煤礦大斷面巷道支護設計與應用

李海斌， 李 琰， 范敬豐， 張 丹

(山西省蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000)

山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司1301工作面為一次采全高綜采工作面，原設計開切眼巷道斷面為矩形斷面，寬8 m高3.5 m，支護方式為錨網索梁聯合支護。受采礦開采設備及工藝技術發展影響，原設計斷面已不滿足現有新設備安裝需要，根據現場實際情況，確定開切眼尺寸變更為寬度9 m、高度4 m，需重新對開切眼支護進行設計。

1 項目背景

1301工作面位于玉溪煤礦井田一盤區南部東側，東西走向，大采高綜采工藝回采3#煤層，開切眼寬度9 m、高度4 m、長200 m，為保證巷道施工安全，決定對開切眼進行設計優化。

根據地面勘探鉆孔資料及綜合柱狀圖可知，3#煤層位于山西組下部，埋深大約在500 m～600 m，厚度在5.12 m～7.20 m，平均5.85 m，純煤厚度4.62 m～7.00 m，平均5.71 m，結構簡單，全區穩定可采。

煤層特征：該煤層為緩傾斜煤層，煤層傾角小于8°，煤層層理發育，根據煤層檢測報告：3#煤層屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。

頂底板巖性特征：a)老頂：中粒砂巖，厚度5.3 m；b)直接頂：泥巖，厚度2.4 m；c)直接底：泥巖，厚度1.5 m；d)老底：砂質砂巖，厚度8.3 m。

2 1301工作面開切眼支護措施

2.1 支護設計依據

通過現場對順槽頂底板鉆孔取芯，可掌握3#煤層、頂板巖層、底板巖層的巖性及分層厚度等物理力學性質參數。根據得到的參數可為開切眼支護形式與參數提供理論基礎依據，采用工程類比法確定開切眼的支護形式和支護參數[1-3]。

2.2 支護材料性能合理匹配及優選

2.2.1 錨固劑選擇

考慮錨桿“三徑”的最佳匹配，確定巷道支護錨固劑選用K2335和Z2360型樹脂錨固劑。

2.2.2 錨索規格選型

根據玉溪煤礦3#煤層的地質力學特點，開切眼頂板采用直徑為Φ21.8 mm、長8 300 mm的1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索。

2.2.3 錨桿規格選型

開切眼頂板和非采煤幫選用Φ22 mm、長2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿；采幫選用Φ22 mm、長2 000 mm的玻璃鋼錨桿。

2.2.4 錨桿(索)托梁規格選型

開切眼頂板錨索采用W型鋼帶，其余巷道頂板及巷幫采用由Φ14 mm鋼筋焊接的鋼筋梯子梁作為錨桿拖梁。

2.2.5 錨桿(索)托盤規格選型

1) 錨桿托盤：頂板及兩幫選用150 mm×150 mm×10 mm鋼板壓制的拱形托盤。

2) 錨索托盤：開切眼頂板錨索因采用W鋼帶護板，故與之配套采用300 mm×280 mm×14 mm(長×寬×厚)的W護板托盤。

2.2.6 護網規格選型

開切眼頂板及非采幫金屬選擇由10號鐵絲編織的網孔尺寸為50 mm×50 mm的菱形金屬網，網片間搭接長度大于100 mm，聯網間隔小于100 mm；采幫使用塑料阻燃網片。

2.3 支護參數設計

2.3.1 錨桿(索)支護形式

根據巷道的圍巖條件和物理力學特征，開切眼頂板及兩幫采用加長錨固。

2.3.2 錨索錨固長度與錨固力

1) 錨索錨固長度：為使錨固系統發揮最大的效能，按照錨桿桿體極限載荷和樹脂藥卷與圍巖的粘結強度確定錨桿必須的錨固長度l0。

本次支護采用直徑21.8 mm錨索，錨索的破斷載荷大于500 kN，錨索的錨固段為比較穩定的砂巖，錨索的錨固長度計算見式(1)。鉆孔壁與樹脂錨固劑間的粘結力取τ=3 MPa。

(1)

式中：l0為直徑為Φ=21.8 mm錨索的錨固長度；Pm為設計錨固力，取錨索破斷載荷，MPa；R為錨索孔半徑，15 mm；τ為樹脂藥卷與鉆孔壁的粘結強度，取τ=3 MPa。

計算需用直徑為Φ=23 mm的樹脂藥卷錨固劑長度l，見式(2)。

(2)

式中：l1為直徑為Φ=22 mm錨索需用樹脂藥卷錨固劑的長度，mm；R1為錨索半徑，取11 mm；R2為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm。

為提高掘進速度同時確保錨索盡快獲得錨固力，考慮到現場施工操作速度和不同藥卷凝膠時間的配合，每孔用一支K2335型和兩支Z2360型樹脂錨固劑，三支錨固劑的總長度為l=1.55 m，則每根錨索的實際錨固長度為式(3)計算結果。

(3)

式中，L為直徑為Φ=21.8 mm錨索的實際錨固長度，mm。

2) 錨索錨固力計算見式(4)。

PM=2πRτL0=2×3.14×15×3×1.97=556.72 kN

(4)

式中，PM為直徑為21.8 mm錨索的實際錨固力。

2.3.3 錨桿錨固長度與錨固力

1) 錨桿錨固長度：本次錨桿選用錨桿直徑為Φ22 mm，開切眼頂板錨桿錨固的巖層主要為3#煤層和泥巖。由于錨桿錨固的巖體為巷道淺部圍巖，本次按松軟破碎圍巖考慮粘結力，取τ=1.6 MPa。

Φ22 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的破斷載荷為189 kN。

錨固長度計算見式(5)。

(5)

式中：Pm為設計錨固力，Φ=22 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體的極限載荷為189 kN；R為錨桿孔半徑，取15 mm；τ為樹脂藥卷與鉆孔壁的粘結強度，取τ=1.6 MPa。

樹脂錨固藥卷長度l計算見式(6)。

(6)

式中：R1為錨桿桿體半徑，取11 mm；R2為樹脂藥卷錨固劑半徑，取11.5 mm。

為保證錨桿盡快獲得錨固力，提高掘進速度，并考慮到施工操作速度和不同藥卷凝膠時間的配合，在實際施工中，每孔采用一支K2335型和一支Z2360型樹脂錨固劑，2卷錨固劑的總長度為l=0.95 m，則每孔實際錨固長度計算見式(7)。

(7)

2) 錨桿錨固力計算見式(8)。

PM=2πRτL0=2×3.14×15×1.6×1.208
=182.02 kN

(8)

2.3.4 錨桿(索)預緊力

根據國內外錨桿支護實踐經驗，并結合開切眼的實際條件與施工機具，選擇錨桿預緊力為其桿體屈服載荷的30%～50%，即頂板錨桿預緊扭矩應大于等于200 N·m，非采煤幫錨桿預緊力扭矩應≥150 N·m，采幫玻璃鋼錨桿預緊扭矩應≥40 N·m；錨索的張拉預緊力≥300 kN。

2.3.5 錨固劑的選型

錨桿采用一支K2335和一支Z2360樹脂錨固劑；錨索采用一支K2335和兩支Z2360樹脂錨固劑；開切眼采幫玻璃鋼錨桿樹脂藥卷錨固劑采用一支Z2360。

3 巷道支護方案實施

開切眼頂板選用規格為Φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，呈矩形布置；每排10根；間距900 mm，排距900 mm；靠近非采幫的一根頂錨桿距巷幫450 mm，靠近采幫的一根頂錨桿距巷幫450 mm；安裝預緊扭矩≥200 N·m；非采幫選用規格為Φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，呈矩形布置；每排5根；間距900 mm，排距900 mm；起錨高度250 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150mm，安裝預緊扭矩≥150 N·m；采幫選用規格為Φ22 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，呈矩形布置；每排5根；間距900 mm，排距900 mm；起錨高度250 mm，靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150 mm，安裝預緊扭矩≥40 N·m；頂板錨索選用Φ21.8 mm×8 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，呈矩形布置；每排6根；間距1 500 mm，排距1 800 mm；靠近頂板的一根幫錨桿距頂板150 mm，靠近非采幫的一根頂錨桿距巷幫750 mm，靠近采幫的一根頂錨桿距巷幫750 mm；安裝張拉預緊力≥300 kN。

1301工作面開切眼支護見圖1。

圖1 1301工作面開切眼支護圖

4 支護方式實施效果

4.1 確定開切眼支護方式

針對開切眼大跨度的特點，巷道支護方式選擇為：非采煤幫采用錨網梁聯合支護；采煤幫采用錨網+木托梁聯合支護；頂板采用錨網錨梁+W鋼帶聯合支護。并對支護進行有效計算，做到支護設計有理有據。

4.2 巷道頂板離層及位移變形監測

根據開切眼完成施工4個月期間對巷道進行頂板離層及巷道位移變形觀測，觀測結果顯示，巷道兩幫最大變形量32 mm；頂底板最大變形量79 mm，符合錨桿(索)伸縮率要求，說明該支護方式的選取和錨桿(索)密度、強度、長度等參數可有效控制巷道圍巖變形，滿足支護要求，

5 結語

玉溪煤礦1301工作面開切眼距完成施工4個月來，現場施工及后期觀測情況表明，支護設計合理，支護效果良好，支護設計的成功實踐，為大斷面支護設計積累了寶貴的經驗，為同類型巷道支護提供了一定的參考借鑒意義。