工作面煤巷支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

張 飛

（山西西山礦業(yè)管理有限公司西坡分公司，山西 太原 030053）

引言

中國(guó)的煤炭生產(chǎn)方式主要為井工開(kāi)采，每年需要發(fā)掘大量的巷道，其中巷道發(fā)掘近八成的占比為煤巷[1]。煤巷是煤礦生產(chǎn)的重要通道，煤巷的主要作用是便于煤巖體和工程材料的運(yùn)輸、地下通風(fēng)、行人交通等。煤巷在使用期間的安全性直接影響礦井的建設(shè)以及采煤量。但煤巷巖層復(fù)雜多變，巖層物理學(xué)參數(shù)及礦井設(shè)計(jì)千差萬(wàn)別，使得煤巷支護(hù)面臨設(shè)計(jì)條件差異性大、安全性差、支護(hù)難度高等問(wèn)題[2]。為保證煤巷在使用期間的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)科技工作者對(duì)煤巷支護(hù)進(jìn)行研究，形成了相關(guān)煤巷支護(hù)技術(shù)，推動(dòng)了世界煤炭的發(fā)展。

1 6105工作面工程概況

本文所要完成的工作是對(duì)某個(gè)煤礦的6105工作面的順槽以及切眼地段進(jìn)行設(shè)計(jì)。煤層為近水平煤層，井田寬緩的褶曲為主，整個(gè)煤礦沒(méi)有巖漿活動(dòng)過(guò)的痕跡，切斷層較為稀少，總體上有利于回采。如圖1所示，為6105工作面巷道的位置[3]。

圖1 巷道位置

6105工作面名稱及尺寸如表1所示。

表1 巷道名稱及尺寸 mm

本文中，6號(hào)煤層6105工作面的圍巖基本力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 6號(hào)煤層6105工作面圍巖基本力學(xué)參數(shù)

2 支護(hù)數(shù)值模擬分析

2.1 6105工作面開(kāi)切眼模型的建立

本文6號(hào)煤層平均厚度取12 m，埋深取150 m。開(kāi)切眼尺寸為7 500 mm×3 000 mm，將其布置在6號(hào)煤層，并且根據(jù)相關(guān)要求需要留出9 m厚的頂煤。巷道頂板模擬取30 m，底板模擬取9.4 m，巷道兩幫各25 m。

2.2 無(wú)支護(hù)條件下6105開(kāi)切眼模擬

2.2.1 無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖塑性破壞范圍

開(kāi)挖后，若不采取任何支護(hù)措施，那么圍巖會(huì)被破壞。通過(guò)仿真軟件模擬可以得出巷道頂板破壞范圍為2.0 m，兩幫破壞范圍為1.4 m。如果不及時(shí)采取相應(yīng)的支護(hù)措施，那么巷道圍巖將會(huì)發(fā)生頂板冒落、跨落等危險(xiǎn)后果。

2.2.2 無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力

本文對(duì)無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力從豎直方向和水平方向上分開(kāi)討論。

當(dāng)?shù)V山進(jìn)行開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，巷道圍巖在豎直方向上的應(yīng)力被分為三個(gè)區(qū)域，分別為降低區(qū)、增高區(qū)、平衡區(qū)。應(yīng)力在頂板中2 m的范圍內(nèi)降低得明顯，兩幫的豎直應(yīng)力在1 m的范圍內(nèi)為降低區(qū)；1.0~1.5 m為平衡區(qū)；大于1.5 m的范圍為增高區(qū)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1.72 m處。

對(duì)于水平方向上的應(yīng)力，當(dāng)兩幫水平應(yīng)力引起圍巖破壞時(shí)，水平方向上的應(yīng)力會(huì)有所降低，降低的區(qū)域半徑為1.5 m。

2.2.3 圍巖無(wú)支護(hù)位移分布

頂板的方向位移和兩幫朝巷道方向的位移在沒(méi)有支護(hù)條件時(shí)較為嚴(yán)重，其中，對(duì)于頂板，最大位移出現(xiàn)在頂板中間，下沉位移大約為63.4 mm；對(duì)于底板，最大位移出現(xiàn)在底板中間，突起大約為16.3 mm。相對(duì)位移量為79.7 mm。圍巖中的左右?guī)臀灰剖菍?duì)稱的，相對(duì)位移近127 mm。

2.3 存在支護(hù)作用下6105開(kāi)切眼模擬分析

2.3.1 圍巖塑性破壞分析

巷道在支護(hù)作用下，與無(wú)支護(hù)條件相比，圍巖的塑性區(qū)范圍減小很多。

2.3.2 圍巖應(yīng)力

在存在支護(hù)的條件下，無(wú)論是巷道的豎直方向還是水平方向，其應(yīng)力狀態(tài)明顯好于無(wú)支護(hù)時(shí)。與無(wú)支護(hù)相比，應(yīng)力向的巷道方向移近0.49 m，應(yīng)力降低區(qū)此時(shí)為0.49 m以內(nèi)的范圍，相應(yīng)的，此時(shí)應(yīng)力平衡區(qū)范圍為0.49~1.0m，應(yīng)力增高區(qū)的范圍為大于1m，應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在1.1 m處。圍巖中的兩幫豎直方向上的應(yīng)力升高區(qū)的范圍也隨之增加，在豎直方向上應(yīng)力向圍巖深處繼續(xù)傳遞由于支護(hù)的作用而被阻止，進(jìn)而使得巷道保持穩(wěn)定。

對(duì)于水平方向應(yīng)力，與無(wú)支護(hù)時(shí)相比，底板水平方向應(yīng)力更加均勻，頂板范圍的拉應(yīng)力范圍減小。巷道的頂板圍巖在支護(hù)作用下達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3.3 圍巖應(yīng)變特征

豎直方向、水平方向的位移均得到了較為理想的控制。相對(duì)位移量均減少了30%以上。

3 6105工作面煤巷支護(hù)方案及參數(shù)

3.1 支護(hù)方案確定方法

本文中，頂板錨桿和幫錨桿長(zhǎng)度取值均為2.4 m，同時(shí)二者之間的距離應(yīng)該小于1.0 m。錨索的長(zhǎng)度應(yīng)該大于6.8 m。

根據(jù)原國(guó)家煤炭部提出了關(guān)于錨桿支護(hù)的規(guī)范條件，其內(nèi)容主要是關(guān)于錨固力、桿體破壞力、金屬錨桿支護(hù)參數(shù)以及巷道錨桿支護(hù)方案和技術(shù)參數(shù)等要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，本文設(shè)計(jì)的支護(hù)方案為：錨桿+W鋼筋梁+網(wǎng)+錨索。其中端錨，桿體直徑為15~16 mm，桿長(zhǎng)的長(zhǎng)度為1.7~2.1 m，間排距為650~950 mm，本文中錨固力>65 kN；對(duì)于全長(zhǎng)錨桿，桿體直徑為19~21 mm，桿體的長(zhǎng)度為1.9~2.3 m，間排距與端錨的間排距要求相同，為650~950 m。

3.2 運(yùn)輸順槽錨網(wǎng)支護(hù)方案和參數(shù)

本文的錨桿支護(hù)方案為錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁聯(lián)合支護(hù)。錨桿的支護(hù)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 6105工作面運(yùn)輸順槽錨網(wǎng)支護(hù)部分參數(shù)

對(duì)于錨固方式頂板支護(hù)和巷幫支護(hù)均采用樹(shù)脂錨固法，其中頂板支護(hù)錨固劑規(guī)格為K2335和Z2360。鉆孔Φ為28 mm，錨固尺寸為1.1 m；巷幫支護(hù)錨固劑型號(hào)為Z2360，鉆孔的直徑Φ取值為30 mm，錨固尺寸為600 mm。對(duì)于網(wǎng)片規(guī)格，兩種支護(hù)方法均選用經(jīng)緯形式的金屬網(wǎng)，巷幫支護(hù)網(wǎng)孔規(guī)格均為40 mm×40 mm，網(wǎng)片之間的搭接寬度均為0.1 m，均用16號(hào)鉛絲進(jìn)行連接。其中頂板支護(hù)網(wǎng)片規(guī)格為4.2 mm×1.1 m，巷幫支護(hù)網(wǎng)片規(guī)格為3 mm×1.1 m。對(duì)于錨桿布置，頂板支護(hù)采用錨桿排距1 m，每排5根錨桿，間距為1 m的方式；巷幫支護(hù)錨桿排距為1 m，每幫每排兩根錨桿，間距為1.2 m。在最底下的錨桿距離底板應(yīng)為1.2 m，靠近頂板最近的幫錨桿與頂板之間的距離應(yīng)為600 m。對(duì)于錨桿角度，錨桿與頂板面相垂直，在巷道矩形的拐角處，最后一根錨桿與垂直方向成30°。巷幫支護(hù)中，靠近頂板的一根錨桿與地平線呈30°角，其余錨桿與巷幫垂直。運(yùn)輸順槽錨網(wǎng)支護(hù)布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 運(yùn)輸順槽錨網(wǎng)支護(hù)布置圖（未標(biāo)單位：mm）

3.3 回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)方案及參數(shù)

本文的支護(hù)方案為錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁聯(lián)合支護(hù)。錨桿的支護(hù)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 6105工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)部分參數(shù)

對(duì)于錨固方式，頂板支護(hù)采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固的方式，需要采用錨固劑的規(guī)格分別為K2335、Z2360，鉆孔的直徑Φ為28 mm，錨固尺寸為1.1 m；巷道支護(hù)采用樹(shù)脂端部錨固，錨固劑規(guī)格為Z2360，鉆孔Φ為30 mm，錨固尺寸為600 mm。對(duì)于錨桿角度、網(wǎng)片規(guī)格，工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)與工作面運(yùn)輸順槽錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)相同。對(duì)于錨桿布置，除頂板支護(hù)中靠近巷道兩幫最后一個(gè)錨桿距離巷道兩幫的距離為0.1 m外，其他參數(shù)工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)與工作面運(yùn)輸順槽錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)相同。6105工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 6105工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)布置圖（未標(biāo)單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)支護(hù)數(shù)值模擬分析比較了有無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖塑性破壞范圍、圍巖應(yīng)力云圖、圍巖應(yīng)變特征。通過(guò)支護(hù)作用可以使得圍巖的塑性區(qū)范圍減小很多，阻止了在豎直方向上應(yīng)力向圍巖深處繼續(xù)傳遞，進(jìn)而使得巷道保持穩(wěn)定。對(duì)于水平方向應(yīng)力，與無(wú)支護(hù)時(shí)相比，底板水平方向應(yīng)力更加均勻，頂板范圍的拉應(yīng)力范圍減小。豎直方向相對(duì)位移量均減少了30%以上。最后本文分析了6105工作面煤巷支護(hù)方案及參數(shù)，包括運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)方案及參數(shù)。