方銘 麻青波 馬旭坤

摘要：煤炭作為我國主要的能源之一，有著很大的價值，但同時開采時也存在著很大的安全風險。本文通過分析煤炭開采過程中常見的關(guān)于淺埋煤層巷道支護優(yōu)化設計，并且簡要闡述淺埋煤層巷道圍巖變形測量方法，提出了一些可以優(yōu)化巷道支護的關(guān)鍵因素，希望可以降低煤礦開采過程中的危險因素，促進煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：淺埋煤層;巷道圍巖;支護;優(yōu)化設計;礦壓監(jiān)測

引言

巷道安全是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵因素之一。巷道支護是否安全科學取決于多個因素。其中淺埋煤層礦區(qū)的地質(zhì)條件、合理的設計礦壓監(jiān)測等，隨著技術(shù)的進步圍巖工程控制理論取得了長足的發(fā)展，支護理念由被動轉(zhuǎn)為主動，巷道的支護逐漸由傳統(tǒng)的棚式支護、低預應力低強度錨桿支護向高預應力高強度錨桿錨索支護轉(zhuǎn)化。要實現(xiàn)淺埋煤層的有效開發(fā)與利用，首先應完成淺埋煤層巷道支護的優(yōu)化設計，無疑具有一定的理論意義和較大的實用價值。

1 錨桿支護設計方法

錨桿支護設計采用國內(nèi)廣泛認可動態(tài)信息設計法。設計步驟包括：試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估→初始設計→現(xiàn)場監(jiān)測和信息反饋→修正設計和日常監(jiān)測。

2 試驗點生產(chǎn)與地質(zhì)條件調(diào)研

2.1 巷道位置

某煤礦502盤區(qū)東西長約5.0km，南北寬約2.8km，面積14.3km2，5-2煤層502盤區(qū)輔運大巷與工作面之間的保護煤柱寬度為100m，采面回采期間不受采動壓影響，502盤區(qū)輔運大巷布置如圖1所示。

2.2 煤巖體賦存狀況

5-2煤層厚度2.04～3.15m，平均厚度2.6m，5-2煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.10m。老頂厚度40m以上為粉、細砂巖中厚層狀，比較穩(wěn);直接頂厚度0.84—14.28m粉砂巖、中粗砂巖中等穩(wěn)定，零星分布有泥巖，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層呈條帶狀結(jié)構(gòu)，瀝青光澤，節(jié)理不發(fā)育，502盤區(qū)煤層綜合柱狀圖如圖2所示。

2.3 巷道圍巖粘結(jié)強度測試

巷道圍巖粘結(jié)強度測試。錨桿拉拔力試驗的目的是判定巷道圍巖的可錨性，評價錨桿、樹脂、圍巖錨固系統(tǒng)的性能和錨桿的錨固力。錨桿拉拔試驗采用巷道正常施工時使用的支護材料進行，其目的是判斷原支護中錨桿、錨固劑、孔徑三者之間的相互匹配情況，為后期進行科學、合理的巷道支護設計提供基礎數(shù)據(jù)。

從已掘501盤區(qū)輔運大巷頂板和巷幫支護再進行一次錨桿、錨索粘結(jié)強度測試。

3 原支護設計參數(shù)與類似條件礦壓顯現(xiàn)狀況

設計單位出具的本礦502盤區(qū)輔運大巷，矩形斷面，寬6.24m，高2.97m，采用錨網(wǎng)噴支護方式，錨桿直徑20mm，長度為2450mm，間排距為800×800mm，噴射混凝土強度等級C20，厚度120mm。

本礦501盤區(qū)輔運大巷已掘進完成并服務多年，采用錨網(wǎng)支護，掘進斷面為矩形，掘?qū)?.4m，掘高3.2m，掘進斷面17.28m2。巷道具體支護參數(shù)為：

3.1 頂板支護

采用錨桿直徑18mm，長度2000mm，采用120 ×120 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/5200 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支Z2360和1只K2335樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排5根。

3.2 巷幫支護

采用錨桿直徑18mm，長度2000mm，采用120 ×120 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支K2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1300mm×1200mm，每排3根。詳見501盤區(qū)輔運巷斷面支護見圖3。

3.3 原支護巷道礦壓顯現(xiàn)狀況

對類似巷道501盤區(qū)輔運巷進行了巷道礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)狀調(diào)研，掘進完成后無明顯變形，圍巖完整性很好。根據(jù)礦方礦壓監(jiān)測資料顯示，頂板和兩幫變形量均控制在100mm以內(nèi)，無明顯頂板離層現(xiàn)象，巷道穩(wěn)定性程度良好，原支護參數(shù)完全可以滿足巷道安全使用要求。

502盤區(qū)輔運大巷圍巖地質(zhì)條件與501盤區(qū)輔運大巷基本相似，但斷面增大，因此支護設計可在501盤區(qū)大巷支護參數(shù)基礎上進行適當加強。

4 設計原則

針對本礦具體地質(zhì)條件，充分發(fā)揮錨桿支護的成效，制定出502盤區(qū)輔運大巷設計6項原則：一次支護原則、高預應力和預應力擴散原則、三高一低”原則（提高錨桿強度、剛度，降低支護密度，提高掘進速度）、臨界支護強度與剛度原則、力學性能匹配原則、可操作性原則。

5 支護參數(shù)理論計算

本支護設計方法的理論基礎是圍巖的關(guān)鍵承載圈理論和錨桿支護的擴容-穩(wěn)定理論。關(guān)鍵圈是指巷道圍巖一定范圍內(nèi)能承受較大切向應力的巖石圈。只要承載圈保持穩(wěn)定，則承載圈之外的巖層無需支護。支護的主要對象是關(guān)鍵承載圈以內(nèi)的巖層，把這部分巖層的高度作為載荷高度進行設計。

5.1 巷道圍巖載荷高度計算

①頂板載荷高度

根據(jù)關(guān)鍵承載圏理論給出頂板載荷高度的計算公式為

5.3 錨桿支護參數(shù)計算

①錨桿長度

頂錨桿長度由下式確定：lbr=B+Δ

式中，lbr：頂板錨桿長度，m;

△：錨桿外露長度與深入到關(guān)鍵承載圏外巖層長度之和，取0.5m。

②錨桿直徑

類似巷道501盤區(qū)輔運大巷采用的18#螺紋鋼桿體，可以滿足支護要求，本設計錨桿采用20#螺紋鋼桿體。

③錨桿排距

錨桿排距由下式確定：

式中，Pr：錨桿屈服力;

K：安全系數(shù)，取值為2.5;

a：懸臂巖層半跨距。

④每排錨桿數(shù)

頂錨桿每排數(shù)量：

根據(jù)計算出的每排錨桿數(shù)，反算錨桿排距：

5.4 502盤區(qū)輔運大巷支護參數(shù)計算

502盤區(qū)輔運大巷原始參數(shù)如下：

ks：根據(jù)表1中形狀及掘進方式得ks=2.3;kt：巷道服務年限大于10年，穩(wěn)定煤層：kt =0.85;地應力：σH =10.03MPa，σv=4.66MPa;頂板巖層強度：直接頂強度平均為37.39MPa;巷道斷面幾何尺寸：寬l=6.24m，高h=2.97m;分層、節(jié)理情況：結(jié)合地質(zhì)力學測試中鉆孔窺視結(jié)果，巷道頂板較為完整，屬節(jié)理裂隙不發(fā)育，因此節(jié)理間距Dj取1.5m，分層厚度Dl取1.5m;煤層強度：σcc為煤幫強度平均值24.83MPa。煤層傾角：1°;煤層穩(wěn)定性系數(shù)：巷道掘進后煤體完整，無片幫冒頂現(xiàn)象，因此屬穩(wěn)定煤層，煤層穩(wěn)定性系數(shù)kyc取0.85;煤層泊松比：根據(jù)表3，泊松比μ取0.4;其他參數(shù)為：c=2.1MPa，φ=29.1°，φc=26.8°，ky=0.82;將上述參數(shù)代入，計算出頂板載荷高度和煤幫破壞深度為：頂板載荷高度為 B=0.93m;煤幫破壞深度：D=-3.46m，值為負數(shù)，幫部基本不受破壞;頂板載荷計算結(jié)果為：Q=145.78kN/m ?Qb=214.87kN/m;頂錨桿長度計算，得：lbr應不小于1.43m;錨桿排距計算，得：Dr=1.17m;頂板每排錨桿數(shù)計算，得：N1=5.82根，取整數(shù)N=6根;反算錨桿排距，得Dr1=1.21m。

根據(jù)以上理論計算結(jié)果，從控制頂板關(guān)鍵圏載荷的角度來看，502盤區(qū)輔運大巷頂板錨桿長度不小于1.43m，錨桿數(shù)量為6根，合理排距不大于1.21m。

502盤區(qū)輔運大巷跨度超過6m，為提高頂板安全性，需要進行錨索補強。另外噴漿支護設計按照原設計保持執(zhí)行。

6 502盤區(qū)輔運大巷支護初始設計

6.1 設計依據(jù)

1）已掘501盤區(qū)輔運巷支護狀況和礦壓顯現(xiàn)情況調(diào)查結(jié)果;

2）502盤區(qū)輔運大巷地質(zhì)資料及所在區(qū)域鉆孔資料;

3）現(xiàn)有科技成果和工程實踐經(jīng)驗。

根據(jù)以上設計原則和設計依據(jù)，考慮采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng)，并進行錨索補強，依據(jù)煤層自然易燃，噴射混凝土強度等級C20，厚度120mm。

6.2 初始支護方案

6.2.1頂板支護

采用錨桿直徑20mm，長度2000mm，采用150 ×150 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支MSK2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排6根。采用直徑21.8mm，119股預應力鋼絞線，長度6300mm，采用兩支MSK2360樹脂藥卷錨固，采用300×300×16mm高強度拱形托板及配套鎖具，錨索每排1根布置，居中布置，排距2400mm。

6.2.2 巷幫支護

采用錨桿直徑18mm，長度1600mm，采用150 ×150 ×8mm拱型高強度托板，采用6.5-100 mm×100mm/3000 mm×1300mm金屬焊接網(wǎng)，采用1支MSK2360樹脂藥卷錨固劑，錨桿間、排距1100mm×1200mm，每排3根。詳見502盤區(qū)輔運巷斷面支護見圖4。

7 礦壓監(jiān)測

本次礦壓監(jiān)測分為綜合監(jiān)測和日常監(jiān)測。前者驗證初始設計，后者主要是為了保證巷道安全。

7.1 綜合監(jiān)測

7.1.1 巷道表面位移

巷道設置2個圍巖礦壓分析測站，包括2個表面位移監(jiān)測斷面，1個頂板離層監(jiān)測斷面和1個錨桿受力監(jiān)測斷面。觀測頻次為：距工作面50m內(nèi)每天觀測1次，以外每周觀測1次，如果位移量有明顯增長，可增加觀測次數(shù)。

7.1.2 頂板離層

選用頂板離層儀測試頂板巖層錨固范圍內(nèi)外位移值，觀測頻次與表面位移相同。

7.1.3 錨桿受力

采用錨桿測力計監(jiān)測錨桿受力，錨桿測力計安設在錨桿端部，每個測站在頂板布置2個、兩幫各布置1個錨桿測力計，根據(jù)電阻應變原理來測量錨桿在不同時期的受力情況，分析儀測得應變片變化量的大小，計算錨桿端部受力狀態(tài)。

7.2 日常監(jiān)測

日常監(jiān)測包括二部分內(nèi)容，錨桿錨固力抽檢和錨桿預緊力矩檢測。

7.2.1錨桿錨固力抽檢

巷道掘進施工過程中，按≥10%的比例和≤2天的時間間隔對錨桿錨固力進行抽測。抽測時只做非破壞性拉拔，頂、幫錨桿拉拔力不超過100kN和80kN，測試錨固劑的粘結(jié)強度，檢測錨桿錨固力是否達到設計要求。

7.2.2 錨桿預緊力矩檢測

巷道掘進施工過程中按不小于30%的比例和不大于2天的時間間隔用力矩示值扳手對錨桿螺母預緊力矩進行抽測，錨桿扭矩應達到150N.m。

8 結(jié)語

淺埋煤層礦井煤巷支護優(yōu)化設計，需依據(jù)巷道圍巖變形、地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、支護狀況和礦壓顯現(xiàn)情況調(diào)查結(jié)果，根據(jù)巷道支護效果，可在施工過程中對上述方案進行調(diào)整，可以安全有效開發(fā)利用能源，做到安全合理的對淺埋煤層進行開采，以此方法有效地提高我國的煤炭產(chǎn)量。

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