余可采儲(chǔ)量只有2 256.1萬(wàn)t。為了延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，同時(shí)開(kāi)采出大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭，邢臺(tái)礦將對(duì)廢棄的煤炭進(jìn)行回采，不僅產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有益于公司可持續(xù)發(fā)展。

充填體在長(zhǎng)期礦山地壓力下重新膠結(jié)形成人工再生頂板。人工再生頂板層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育，易離層，抗彎能力差，性脆易冒，極難管理。在人工再生頂板條件下，大跨度切眼支護(hù)［2-3］中采用“木架棚+錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，能很好地管理頂板。

現(xiàn)以邢臺(tái)礦7608(底)工作面的切眼為例，介紹“木架棚+錨索”聯(lián)合支護(hù)在大跨度切眼中的應(yīng)用。

1 工作面地質(zhì)概況

7608(底)工作面為六采區(qū)南部綜采工作面，該工作面地面位置位于邢臺(tái)礦工業(yè)廣場(chǎng)東南處，井下位置西北為7614充填工作面采空區(qū)，西南為22319工作面采空區(qū)，東南為F13斷層，東北為7609工作面采空區(qū)。地面標(biāo)高為+84 m，工作面標(biāo)高為－280～－360 m。

工作面采煤層為2#煤，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)厚煤層，走向長(zhǎng)659 m，傾向長(zhǎng)80 m，面積52 366 m2，煤層傾角2～14°，平均傾角9°;煤層平均厚度為6.14 m，上分層平均厚度為3.14 m已回采完畢，現(xiàn)剩余煤厚平均為3.0 m，含0.3 m夾矸，煤層為一單斜構(gòu)造。工作面所采煤層上部直接頂為粉砂巖和矸石與粉煤灰混合充填物，厚度7.7 m，其中開(kāi)采上分層3.14 m煤層時(shí)充填的矸石與粉煤灰混合充填物厚度約3.14 m，形成的人工再生頂板固結(jié)程度較低，如圖1所示。煤層頂、底板的地質(zhì)情況見(jiàn)表1。

圖1 人工再生頂板固結(jié)狀況Fig.1 Consolidation state of artificial regenerated roof

表1 工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征Table1 Lithology characteristics of the coal's roof and floor

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

7608(底)綜采工作面巷道頂板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為人工再生頂板，切眼為矩形斷面，切眼寬度8.4 m，高度3.0 m，屬于大跨度斷面，進(jìn)一步增加了支護(hù)的難度;切眼分2次施工，先掘4.4 m×3.0 m，然后在采面推進(jìn)方向再擴(kuò)挖4.0 m×3.0 m斷面，以滿(mǎn)足綜采支架安裝需要。

2.1 切眼塌落拱與荷載計(jì)算

松散破碎圍巖條件下，采用普氏壓力拱理論［4］對(duì)頂板塌落拱高度和頂部荷載進(jìn)行估算是比較合適的。根據(jù)該理論，可求得支護(hù)所需承擔(dān)的荷載集度。

根據(jù)礦井提供的地質(zhì)資料，2#煤的內(nèi)摩擦角為27°，由于2#煤為比較松碎1/3焦煤，不考慮煤體的黏結(jié)力，換算內(nèi)摩擦角k仍取27°，由式(1)可求得塌落拱的跨度4.039 m，如圖2中A、B所示:

式中，b1為洞室跨度之半，2.2 m;b2為塌落拱跨度之半，m;h0為切眼的高度，3.0 m;k為換算內(nèi)摩擦角，27°。

圖2 普氏壓力拱計(jì)算荷載Fig.2 Schematic diagram of arch's load calculation

由于人工再生頂板固結(jié)較差，另根據(jù)礦井實(shí)測(cè)地質(zhì)資料，人工頂板上覆巖層3 m范圍內(nèi)破壞相對(duì)嚴(yán)重，3～10 m巖石完好，為了安全起見(jiàn)，fk取兩者較小值，取fk=0.5，計(jì)算求得塌落拱高度

巷道上方的實(shí)際塌落拱為拋物線(xiàn)形，巷道中點(diǎn)處的塌落拱高度最大，越靠近巷道幫部，塌落拱高度越小，因此巷道頂部中點(diǎn)處的荷載集度最大。為了安全起見(jiàn)，荷載集度都按最大塌落拱高度考慮，拱頂最大荷載集度

式中，qmax為拱頂最大荷載集度;γ1為直接頂粉砂巖的容重，26 kN/m3;γ2為人工再生頂板的容重，15 kN/m3;h1為拱軸線(xiàn)上粉砂巖塌落高度，4.938 m;h2為人工再生頂板的厚度，3.14 m。

計(jì)算得到塌落拱最大高度和拱頂最大荷載集度，也就獲得了“木架棚+錨索”支護(hù)所要承擔(dān)的最大荷載，從而為確定合理支護(hù)參數(shù)提供了依據(jù)。

2.2 木架棚及錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

受大斷面切眼開(kāi)挖影響形成如圖2所示的塌落拱，由于塌落拱高度較大，人工再生頂板固結(jié)較差，在開(kāi)挖面不能形成良好的承載面，單一的架棚或錨索難以完全承受上覆破碎巖層，為了保證切眼的安全要求，采用“木架棚+錨索”聯(lián)合支護(hù)。先采用木架棚支護(hù)3.14 m人工再生頂板，然后采用錨索整體補(bǔ)強(qiáng)加固。

根據(jù)《煤礦支護(hù)手冊(cè)》［5］中的相關(guān)規(guī)定，采用木架棚支護(hù)的巷道跨度大于4.5 m時(shí)，圓木直徑應(yīng)大于220 mm，此處采用D＞240 mm東北落葉松圓木構(gòu)建木架棚，支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 木架棚支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of wooden shed's structure

按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的求解方法［6］，將此支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化、拆分，各主要部件的受力情況如圖4所示。

圖4 木架棚結(jié)構(gòu)受力Fig.4 Schematic diagram of wooden shed's stress

按照材料力學(xué)［7］抗彎強(qiáng)度的公式，在圓木容許抗彎強(qiáng)度下，可求得木架棚橫梁的合理間距

式中，M為橫梁中最大彎矩，kN·m;Wz為彎曲截面系數(shù)，對(duì)于圓形截面，Wz=(1/32)πD3;圓木容許抗彎強(qiáng)度［σ］為59 MPa。

由結(jié)構(gòu)力學(xué)［6］可知，梁中最大彎矩M在橫梁中部，

式中，q為橫梁上均布荷載，q=γ2bh2，b為最大橫梁間距。

將圓木容許抗彎強(qiáng)度代入式(4)可求得最大橫梁間距為0.887 m，從木架棚結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性考慮，橫梁合理間距取為0.7 m，橫梁最大彎矩計(jì)算為63.33 kNm，彎曲應(yīng)力為46.68 MPa，橫梁最大彎曲應(yīng)力小于容許抗彎強(qiáng)度，橫梁滿(mǎn)足抗彎強(qiáng)度要求。

對(duì)于棚腿AB，受到彎矩和軸力的共同作用，依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，可以求得其最大應(yīng)力位于端部A處，且最大值為80 kN·m，由式(4)可知，

棚腿滿(mǎn)足抗彎強(qiáng)度要求。

對(duì)于棚腿CD，只受到單一的軸力作用，軸力為72.1 kN，根據(jù)材料力學(xué)［7］抗壓強(qiáng)度公式，軸向應(yīng)力

小于容許抗壓強(qiáng)度(28.8 MPa)，棚腿滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度要求。

式中，F(xiàn)為棚腿承受壓力，kN;A為棚腿截面積，A=(1/4)πD2，mm2。

由于棚腿AB所受軸力小于棚腿CD所受軸力，因此棚腿AB也滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度要求。

木架棚棚腿相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，除強(qiáng)度條件需要校核外，還需對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

采用歐拉公式［7］計(jì)算理想壓桿的臨界應(yīng)力:

式中，λ為柔度，λ=(μL)/i;i為實(shí)心圓的慣性半徑，i=(1/4)D;棚腿簡(jiǎn)化為一端固支、一端自由，則μ= 2;E為東北落葉松圓木彈性模量，E=10 GPa。

通過(guò)式(8)可得臨界壓力為9.86 MPa，σc＜σcr，棚腿滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

根據(jù)錨索設(shè)計(jì)規(guī)范［8］，確定合理的錨索支護(hù)參數(shù)。錨索外露長(zhǎng)度L1為0.6 m，采動(dòng)影響的極限高度L2為6.2 m(根據(jù)礦山實(shí)測(cè)地質(zhì)資料，人工再生頂板上覆巖層3 m范圍內(nèi)破壞相對(duì)嚴(yán)重，3～10 m巖石完好)，堅(jiān)硬老頂層錨固段長(zhǎng)度取1.5 m，錨索長(zhǎng)度

為了施工過(guò)程安全，取L為9.0 m。

為了確定錨索排距，需要計(jì)算出潛在垮落趨勢(shì)的危巖荷載W和危巖潛在下滑趨勢(shì)時(shí)的摩擦阻力FZ。

采用式(10)計(jì)算潛在垮落趨勢(shì)的危巖荷載:

式中，W為危巖荷載，kN;B為巷道跨度，B=2b1，m; b為錨索最大排距，m。

潛在垮落趨勢(shì)的危巖有潛在下滑趨勢(shì)，危巖還受到巖壁對(duì)它產(chǎn)生的摩擦阻力FZ，采用式(11)計(jì)算:

將式(10)和式(11)所得結(jié)果代入式(12)，可得到最大錨索排距為1.63 m，為了施工過(guò)程安全，錨索排距取為1.60 m:

式中，Y為錨索極限承載能力，便于取材，采用礦上常用20 t錨索。

2.3 切眼支護(hù)布置

切眼初次開(kāi)挖成巷，采用木架棚上覆金屬網(wǎng)支護(hù)。木架棚采用直徑大于240 mm的東北落葉松圓木構(gòu)建，橫梁間距0.7 m;木架棚腿仍采用直徑D＞240 mm東北落葉松圓木，斜腿長(zhǎng)3.2 m，直腿長(zhǎng)3.0 m。頂板打設(shè)錨索，錨索采用15.24mm的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度9.0 m，組距4.0 m，邁步布置，錨固力大于200 kN;使用長(zhǎng)度2.4 m的14#槽鋼做鋼帶，托盤(pán)為200 mm×80 mm×20 mm的鋼板。

切眼二次擴(kuò)挖時(shí)，初次開(kāi)挖4.4 m×3.0 m巷道已經(jīng)成型并支護(hù)，在良好的支護(hù)條件下，二次開(kāi)挖成巷仍采用與第一次相同的支護(hù)參數(shù)。

3 支護(hù)效果分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)對(duì)位移量觀測(cè)和分析，開(kāi)始有一些變形(在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi))，采取錨索支護(hù)作為補(bǔ)強(qiáng)措施，錨索受力穩(wěn)定，只在很小的幅度內(nèi)波動(dòng)，控制在安全范圍內(nèi)。

“木架棚+錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)顯著提高了巷道支護(hù)效果，極大地改善了人工再生頂板下綜采工作面切眼支護(hù)情況，簡(jiǎn)化了工作面綜采設(shè)備的安裝，確保了工作面設(shè)備安裝的安全，有利于綜采面快速安裝，實(shí)現(xiàn)了礦井的高效生產(chǎn)。

采用“木架棚+錨索”聯(lián)合支護(hù)，解決了人工再生頂板層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育，易離層，抗彎能力差，性脆易冒，巷道圍巖變形量大的難題，能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需要。雖然采用木架棚支護(hù)需要大量的圓木，但能及時(shí)有效地控制頂板下沉，滿(mǎn)足支護(hù)強(qiáng)度，保證大斷面切眼的人工再生頂板安全，為綜采工作面切眼安裝設(shè)備創(chuàng)造了良好條件。在充填開(kāi)采下，采用鋼梁和單體液壓支柱不便于回收，而木材價(jià)格低廉，減少了支護(hù)材料的丟失浪費(fèi)。

隨著綜采工作面裝備機(jī)械化程度提高，大功率、大體積的設(shè)備投入使用，大跨度切眼巷道支護(hù)是煤礦急需解決的難題，“木架棚+錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)于充填開(kāi)采大跨度巷道具有借鑒作用。

4 結(jié)論

通過(guò)7608(底)工作面切眼聯(lián)合支護(hù)的成功使用，為人工再生頂板條件下推廣聯(lián)合支護(hù)技術(shù)提供了必要的經(jīng)驗(yàn)，使得該項(xiàng)技術(shù)在邢臺(tái)礦可以廣泛推廣使用。實(shí)踐證明，人工再生頂板巷道中推廣使用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠，可以最大限度地保持頂板的穩(wěn)定性、完整性，限制人工再生頂板的變形、位移和裂隙的發(fā)展，保證了工程質(zhì)量。

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