莒山礦3 號(hào)煤層回風(fēng)巷道支護(hù)技術(shù)研究

郭振興

（山西智德安全股份有限公司， 山西 太原 030006）

引言

回風(fēng)巷道是綜采工作面安全通風(fēng)和輔助運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ溃虼讼锏绹鷰r有效控制對(duì)工作面安全生產(chǎn)具有十分重要的作用[1-3]。本文以莒山礦3 號(hào)煤層回采工作面回風(fēng)順槽為工程背景，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了工程實(shí)踐，具有良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

莒山煤礦ZF305 工作面位于井田東部，工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為150 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 000 m，工作面所采煤層為3 號(hào)煤層平均厚度為6.18 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～2 層泥巖，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，其中采2.2 m，放3.98 m，采放比1∶1.8，端頭不放煤。工作面基本頂為中粒砂巖，深灰色，含植物化石，平均厚度為8 m；直接頂為黑色泥巖，平均厚度為9.27 m；直接底為灰黑色及深灰色泥巖，夾薄層狀粉砂質(zhì)泥巖，上部含有植物化石，平均厚度為4.5 m，基本底為灰白色中細(xì)砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，平均厚度為5.14 m。

ZF305 回風(fēng)順槽原為ZF303 工作面輔助運(yùn)輸順槽，ZF303 工作面回采結(jié)束后作為ZF305 工作面回風(fēng)順槽繼續(xù)使用，巷道東部為ZF303 采空區(qū)隔離煤柱，寬度為8 m，西部為實(shí)體煤幫，巷道原始支護(hù)方案為錨桿及工字鋼棚支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，頂板及兩幫間排距均為900 mm×900 mm。ZF305 工作面回采期間由于錨桿支護(hù)參數(shù)不合理，巷道發(fā)生了嚴(yán)重的破壞變形，特別是臨近工作面30 m 范圍內(nèi)巷道變形速度大幅度增大，工作面附近頂板最大下沉量達(dá)980 mm，煤柱幫最大變形量為870 mm，實(shí)體煤幫最大變形量為460 mm，底板最大底鼓量為560 mm，嚴(yán)重影響了工作面回風(fēng)及輔助運(yùn)輸。

2 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)分析

2.1 巷道塑性范圍確定

對(duì)于圓形巷道應(yīng)用彈塑性極限平衡理論分析可得圓形巷道塑性區(qū)半徑計(jì)算公式如下[4-5]：

式中：Rp為巷道塑性區(qū)半徑，m；R0為巷道外接圓半徑，m；a 為錨桿排距，取 0.8 m；p 為錨桿錨固力，取150 kN；C 為煤體黏聚力，取 1.08 MPa；φ 為煤體內(nèi)摩擦角，取28°。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Rp=1.03 m。

針對(duì)矩形巷道，由于其應(yīng)力的復(fù)雜性，目前不能從矩形巷道的力學(xué)模型解決出塑性區(qū)形狀及大小問(wèn)題。因此，一般采用將其視半徑為外接圓半徑的圓形巷道進(jìn)行計(jì)算，求得塑性區(qū)半徑后再乘以修正系數(shù)，其相應(yīng)的修正系數(shù)見(jiàn)表1，預(yù)計(jì)F305 回風(fēng)順槽塑性區(qū)范圍R。根據(jù)表1 得，修正系數(shù)為1.4。

代入修正系數(shù)計(jì)算得R=1.36 m。

表1 矩形巷道塑性區(qū)范圍修正系數(shù)

2.2 錨桿長(zhǎng)度確定

巷道錨桿長(zhǎng)度L 應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：L1錨桿外露長(zhǎng)度，取0.15 m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，頂錨桿取圍巖松動(dòng)圈冒落高度b，幫錨桿取幫破碎深度R，m；L3為錨桿錨固長(zhǎng)度，取0.4 m。

圍巖松動(dòng)圈冒落高度：

式中：B、H 分別為巷道掘進(jìn)跨度和高度，均取3 m；f頂為擾動(dòng)影響下頂板巖石普氏系數(shù)，取1.7；ω幫為兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，取28°。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得b=1.38 m。

因此，頂板錨桿長(zhǎng)度L=0.15+1.38+0.4=1.91 m，幫部錨桿長(zhǎng)度L=0.15+1.36+0.4=1.86 m。

2.3 錨桿間排距

回采巷道錨桿布置必須滿(mǎn)足錨桿懸吊巖體重量，為保證頂板的穩(wěn)定性，則錨桿錨固力應(yīng)能承擔(dān)懸吊巖體的重量，通常情況下間排距相等，結(jié)合以往的支護(hù)實(shí)踐，確定巷道錨桿間排距為800 mm。

3 巷道支護(hù)方案

以往研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，錨桿及錨索的合理支護(hù)對(duì)巷道圍巖的有效控制具有十分重要的作用，在采動(dòng)影響下，巷道圍巖淺部巖層極易發(fā)生破壞，巖石強(qiáng)度大幅度降低，通過(guò)錨桿及錨索支護(hù)可以有效提高巖石的殘余強(qiáng)度。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合F305 回風(fēng)順槽頂板巖層賦存情況，確定錨桿支護(hù)方案。

3.1 錨桿支護(hù)

巷道頂板采用Φ20 mm×2 000 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，間排距為800 mm×800 mm，每排布置4 根錨桿，靠近兩幫邊緣錨桿與豎向方向呈15°夾角；兩幫采用Φ20 mm×2 000 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂加長(zhǎng)支護(hù)，錨桿間排距均為800 mm×800 mm，幫部每排布置4 根錨桿，幫部上下邊緣錨桿與水平方向呈15°夾角。錨桿支護(hù)時(shí)采用1 卷K2335、1 卷Z2360 型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度≮1.0 m，頂錨桿最低錨固力120 kN，幫錨桿最低錨固力80 kN，預(yù)緊扭矩≮200 N·m。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

巷道錨桿支護(hù)完畢后頂板采用Φ15.24 mm×8 300 mm 的高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)，“2-1-2”方式布置，樹(shù)脂加強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，破斷載荷不低于260 kN。同時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行混凝土噴漿，噴漿厚度為100 mm，如圖1 所示。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)上述研究對(duì)ZF305 回風(fēng)順槽進(jìn)行重新支護(hù)，支護(hù)斷面如圖1 所示。巷道掘進(jìn)期間頂板最大下沉量為112 mm，兩幫最大移近量為156 mm，底板最大底鼓量為46 mm；回采期間回風(fēng)巷道變形曲線(xiàn)如圖2 所示，由圖可知，隨著工作面臨近巷道變形量逐漸增大，在工作面附近頂板最大下沉量約為350 mm，兩幫最大移近量約為420 mm，底板最大底鼓量約為260 mm，巷道變形量遠(yuǎn)低于原始變形量，表明巷道圍巖得到了有效控制，巷道支護(hù)方案合理。

圖1 巷道支護(hù)斷面圖（未標(biāo)單位：mm）

圖2 巷道圍巖變形曲線(xiàn)