甄向宇

(霍州煤電宏大隆博煤業(yè)，山西 臨汾 042101)

1 工程背景

霍州煤電臨汾宏大隆博煤業(yè)行政隸屬于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣西交口鄉(xiāng)陽塔村，井田主要可采煤層有2號、8號、9號、13號等煤層，其中2號煤層蓋山厚度為494～540 m，煤層平均厚度為3.4 m，含兩層夾矸。煤層結(jié)構(gòu)為：0.3(0.25)1.4(0.32)0.93，煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層傾角0～8°，平均傾角4°，普氏系數(shù)f=4.0～6.0。如表1所示，2號煤層偽頂為0.5 m的泥巖，直接頂為3.9 m的粉砂巖，基本頂為5.4 m的細(xì)粒砂巖，直接底為1.4 m的泥巖，老底為2.8 m的中粒砂巖。

表1 2號煤層頂?shù)装鍘r性

通過分析現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2號煤層回采巷道存在過度支護(hù)的問題，因此對2-5012工作面回采巷道支護(hù)方案進(jìn)行重新設(shè)計，以避免過度支護(hù)造成資源浪費(fèi)[1-4]。

2 方案設(shè)計

2.1 錨桿參數(shù)

1) 錨桿長度。錨桿長度可由下式計算：

L=KH+L1+L2

式中：L為錨桿全長，m；H為普氏免壓拱高度，m；K為安全系數(shù)，取1.8；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的長度，取0.6 m；L2為錨桿外露長度，取0.3 m。H=B/2f，B為巷道跨度，取4.5 m；f為頂板巖層的普氏系數(shù)，取4。

計算可得：L=1.912 5 m。

依據(jù)上述計算結(jié)果，綜合考慮同一水平相鄰采面回采時，受采動影響后頂板錨桿支護(hù)情況，錨桿長度選取2.2 m。

2) 錨桿直徑。按桿體強(qiáng)度和錨固力相匹配的原則確定桿體直徑,由于本礦錨桿采用MSGLW-335/22×2400型號的左旋螺紋鋼式樹脂錨桿，則其直徑應(yīng)以下公式計算：

式中：d為錨桿直徑，m；Q為錨桿設(shè)計錨固力，取127 kN；σt為桿體屈服強(qiáng)度，取335 MPa。

計算可得：d=21.98 mm。

依據(jù)上述計算結(jié)果，根據(jù)同一水平相鄰采面回采時，受采動影響后頂板錨桿支護(hù)情況分析，錨桿直徑選取22 mm。

3) 錨桿間、排距。錨桿間排距可由下式計算：

式中：a為錨桿間排距，m；d為錨桿直徑，22 mm；σt為桿體抗拉強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度)，335 MPa；γ為巖體容重，25 kN/m3。

計算可得：a≤1.17 m。

依據(jù)上述計算，同時根據(jù)隆博礦已掘巷道與工程類比法分析，為確保施工安全，頂部每排為6根錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm。幫錨桿與頂錨桿同材質(zhì)、同型號，幫部每幫每排5根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，根據(jù)2507順槽巷受采動巷道變化情況，煤柱側(cè)幫部優(yōu)化為每隔一排第1根、第5根為幫錨桿，第2、3、4根為幫錨索，采煤側(cè)為5根幫錨桿。

2.2 錨索參數(shù)

錨索長度可由下式計算：

L索≥L外露+L鎖具+L懸吊+L錨固

式中：L外露為錨索外露長度，0.3 m；L鎖具為鎖具、鋼板厚度，0.2 m；L懸吊為錨索懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，3.95 m；L錨固為錨固端長度，1.8 m。

計算可得錨索長度為L索≥6.2 m。

依據(jù)上述計算結(jié)果，根據(jù)同一水平相鄰采面回采時，受采動影響后頂板錨索支護(hù)情況分析，頂錨索長度選取6.5 m。

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合以往的回采巷道支護(hù)經(jīng)驗，確定2-5012工作面回采巷道采用錨網(wǎng)(索)+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)的方案進(jìn)行支護(hù)。為加強(qiáng)巷幫支護(hù)，煤柱側(cè)巷幫為每隔一排，第1根、第5根為幫錨桿，第2、3、4根為幫錨索支護(hù)，頂錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿支護(hù)，幫錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強(qiáng)全螺紋錨桿，頂幫錨桿均配合4 mm厚的W鋼帶+(長×寬×厚=120 mm×120 mm×10 mm)壓制蝶形托盤+調(diào)心球墊+減磨墊片+螺母支護(hù)；幫錨索采用D21.6 mm×4 200 mm的鋼絞線配合120 mm×120 mm×10 mm壓制蝶形托+鎖具支護(hù)，要求錨索外露150～250 mm，錨固力≥225 kN，預(yù)緊力≥180 kN。頂W鋼帶規(guī)格：4400 mm×220 mm×4 mm、幫W鋼帶規(guī)格：3 700 mm×220 mm×4 mm，頂部每排為6根錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，幫部每幫每排5根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm；錨桿、W鋼帶均垂直巷幫布置。

頂板錨索布置，一排間距1 500 mm、每隔4 m在巷中布置“三眼”組合錨索，排距4 000 mm，掘進(jìn)時交替布置。錨索采用D21.6 mm×7 200 mm的鋼絞線配合250 mm×250 mm×16 mm鋼托板+鎖具支護(hù)， “三眼”組合錨索采用D21.6 mm×12 200 mm的鋼絞線配合500 mm×500 mm×16 mm鋼托板+鎖具支護(hù)。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 數(shù)值模擬

根據(jù)2-5012工作面回采巷道的地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，巷道斷面尺寸為寬×高=4.5 m×3.8 m，埋深510 m，模型尺寸為X×Y×Z=100 m×200 ×100 m，數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬結(jié)果

如圖1所示，以前述方案對回采巷道進(jìn)行支護(hù)時，最大豎直應(yīng)力為2.5 MPa，僅在巷道頂板及底板中央位置出現(xiàn)了部分塑性區(qū)域，巷道圍巖大部分仍處于彈性狀態(tài)。在工作面回采過程中，在距離工作面30 m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形量明顯增大，最終頂板變形量為167 mm，兩幫移近量為42 mm。數(shù)值模擬結(jié)果表明，前述支護(hù)方案支護(hù)效果良好，可以滿足煤礦安全生產(chǎn)需求。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

為驗證前述支護(hù)方案的現(xiàn)場支護(hù)效果，在2-5012回風(fēng)巷距離開切眼100 m和150 m位置布置兩個綜合監(jiān)測點(diǎn)，分別對錨桿應(yīng)力及巷道圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測曲線圖

如圖2所示，在工作面回采過程中，超前支承壓力影響范圍約為50 m。在距離工作面50 m范圍內(nèi)時，錨桿應(yīng)力開始發(fā)生變化；在距離工作面15～20 m范圍內(nèi)時，錨桿應(yīng)力達(dá)到最大值；在距離工作面10 m以內(nèi)時，由于距離工作面較近，受開采擾動的影響，圍巖發(fā)生破壞，因此煤柱側(cè)錨桿應(yīng)力開始降低。巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?18 mm，兩幫移近量最大值為175 mm，整體來看，巷道圍巖變形量不大，錨桿工作狀態(tài)良好，可以滿足礦方的安全生產(chǎn)需求，表明支護(hù)方案是合理的。

4 結(jié) 語

本文以隆博煤業(yè)2-5012工作面回采巷道為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，確定回采巷道采用錨網(wǎng)(索)+W鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方案。頂錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm；頂板錨索規(guī)格為D21.6 mm×7 200 mm，采用三眼布置，間排距為1 500 mm×4 000 mm；幫錨桿選用D22 mm×2 000 mm高強(qiáng)全螺紋錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm。為加強(qiáng)巷幫支護(hù)，煤柱側(cè)巷幫為每隔一排，第1根、第5根為幫錨桿，第2、3、4根為幫錨索支護(hù)。頂W鋼帶規(guī)格為4 400 mm×220 mm×4 mm，幫W鋼帶規(guī)格為3 700 mm×220 mm×4 mm。對2-5012回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明巷道圍巖整體變形量較小，錨桿(索)可以起到有效的支護(hù)作用，滿足礦方的安全生產(chǎn)需求。