楊青云

（1.太原理工大學(xué)，山西　太原　030024； 2.山西省西山煤電西銘礦股份有限公司，山西　太原　030052）

1　2號煤層基本概況

1.1　工作面概況

如圖1所示，42208工作面井下位于西十二采區(qū)左翼，東為42022和42020采空區(qū)（距離約60～120m），南為實煤區(qū)（西銘與杜兒坪礦界），西鄰西十二左翼回風(fēng)巷，北為42206工作面（未采）。

工作面地面標(biāo)高為1 609～1 405m；蓋山厚度為1 076～1 104m，平均埋藏深度419m。42208工作面巷道全長671m，皮帶巷道斷面呈矩形，巷寬4.0m，巷高2.6m。

圖1　巷道平面布置示意圖

1.2　煤層及頂?shù)装鍡l件

2號煤層，俗稱“九尺煤”，煤層傾角在1°～4°之間，平均傾角為3°，厚度在1.6～2.1m之間，平均厚度為1.8m，屬于穩(wěn)定煤層。2號煤層上方頁巖偽頂，厚度在0.10～0.30m之間，平均厚度0.2m，灰及深灰色，裂隙發(fā)育，易冒落。其上部砂頁巖互層，厚度在1.00～2.45m之間，平均厚度為1.7m，以砂質(zhì)頁巖為主，下部含泥質(zhì)多，有滑面，含植物碎片化石。再往上是砂質(zhì)泥巖，厚度在2.74～4.17m之間，平均厚度3.72m，深灰-灰黑色，含植物化石碎片及黃鐵礦，采區(qū)西南部相變?yōu)榛野咨屑?xì)砂巖。上部為1號煤，厚度在0.70～0.58m之間，平均厚度0.63m，黑色，節(jié)理發(fā)育，俗稱“上三尺煤”。之上為泥巖，厚度在4.00～1.16m之間，平均厚度為2.60m，灰色粘土巖，質(zhì)純致密，底部顏色較深，含植物葉片化石。上部為中粒砂巖，厚度在15.18～0.8m之間，平均厚度8.00 m，灰白色，以石英長石為主，含黑色礦物，分選磨圓度好，上部粒度較細(xì)。

2號煤層直接底為細(xì)砂巖，厚度在5.30～1.71m之間，平均厚度2.62m，灰-深灰色，以石英長石為主，含黑色礦物較多，頂部含泥質(zhì)多，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖；老底為砂質(zhì)泥巖，厚度在3.80～1.72m之間，平均厚度2.76m，灰黑色，含植物化石碎片及黃鐵礦晶粒。

2　地質(zhì)力學(xué)測試與分析

2.1　圍巖強度測試

通過巷道圍巖結(jié)構(gòu)和強度測定，基本掌握了頂板各個巖層強度大小及結(jié)構(gòu)分布情況，觀測結(jié)果表明，盡管巷道圍巖強度較高，但是頂板圍巖呈現(xiàn)非連續(xù)不均質(zhì)的變化狀態(tài)，同一巖性不同位置的強度有較大差異，因此不能排除局部地段巷道頂板有圍巖強度發(fā)生大幅降低，同時受地質(zhì)構(gòu)造的影響也會對巷道圍巖強度產(chǎn)生較大影響，因此對煤礦工程設(shè)計而言，一方面要根據(jù)圍巖強度來進行有針對性的設(shè)計，同時設(shè)計還應(yīng)該具有一定安全系數(shù)，以此保證巷道整體安全可靠性[1]。

2.2　地應(yīng)力測試及分析

西十二采區(qū)2號煤地應(yīng)力測試結(jié)果如表1所示。

表1　西十二采區(qū)2號煤地應(yīng)力測量結(jié)果

針對西十二集中膠輪車巷170m和70m處地應(yīng)力測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

1）西銘煤礦西十二采區(qū)2號煤層測站最大水平主應(yīng)力為11.65MPa，最小水平主應(yīng)力為5.85MPa，垂直應(yīng)力為8.23 MPa。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30MPa為高應(yīng)力區(qū)；大于30MPa為超高應(yīng)力區(qū)。因此，可判定測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中等偏低應(yīng)力場[2]。

2）從測試結(jié)果來看，三個測點中，地應(yīng)力大小分布規(guī)律一致，在所測區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力場占優(yōu)勢，屬于構(gòu)造應(yīng)力場類型。

3）從最大水平主應(yīng)力方向來看，最大水平主應(yīng)力方向集中在北偏西方向，平均約為N54.8°E。

如圖2所示，最大水平主應(yīng)力理論認(rèn)為，巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差；當(dāng)兩者呈一定夾角時，巷道一側(cè)會出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會偏向巷道的某一幫。

圖2　水平應(yīng)力方向?qū)ο锏雷冃闻c破壞的影響

根據(jù)以上測試結(jié)果分析，西銘煤礦測試區(qū)域地應(yīng)力在量值上呈現(xiàn)中等應(yīng)力場，因此作用在巷道周邊的圍巖所處應(yīng)力量值上來看相對較低，圍巖變形和壓力不明顯，但是應(yīng)力場類型呈現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力場占主導(dǎo)。如圖3可以看出，42208皮帶巷巷道布置在北偏東75°上，最大水平主應(yīng)力方向北偏西54.8°，這說明42208皮帶巷從地應(yīng)力的角度來說巷道布置方向大致與最大水平方向存在一定夾角，兩者之間的夾角大小為50.2°，此時最大水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性存在一定的影響，考慮到最大水平應(yīng)力屬于中等偏低應(yīng)力場，故而其影響程度相對比較有限[3]。

3　錨桿與錨索力學(xué)參數(shù)

3.1　錨桿直徑

西十二采區(qū)2號煤層開采巷道不受采動影響，而且根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測試顯示，2號煤層頂板節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，圍巖應(yīng)力中等偏低，巷道斷面大小為10.4 m2，按照巷道斷面大小，可分為四種類型斷面，斷面積小于9.0m2稱為小斷面巷道；斷面積在9.0～15.0m2之間稱作中等斷面巷道；斷面積在15.0～20.0m2之間稱作大斷面巷道；斷面積超過20.0m2稱作特大斷面巷道采準(zhǔn)巷道的服務(wù)年限短，可判定屬于中等斷面巷道。根據(jù)上述錨桿選擇依據(jù)，42208工作面選擇直徑Φ20mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

圖3　巷道軸向和最大水平主應(yīng)力布置關(guān)系

3.2　錨桿長度

西十二采區(qū)2號煤層斷面面積大約10.4m2左右，屬于中等斷面，受到采動影響也比較小，巷道掘出后圍巖的破壞范圍小，錨桿的長度應(yīng)該能夠控制淺部圍巖的變形與破壞，參照錨桿長度選擇理論依據(jù)，2號煤巷道錨桿長度選擇2.0m比較合理。

3.3　錨桿力學(xué)參數(shù)

西十二采區(qū)2號煤層42208工作面巷道采用Φ20-M22-2000的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其鋼牌號為BHRB335，屈服強度335MPa，破斷強度490MPa，對應(yīng)的屈服載荷為105 kN，極限拉斷力154 kN。

3.4　錨索力學(xué)參數(shù)

根據(jù)42208工作面巷道服務(wù)年限和使用用途，以及西銘礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀測顯示，2號煤層頂板以泥質(zhì)砂巖為主，其圍巖結(jié)構(gòu)和強度相對較好，確定2號煤42208工作面選擇直徑Φ17.8-1×7-4300的低松弛高強度預(yù)應(yīng)力錨索[4]。

4　組合構(gòu)件與網(wǎng)的參數(shù)

4.1　組合構(gòu)件參數(shù)

按照組合構(gòu)件的選擇原則，西十二采區(qū)42208工作面巷道受到采動作用影響比較小，巷道支護難度小，組合構(gòu)件強度中等就比較適合。因此，可選擇寬度為220mm的窄鋼帶或者鋼筋梯梁作為錨桿支護組合構(gòu)件。

4.2　錨桿托板

根據(jù)西十二采區(qū)42208工作面巷道條件，錨桿桿體選擇為直徑20mm的335號高強錨桿，因此選擇120mm×120mm×8mm可調(diào)心拱形錨桿托板作為支護構(gòu)件，錨桿托板承載力不低于137 kN。

4.3　錨索托板

根據(jù)西十二采區(qū)42208工作面巷道條件，錨索索體選擇為直徑17.8mm的1×7股結(jié)構(gòu)的錨索，因此選擇250mm×250mm×12mm可調(diào)心拱形錨索托板作為支護構(gòu)件，錨索托板承載力不低于318 kN。

4.4　網(wǎng)的參數(shù)

根據(jù)西十二采區(qū)42208工作面巷道條件，考慮巷道頂板和兩幫支護狀況，建議選擇型號為50 mm×50mm，10號鐵絲編制的菱形網(wǎng)。

5　錨桿布置參數(shù)

按照巷道低支護密度原則，為了保證巷道支護速度，提高巷道成巷功效，在合理巷道支護強度的前提下，西十二采區(qū)42208工作面錨桿排距可選擇1 000～1 100mm，當(dāng)然這只是正常條件下錨桿支護密度，如果巷道遭遇地質(zhì)構(gòu)造或者其他條件影響巷道正常施工，則需要針對現(xiàn)場情況進行設(shè)計變更。

6　錨桿(索)技術(shù)參數(shù)

錨桿（索）技術(shù)參數(shù)是巷道支護設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，對支護效果起著決定性作用。但是，長期以來，由于很多礦區(qū)沒有認(rèn)識到錨桿（索）技術(shù)參數(shù)的重要性，普通存在錨桿（索）技術(shù)參數(shù)設(shè)置偏低的現(xiàn)狀，嚴(yán)重影響到了錨桿（索）支護作用的發(fā)揮。

6.1　錨桿預(yù)緊力矩

西十二采區(qū)42208工作面巷道支護選擇直徑Φ20mm的高強錨桿，其屈服載荷105 kN，按照錨桿預(yù)應(yīng)力的設(shè)計原則，以及井下施工環(huán)境和現(xiàn)有預(yù)緊機具現(xiàn)狀，按照錨桿桿體屈服載荷下限30%設(shè)置，轉(zhuǎn)化成錨桿預(yù)緊力矩大約為250N·m。

6.2　錨索預(yù)緊力

西十二采區(qū)42208工作面支護選擇直徑Φ17.8的錨索，其破斷強度為350 kN，參照煤礦錨索張拉機具的制造現(xiàn)狀，以及井下施工環(huán)境等因素考慮，錨索預(yù)緊力按照上限設(shè)置，至少應(yīng)該達(dá)到拉斷載荷的40%，即140 kN?？紤]都到錨索預(yù)應(yīng)力損失問題，由于設(shè)計采用4.3m錨索，根據(jù)天地公司井下試驗數(shù)據(jù)表明，4.3m錨索預(yù)緊力損失在25%～30%之間，因此井下施工錨索應(yīng)該保證達(dá)到200 kN，以充分發(fā)揮錨索性能特征。

6.3　錨桿錨固力

西十二采區(qū)42208工作面支護選擇直徑Φ20 mm的335號高強錨桿，其屈服載荷為105 kN，那么錨桿錨固力要求不得低于126 kN。

7　特殊地段處理措施

在42208工作面皮帶巷在掘進過程中，由于地質(zhì)因素的變化，因此對于遇到較小的構(gòu)造時，對于頂板破碎帶、頂板淋水嚴(yán)重等條件時要及時減小錨桿、錨索間排距，采用W鋼帶進行支護頂板，并補打錨索補強。遇到地質(zhì)條件變化較大、出現(xiàn)大的地質(zhì)構(gòu)造時需及時匯報，以調(diào)整支護方案，加強支護設(shè)計。

8　結(jié)論

西銘礦2號煤層42208綜采工作面頂板管理實踐表明，根據(jù)鄰近工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)及所選用錨桿參數(shù)進行驗算，可確保錨桿的合理選型。工作面推進過程中，對工作面特殊地段及遇到的特殊地質(zhì)構(gòu)造，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，采取相應(yīng)針對性措施，可以確保工作面頂板安全，使回采工作順利進行。在頂板管理中，監(jiān)測工作尤為關(guān)鍵，及時掌握頂板壓力變化情況，對綜采工作面的安全生產(chǎn)意義重大。

[1]李俊.西銘礦2號煤層錨桿支護參數(shù)確定的進一步探討[J].科技信息，2011（9）：63.

[2]單仁亮，王玉寶，田亮，等.官地礦2號煤層煤巷錨桿支護參數(shù)優(yōu)化研究[R]//巖石力學(xué)與工程的創(chuàng)新和實踐第十一次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集，2010.

[3]翟喜萬.西銘礦2號煤層錨桿支護合理參數(shù)研究[J].山西焦煤科技，2003（6）：112.

[4]王京明.煤巷錨桿支護技術(shù)參數(shù)優(yōu)化及經(jīng)濟效益比較[J].煤礦現(xiàn)代化，2017（4）：39.