龍宮煤礦2號(hào)煤層運(yùn)輸巷道支護(hù)參數(shù)的研究

劉培東

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 034000）

引言

由于煤礦資源主要分布在不同地層中，而煤層的地質(zhì)環(huán)境及構(gòu)造情況相對(duì)復(fù)雜，需對(duì)煤層巷道進(jìn)行支護(hù)施工設(shè)計(jì)。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的不準(zhǔn)確或不合理，將會(huì)導(dǎo)致巷道出現(xiàn)坍塌事故，嚴(yán)重影響著工作面及人員安全[1]。因此，在煤礦開采前，需根據(jù)巷道的地質(zhì)情況進(jìn)行最佳的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，這對(duì)保證整個(gè)工作面巷道的支護(hù)強(qiáng)度及安全性至關(guān)重要。為此，以龍宮煤礦5號(hào)煤層為分析對(duì)象，在對(duì)其煤層堅(jiān)固性進(jìn)行測定后，開展了該運(yùn)輸巷道支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析和支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并將該些支護(hù)參數(shù)應(yīng)用到了巷道的實(shí)際施工操作中，從而大大提高了該工作面中運(yùn)輸巷道的安全性，具有重要的實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。

1 2號(hào)煤層的提前測定

1.1 2號(hào)煤層概況

龍宮煤礦2號(hào)煤層位于太原組中下部，煤層厚度2.00～5.34 m，平均3.86 m，屬中厚煤層。厚度變異系數(shù)為37%，可采性指數(shù)為1.00，定量評(píng)定為較穩(wěn)定煤層。最厚處位于井田的中部，全區(qū)可采[2]。一般含0～2層夾矸，夾矸單層厚度0.17～0.45 m，結(jié)構(gòu)較簡單，定性評(píng)定為穩(wěn)定煤層。根據(jù)定性及定量評(píng)定2號(hào)煤層穩(wěn)定性綜合評(píng)定為穩(wěn)的全區(qū)可采煤層。直接頂板為砂巖，老頂為細(xì)砂巖，底板為細(xì)砂巖。該煤層為礦井主采煤層，井田內(nèi)上部大部采空。

1.2 煤層中煤樣堅(jiān)固性測定

煤的堅(jiān)固性是煤的各種性質(zhì)所決定的抵抗外力破壞能力的一個(gè)綜合性指標(biāo)，用堅(jiān)固性系數(shù)f表示。本標(biāo)準(zhǔn)采用搗碎法測定堅(jiān)固性系數(shù)f值。故采用各類儀器設(shè)備，開展了該煤層中煤樣堅(jiān)固性的測定[3]。實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備包括：搗碎筒、計(jì)量筒、分樣篩（孔徑20 mm、30 mm和0.5 mm各一個(gè)）、天平（最大稱重1 000 g，感量0.5 g）、小錘、漏斗、容器。部分儀器如圖1所示。采用分樣篩，將所采樣的煤層巖石根據(jù)不同粒徑大小，分為了A、B、C三組，每組5份，如圖2所示，由此，開展了煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)測試。

圖1 巖石的堅(jiān)固性系數(shù)測試儀器

圖2 選取的煤樣

經(jīng)過測定，得到三組煤樣堅(jiān)固性系數(shù)的測定結(jié)構(gòu)，如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，3組煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)分別為0.66、0.68、0.58，平均值為0.64。因此，龍宮煤礦2號(hào)煤層強(qiáng)度相對(duì)較低，在巷道建設(shè)過程中需進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析。

表1 煤的堅(jiān)固性系數(shù)測定結(jié)果

2 運(yùn)輸巷道支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析

結(jié)合前文煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)測定可知，龍宮煤礦2號(hào)煤強(qiáng)度相對(duì)較低，為此，開展了運(yùn)輸巷道的支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬分析研究。

2.1 運(yùn)輸巷道數(shù)值模型建立

本次數(shù)值模擬以龍宮煤礦實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)，建立22101工作面運(yùn)輸巷道數(shù)值模型，按照設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)方案，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)[4]，如下頁圖3所示為兩種支護(hù)方案條件下22101工作面運(yùn)輸巷道數(shù)值模型，2號(hào)煤層平均厚度3.86 m，直接頂砂巖厚度為3.8 m。數(shù)值模型兩側(cè)、底部和前后界面進(jìn)行位移和應(yīng)力邊界約束，平均埋深約270 m，模型頂部界面施加初始垂直載荷σz=6.75 MPa，兩側(cè)界面施加初始水平應(yīng)力σx=σy=8.1 MPa，運(yùn)算采用摩爾-庫侖本構(gòu)準(zhǔn)則。

圖3 運(yùn)輸巷道數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 運(yùn)輸巷道錨桿（索）應(yīng)力分布特征對(duì)比

通過對(duì)運(yùn)輸巷道工作面不同支護(hù)方案的數(shù)值模擬分析，得到了巷道中錨桿（索）應(yīng)力分布特征情況如圖4所示。從運(yùn)輸巷道錨桿（索）應(yīng)力分布特征情況來看，2種方案錨桿（索）桿體所受應(yīng)力沒有太大差異，但在錨固段方案1錨桿（索）受力比方案2更小，錨桿（索）錨固段不易失效，可見方案1為最優(yōu)方案。

圖4 不同支護(hù)方案下運(yùn)輸巷道錨桿（索）應(yīng)力分布

2.2.2 運(yùn)輸巷道圍巖垂直應(yīng)力特征分析

通過數(shù)值模擬分析，得到了不同支護(hù)方案條件下運(yùn)輸巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況圖，如圖5所示。由圖可知，垂直應(yīng)力在巷道兩側(cè)呈對(duì)稱分布，巷幫垂直應(yīng)力為負(fù)值，說明圍巖呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。但巷道頂板附近區(qū)域應(yīng)力集中程度顯著不同，頂板附近區(qū)域垂直應(yīng)力最大值由大到小依次為方案2＞方案1，說明采用方案1支護(hù)方案時(shí)，巷道承載能力有了較大幅度提高，方案2由于錨桿（索）覆蓋范圍小，支護(hù)強(qiáng)度低，巷道承載能力低，使巷道發(fā)生了進(jìn)一步破壞，導(dǎo)致應(yīng)力釋放，因此，方案1頂板表面圍巖垂直應(yīng)力低于其他兩種方案。

圖5 不同支護(hù)方案運(yùn)輸巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

3 運(yùn)輸巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

該工作面運(yùn)輸巷道為煤層巷道，此條件下的支護(hù)形式為：錨桿+錨索+W型鋼帶+金屬網(wǎng)的主動(dòng)支護(hù)形式。下面重點(diǎn)對(duì)運(yùn)輸巷道中頂板支護(hù)及巷道幫部支護(hù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1 頂板支護(hù)

3.1.1 支護(hù)材料

1)錨索采用Φ15.24×6 000 mm鋼絞線，錨索錨固劑采用1卷規(guī)格MSK2335和2卷規(guī)格MSZ2360樹脂藥卷，錨索采用“W”型鋼帶連接，型號(hào)為280 mm×4 mm×1 800 mm，錨索預(yù)緊力≥210 kN。錨索托盤使用300 mm×300 mm×14 mm鋼托盤[5]。

2）頂錨桿采用Φ18左旋螺紋鋼錨桿，長度為2 250 mm，使用1卷規(guī)格MSK 2335和1卷規(guī)格MSZ 2360樹脂藥卷加長錨固，采用“W”鋼帶連接，鋼帶型號(hào)為280 mm×4 mm×1 800 mm，預(yù)緊扭矩≥220 N·m，托盤為Φ150×10 mm鋼托盤。

3.1.2 間排距

頂板錨桿間排距為800 mm×800 mm，5根錨桿；錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，2根錨索。

3.2 巷道幫部支護(hù)

3.2.1 支護(hù)材料

支護(hù)網(wǎng)片為Φ6 mm的金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm。金屬網(wǎng)與錨桿外露部分用聯(lián)網(wǎng)絲扭結(jié)固定。網(wǎng)與網(wǎng)之間對(duì)邊必須用聯(lián)網(wǎng)絲扭結(jié)成整體，每隔10 cm做到三扭一扣[6]。

3.2.2 間排距

幫錨桿間排距為800 mm×800 mm，一幫4根錨桿。

4 施工效果評(píng)價(jià)

在2號(hào)煤層運(yùn)輸巷道支護(hù)現(xiàn)場施工過程中，整個(gè)巷道支護(hù)的施工操作嚴(yán)格按照所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案及參數(shù)進(jìn)行操作，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)安全操作措施。據(jù)現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人介紹，巷道支撐所需的施工部件均根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)提前加工，按照此設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅大大提升了運(yùn)輸巷道的支撐性能，也使得運(yùn)輸巷道的施工周期縮短了1/5左右，節(jié)約了相應(yīng)的支護(hù)材料，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。由此說明，采用科學(xué)的設(shè)計(jì)、分析及計(jì)算方法，對(duì)開展巷道支護(hù)的施工操作具有重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

在運(yùn)輸巷道支護(hù)的現(xiàn)場施工作業(yè)前，采用科學(xué)、合理的分析方法對(duì)其進(jìn)行提前計(jì)算研究，是保障整個(gè)運(yùn)輸巷道具有較強(qiáng)支護(hù)性能的關(guān)鍵。較強(qiáng)的運(yùn)輸巷道支護(hù)效果，不僅能提高煤礦開采效率，也可大大提高工作面的作業(yè)安全。為此，通過對(duì)龍宮煤礦2號(hào)煤層進(jìn)行測定，得出該煤層的強(qiáng)度相對(duì)較低，開展了該運(yùn)輸巷道支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析和支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，找到了最佳的巷道支護(hù)方案及最佳的支護(hù)參數(shù)，按照此設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，該運(yùn)輸巷道的施工周期、材料及人工成本均得到了明顯降低，也使得整個(gè)巷道的支護(hù)性能更強(qiáng)，提高了工作面的作業(yè)安全，實(shí)際指導(dǎo)意義較大。