木瓜煤礦10-202工作面支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

全小明

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033102）

引言

煤礦井下巷道開挖不僅會(huì)破壞巖石原有平衡，而且導(dǎo)致圍巖應(yīng)力變化，巷道需要相應(yīng)的支護(hù)才能保持圍巖的穩(wěn)定性。合理的支護(hù)參數(shù)可提升工作面采煤過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)可提高采煤的效率。支護(hù)參數(shù)若不合理，則在采煤過(guò)程中易發(fā)生坍塌沖擊地壓等采煤事故。[1]目前，我國(guó)井工煤礦采煤工作面以及回采巷道主要支護(hù)方法就是錨桿主動(dòng)支護(hù)，國(guó)內(nèi)眾多采掘?qū)＜覍?duì)該種支護(hù)方式進(jìn)行了大量卓有成效的技術(shù)研究[2]。劉德軍等總結(jié)了我國(guó)近年來(lái)的煤礦巷道支護(hù)理論和支護(hù)技術(shù)，同時(shí)展望了其發(fā)展方向[2]。康紅普院士重述了煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的基本應(yīng)用，從支護(hù)時(shí)間、支護(hù)位置、支護(hù)應(yīng)力的預(yù)測(cè)，錨桿錨固方式、長(zhǎng)度及密度等方面，闡述了錨桿的應(yīng)用方式。井下應(yīng)力場(chǎng)最終歸納為由巷道支護(hù)會(huì)產(chǎn)生支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)、原巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)三場(chǎng)的綜合場(chǎng)[3]。采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、原巖應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)“三場(chǎng)”的相互作用與協(xié)調(diào)是采動(dòng)巷道圍巖控制的本質(zhì)[3]。分析研究?jī)?yōu)化支護(hù)參數(shù)提高錨桿支護(hù)效果，以適應(yīng)井下各種地質(zhì)條件的變化以及井下應(yīng)力場(chǎng)的變化，以保證錨桿支護(hù)安全有效，方可有效解決圍巖失穩(wěn)的問(wèn)題，并應(yīng)用于井工煤礦的開采實(shí)踐[4]。

1 木瓜煤礦10-202工作面概況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦10-202工作面地面位于下塌水庫(kù)里以北，地面位置處于晉西黃土高原-呂梁山中段西側(cè)的中低山區(qū)[5]。地表地形較為復(fù)雜，地表主要發(fā)育侵蝕的峁、黃土梁等地貌，其次發(fā)育沖溝及黃土溝谷等地貌[5]。工作面頂面標(biāo)高+852～+809 m，地面標(biāo)高+1 074～+1 220 m，蓋層厚度262.4～371.0 m。10-202工作面位于井田北部。根據(jù)附近鉆孔地質(zhì)資料可知，目前10-202工作面開采的10號(hào)煤屬于石炭系太原組地層。10-202工作面區(qū)域地層為小的向斜構(gòu)造，向斜走向軸部50°，傾向140°，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)1.2 m及1.4 m斷層各一個(gè)。

工作面東西寬580 m，南北長(zhǎng)245 m。9號(hào)煤、10號(hào)煤在工作面東南部合并，9號(hào)煤厚度為3.05～3.15 m，平均3.10 m，煤層結(jié)構(gòu)為0.48（0.07）2.55；10號(hào)煤厚度為2.0～2.4 m，平均2.20 m，煤層結(jié)構(gòu)為0.75（0.15）1.30。工作面煤層傾角4°～8°，平均6°為近水平煤層。煤質(zhì)水分1.2%、灰分24.92%、揮發(fā)分27.48%、含硫量1.22%。10-202工作面布置如圖1所示，煤層頂?shù)装逄卣饕娤马?yè)表1。

2 巷道錨桿支護(hù)理論

圖1 工作面布置示意

表1 工作面頂?shù)装逄卣饕挥[表

自然平衡拱理論認(rèn)為在井巷開拓后，在重力的作用下煤層上部軟弱、破碎圍巖會(huì)產(chǎn)生冒落的現(xiàn)象；自然平衡拱會(huì)在一定范圍內(nèi)深部的圍巖內(nèi)形成，自然平衡拱以上的巖體會(huì)在煤層采掘過(guò)程中維持相對(duì)的穩(wěn)定性[5]。根據(jù)自然平衡拱理論，結(jié)合巷道開拓時(shí)揭露的煤層及圍巖的力學(xué)性質(zhì)，初步設(shè)計(jì)10-202工作面應(yīng)用“錨網(wǎng)梁+錨索”聯(lián)合支護(hù)的方法。錨桿對(duì)“自然平衡”拱以下容易冒落的巖層可以固定于上部穩(wěn)定的巖層；錨索錨固于深部圍巖里，利用其強(qiáng)度，可以對(duì)錨桿錨固的地層起到保護(hù)、懸吊的作用[5]。噴漿可以起到以下幾個(gè)方面的作用：以可防止小塊巖石的脫落；可防止地層風(fēng)化導(dǎo)致其強(qiáng)度降低；改善了地層的受力狀態(tài)，由不穩(wěn)定的二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定的三向應(yīng)力狀態(tài)[5]。采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表和鋼筋梯子梁可以有效解決10-202工作面直接頂較破碎的問(wèn)題[5]。圖2即為自然平衡拱理論力學(xué)模型。

3 巷道支護(hù)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 錨桿長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)計(jì)

錨桿長(zhǎng)度為錨桿外漏長(zhǎng)度（L桿1）、錨桿的摩擦有效長(zhǎng)度（L桿2）、深入穩(wěn)定巖層錨固長(zhǎng)度（L桿3）三者的總長(zhǎng)，如公式（1）：

式中：L桿1取0.1 m，L頂桿3取1.0 m，L幫桿3取0.3 m；L桿2可根據(jù)普氏理論計(jì)算，見式（2）。

式中：f為頂板巖石強(qiáng)度系數(shù)，3.5；φ為頂板巖石內(nèi)摩擦角，40°；B為巷道的寬度，5.6 m；H為巷道的高度，4.1 m。

根據(jù)式（1）（2）及相關(guān)參數(shù)計(jì)算，錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，巷道支護(hù)安全考慮，均選用長(zhǎng)度為2.1m的高強(qiáng)錨桿作為頂錨桿，幫錨桿長(zhǎng)度的選取應(yīng)結(jié)合相鄰工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及礦壓監(jiān)測(cè)資料分析，將10-102工作面錨桿確定為2.1 m的高強(qiáng)錨桿。

3.2 錨固力及錨桿間的排距參數(shù)設(shè)計(jì)

錨固力及錨桿間排距參數(shù)的設(shè)計(jì)可以參照與采用的錨桿屈服載荷相匹配的原則，錨桿間排距根據(jù)錨固力不小于被懸吊巖層的重量的原則[6]計(jì)算：

式中：Q桿為錨固力，kN；K1為安全系數(shù)，取2.5；L桿2為錨桿的有效長(zhǎng)度，據(jù)普氏理論及公式計(jì)算，10-202工作面錨桿的有效長(zhǎng)度取1.0 m；α桿1為錨桿的間距，依據(jù)相鄰巷道經(jīng)驗(yàn)值取1.15 m；α桿2為錨桿的排距，取1.0 m；γ為巖石平均重度，取25 kN/m3。

圖2 自然平衡拱理論力學(xué)模型

載荷匹配原則，Φ20 mm高強(qiáng)頂錨桿錨固力為80 kN；10-202工作面巷頂錨桿排間距為1 000 mm×1 150 mm時(shí)，經(jīng)公示（3）計(jì)算得出錨桿承載力不能小于71.875 kN，同Φ20 mm高強(qiáng)頂錨桿承載力及錨固力是相匹配；在工作面頂錨桿間距相同的情況下，根據(jù)Φ20 mm高強(qiáng)頂錨桿固力計(jì)算，10-202工作面巷頂錨桿排距應(yīng)小于1.52 m，出于安全考慮，將10-202巷頂錨桿排距定為1.0 m；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓檢測(cè)數(shù)據(jù)及相鄰工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，幫錨桿在間距一定的情況下排距將與頂錨桿對(duì)齊，可滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求[6]。

3.3 錨桿直徑參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合錨桿承載力與錨固力等強(qiáng)的原則，計(jì)算如下：

式中：d桿為錨桿的直徑，m；σs為錨桿屈服強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頂錨桿采用螺紋鋼錨桿（HBR335）[6]，錨桿屈服強(qiáng)度取335 MPa，根據(jù)公式（4）及給定參數(shù)計(jì)算，d桿=20 mm。因此10-202工作面巷頂錨桿采用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿（Φ20 mm×2 100 mm），可以滿足工作面支護(hù)強(qiáng)度指標(biāo)[6]。

3.4 錨索長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)計(jì)

錨索長(zhǎng)度同樣由錨索外漏長(zhǎng)度（L索1）、錨索的有效長(zhǎng)度（L索2）、深入穩(wěn)定巖層錨固長(zhǎng)度（L索3）三者的總長(zhǎng)，如公式（5）：

式中：L索為錨索總長(zhǎng)度，m；L索1為錨索巷道外露長(zhǎng)度，取0.31 m；L索2為錨索的摩擦有效長(zhǎng)度，m；L索3為錨索錨固長(zhǎng)度，取最大值2.5 m；σt為錨索抗拉強(qiáng)度，取1 820 MPa；d為錨索直徑，取18.9 mm；τc為黏結(jié)強(qiáng)度，取10 MPa。

經(jīng)計(jì)算，頂錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于3.70 m，出于安全設(shè)計(jì)考慮，10-202巷錨索長(zhǎng)度加長(zhǎng)至5.3 m。

3.5 錨索間排距參數(shù)設(shè)計(jì)

式中：a索1、a索2為錨索間距和排距，均取2.0 m；N索為錨索自身的承載力，取400 kN；K2為錨索的安全系數(shù)，取2；h為錨桿所固定圍巖厚度，取3.0 m。

根據(jù)公式（7）及給定參數(shù)，計(jì)算10-202工作面巷頂錨索間距為5.1 m，出于安全考慮，采用2.0 m的錨索間排距是可以滿足支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，10-202工作面巷道支護(hù)平面設(shè)計(jì)見圖3，斷面設(shè)計(jì)見圖4。

4 結(jié)語(yǔ)

木瓜煤礦10-202工作面揭露煤層為9+10煤，煤組平均地層傾角在6°左右，煤組含炭質(zhì)泥巖三層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是工作面煤組厚度變化較小，為穩(wěn)定煤層。根據(jù)自然平衡拱理論模型，結(jié)合工作面揭露的煤系地層地質(zhì)力學(xué)情況，通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定可以采用“錨網(wǎng)梁+錨索”聯(lián)合法對(duì)10-202工作面進(jìn)行支護(hù)[6]。經(jīng)驗(yàn)算，設(shè)計(jì)采用的支護(hù)參數(shù)均能夠保證工作面生產(chǎn)要求，能夠保證巷道整體穩(wěn)定性。依據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)，繪制了10-202工作面巷道支護(hù)平面圖及斷面圖，以指導(dǎo)工作面支護(hù)作業(yè)。

圖3 10-202工作面巷道支護(hù)平面圖（單位：mm）

圖4 10-202工作面巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）