慈林山煤礦薄煤層堅硬頂板支護優化設計

薛凱宏，張 蒙，賀行行，葛帥帥，曹 栩，吳曉剛

(運城職業技術學院， 山西 運城 044000)

?

·試驗研究·

慈林山煤礦薄煤層堅硬頂板支護優化設計

薛凱宏，張 蒙，賀行行，葛帥帥，曹 栩，吳曉剛

(運城職業技術學院， 山西 運城 044000)

在煤層賦存條件較好，巷道圍巖自承能力強的條件下，對巷道支護方案進行合理的優化不僅可以保證安全生產和施工進度，而且還能帶來很好的經濟效益。本文以潞安集團慈林山煤礦9103工作面回采巷道為試驗巷道，利用數值模擬的研究手段，優化其錨桿錨索支護參數并應用于現場，取得了良好的效果。

薄煤層；堅硬頂板；支護優化；數值模擬

1 試驗巷道生產地質條件

慈林山煤礦主采9#煤層，平均煤層厚度1.2 m，埋深200 m. 試驗巷道為9103工作面回風巷及運輸巷，其中回風巷鄰近9101工作面采空區，運輸巷兩側均為實煤體；運輸巷和回風巷斷面形式均為矩形，巷道尺寸分別為凈寬4.3 m、凈高2.2 m以及凈寬3.6 m、凈高2.2 m，兩巷道掘進均采用破底掘進方式進行。煤層直接頂為1.1 m泥質灰巖，質堅硬，基本頂為中粒砂巖，底板為細粒砂巖。巷道布置平面圖見圖1.

圖1 巷道布置平面圖

2 巷道原支護方式及參數

2.1 回風巷原支護方式及參數

1) 支護形式及參數。

回風巷的支護形式為錨網支護，采用三花布置，間排距為800 mm×800 mm；錨桿施工錨固力在64 kN以上，采用d6 mm鋼筋焊網，鋼筋網規格：1 000 mm×2 000 mm，網格間距：100 mm×100 mm，搭接長度100 mm.

2) 支護材料。

采用PHR335螺紋鋼錨桿，錨桿規格：d18 mm×L1 900 mm

采用Q235錨托板，規格：150 mm×150 mm×8 mm

采用樹脂錨固劑，樹脂錨固劑規格：MSK2335、MSZ2340每根錨桿各一卷

采用d6 mm鋼筋焊網，鋼筋網規格：1 000 mm×2 000 mm，網格間距：100 mm×100 mm

2.2 運輸巷原支護方式及參數

1) 支護形式及參數。

運輸巷的支護形式為錨、網、梁、索聯合支護，頂板和北幫錨桿型號一致，規格為d20 mm×L2 000 mm的PHR335螺紋鋼錨桿；煤壁南幫采用d18 mm×L2 000 mm的玻璃鋼錨桿進行支護，錨桿錨固力64 kN以上，間、排距為800 mm×800 mm；利用規格為d17.8 mm×L6 300 mm的錨索對頂板補強，排距2 400 mm，居中布置，錨索錨固力100 kN.

2) 支護材料。

玻璃鋼錨桿參數：d18 mm×L2 000 mm

PHR335螺紋鋼錨桿參數：d20 mm×L2 200 mm、d20 mm×L2000 mm

Q235錨托板參數：150 mm×150 mm×8 mm

錨索鋼絞線參數：d17.8 mm×L6 300 mm 1860級鋼絞線

錨索構件參數：錨索配套采用300 mm×300 mm×16 mm托板及配套鎖具緊固錨索

樹脂錨固劑參數：MSK2335、MSZ2360

d6 mm鋼筋焊網、鋼筋網參數：1 000 mm×2 000 mm，網格間距：100 mm×100 mm

梯子梁規格參數：d14 mm圓鋼焊成4 300 mm×70 mm、2 000 mm×70 mm

3 回風巷支護參數設計

利用數值模擬的方法對不同支護參數條件下的圍巖變形量進行模擬計算，根據9103工作面的地質條件建立物理模型，見圖2.

圖2 物理模型圖

1) 預緊力的確定。

為了對9103工作面回風巷錨桿支護確定合理的預緊力，利用數值模擬，分別計算10 kN、20 kN、30 kN和40 kN不同預緊力情況下巷道圍巖變形和應力變化情況，并進行對比分析。數值模擬設置錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨桿參數為d20 mm×L2 200 mm；錨索參數為d18.9 mm×L5 300 mm，布置方式排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央。不同預緊力下圍巖表面位移數據見表1. 從表1可以看出，預緊力為30 kN時，能有效地控制圍巖變形。

表1 不同預緊力下圍巖表面位移表

2) 錨桿直徑的確定。

我國井巷錨桿施工鉆機的常用孔徑為28 mm，相應的錨桿直徑為18～24 mm，綜合考慮施工機具因素，將頂板以及兩幫錨桿直徑設定為20 mm，既能滿足節約材料、高錨固力的要求，又能方便施工。

3) 錨桿長度的確定。

在進行數值模擬時，錨桿布置間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨桿d20 mm；錨索參數為d18.9 mm×L5 300 mm，布置方式排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央，錨桿預緊力設定為30 kN. 為了研究錨桿長度對巷道支護的影響，分別對1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m規格的錨桿進行數值模擬，結果見表2. 結合模擬結果，考慮安全、經濟和施工等因素，最終確定9103工作面回風巷頂板錨桿長度為2.2 m.

表2 錨桿長度對圍巖表面位移的影響表

4) 錨桿間排距的確定。

在已經確定錨桿直徑20 mm，長度2.2 m條件下，考慮到現場實際生產情況，采用800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm、1 200 mm×1200 mm 4種不同間排距方案進行比較，不同錨桿排距與巷道圍巖變形的關系見表3. 最終確定頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm.

表3 錨桿間距對圍巖表面位移的影響表

5) 錨索支護參數確定。

考慮煤層頂板分層狀況及9101工作面實際支護效果，決定選用d18.9 mm，L5 300 mm鋼絞線。在已經確定錨桿支護參數的條件下，對錨索間排距進行模擬計算，不同幫錨桿間距與巷道圍巖變形的關系見表4. 最終確定選用方案二，即錨索排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央。

表4 錨索間距對圍巖表面位移的影響表

4 運輸巷支護參數設計

類比回風巷支護參數設計方法，運輸巷的支護參數為：錨桿直徑20 mm，長度為2.2 m，間排距1 000 mm×1 200 mm，錨索每隔3.6 m打1排，每排1根，布置于巷道頂板中央，垂直布置。

5 工業性試驗

5.1 9103回風巷支護參數

1) 頂板：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑為20 mm，長度2 200 mm，間排距1 000 mm×1 200 mm，配合鋪設金屬網和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360；錨索布置于巷道中央，每根長度5 300 mm，直徑18.9 mm的小孔徑預應力錨索，排距3 600 mm，每排1根，每根錨索采用3支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另2支為MSZ2360，每根錨索采用的托盤為Q235碟形鋼板，規格為300 mm×300 mm×16 mm，相應配套調心球墊、鎖具。

2) 實體煤幫：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑20 mm、長度2 200 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設金屬網和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360.

3) 開采煤幫：錨桿采用玻璃鋼錨桿，直徑18 mm，長度2 000 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設金屬網和鋼筋梯子梁，每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360.每根錨桿配套使用樹脂減摩墊圈、半球形墊圈、高強螺帽、金屬墊圈、規格為150 mm×150mm×10 mm碟型Q235鋼板托盤。

5.2 9103工作面運輸巷錨桿錨索支護參數

1) 頂板：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑為20 mm，長度2 200 mm，間排距1 000 mm×1 200 mm，配合鋪設金屬網和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用兩支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360；錨索布置于巷道中央，每根長度5 300 mm，直徑18.9 mm的小孔徑預應力錨索，排距3 600 mm，每排1根，每根錨索采用3支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另2支為MSZ2360，每根錨索采用的托盤為Q235碟形鋼板，規格為300 mm×300 mm×16 mm，相應配套調心球墊、鎖具。

2) 實體煤幫：錨桿采用HRB335螺紋鋼，直徑20 mm、長度2 200 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設金屬網和鋼筋梯子梁；每根錨桿采用2支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360.

3) 開采煤幫：錨桿采用玻璃鋼錨桿，直徑18 mm，長度2 000 mm，間排距800 mm×1 200 mm，配合鋪設金屬網和鋼筋梯子梁，每根錨桿采用2支樹脂藥卷錨固，1支為MSK2335，另1支為MSZ2360. 每根錨桿配套使用樹脂減摩墊圈、半球形墊圈、高強螺帽、金屬墊圈、規格為150 mm×150 mm×10 mm碟型Q235鋼板托盤。

5.3 支護優化設計效果分析

通過現場對兩巷道50 d的礦壓觀測發現，優化后的支護強度能夠滿足安全生產要求，兩巷道最大圍巖變形量不超過200 mm，設計優化方案取得了成功。

6 結 論

1) 慈林山煤礦煤層賦存條件好，頂板堅硬，可以對支護參數進行合理的優化。

2) 慈林山煤礦通過支護優化設計后，施工進度得到提高，支護成本減少50%左右。

3) 合理的支護優化設計可以保證安全生產的同時，大大提高經濟效益。

[1] 張建華.大斷面煤巷錨桿支護設計的優化[J].西北煤炭，2006，4(4)：24-26.

[2] 劉玉文.煤巷錨桿支護設計的優化[J].煤炭科技，2006(2)：15-16.

[3] 康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報,2007,32(7):673-678.

[4] 孔德森，蔣金泉.深部巷道錨桿支護參數優化設計[J].煤，2001，10(6)：1-3.

[5] 張 農.煤巷樹脂錨桿支護技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,1999：23-24.

[6] 張慎勇.機巷錨桿支護的優化設計[J].江西煤炭科技，2008(2)：8-9.

Optimized Design of Hard Roof Support in Thin Coal Seam in Cilinshan Coalmine

XUE Kaihong, ZHANG Meng, HE Xingxing, GE Shuaishuai, CAO Xu, WU Xiaogang

Under the conditions of Geologically being good with strong bearing for roadway surrounding rock, the reasonable optimization of roadway support scheme can not only ensure the safety production and construction progress, but also bring good economic benefits. In this paper, No.9103 workface in Cilinshan Coalmine of Lu'an Group is decided as a experimental site. By means of numerical simulation, the bolt and cable support parameters are optimized and applied with satisfied results are obtained.

Thin coal seam; Hard roof; Support optimization; Numerical simulation

2016-06-12

薛凱宏(1985—)，男，山西呂梁人，2014年畢業于中國礦業大學，研究生，高級工程師，主要從事礦山地質及礦山支護研究工作(E-mail)78696101@qq.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0031-04