王坡煤礦3206孤島工作面回風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計(jì)

陳品華

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048021)

孤島工作面因其獨(dú)特的開采條件，在掘進(jìn)和開采過程中，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道變形劇烈,維護(hù)困難，制約了煤礦安全生產(chǎn)。為此，多名學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。白璐等[1]提出孤島工作面巷道采用全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿、中空注漿錨桿及強(qiáng)力錨索組合支護(hù)方案。趙建峰等[2]通過研究孤島工作面圍巖變形特征，提出了錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴漿+U型鋼拱支架的綜合支護(hù)方案。陳建永[3]分析了窄小煤柱孤島工作面圍巖特征，對(duì)進(jìn)風(fēng)巷頂板和采空區(qū)側(cè)煤幫進(jìn)行整體加固?；谇叭说难芯砍晒?，結(jié)合理論及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開展了山西天地王坡煤礦3206孤島工作面回風(fēng)巷支護(hù)技術(shù)研究。

1 工程概況

山西天地王坡煤礦現(xiàn)開采3#煤層，3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，所采煤層平均埋藏深度為500 m，煤層厚度5.8 m，煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層傾角為2°～10°，平均為6°，煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均為18.09 MPa.

1.1 巷道布置

3206工作面為孤島工作面，其回風(fēng)巷道緊鄰3208、3204工作面采空區(qū)，3206回風(fēng)順槽為動(dòng)壓影響巷道，沿頂板掘進(jìn)，受采空區(qū)殘余回采應(yīng)力及采空區(qū)邊緣煤體塑性區(qū)的影響，掘進(jìn)過程動(dòng)壓顯現(xiàn)劇烈，巷道維護(hù)困難。其斷面設(shè)計(jì)尺寸為5 000 mm×3 400 mm. 3206回風(fēng)巷與3204采空區(qū)留設(shè)保安煤柱20 m. 巷道布置見圖1，頂板巖性情況見表1.

1.2 試驗(yàn)巷道地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

根據(jù)王坡煤礦3210孤島工作面的工程經(jīng)驗(yàn)[4]，孤島工作面順槽巷道主要特征有：動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形破壞主要以兩幫變形為主，巷道圍巖內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較大的離層、滑動(dòng)和裂隙張開，破壞范圍較深。錨桿長(zhǎng)度及幫部支護(hù)強(qiáng)度不夠。通過對(duì)圍巖變形破壞分析得出，3206工作面回風(fēng)順槽支護(hù)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)兩幫支護(hù)，且要一次性支護(hù)到位，對(duì)強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道兩幫全部進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù)。大幅提高巷道整體的支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度，特別是支護(hù)剛度，采用預(yù)應(yīng)力高、護(hù)表面積大的護(hù)表構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散，提高錨桿和錨索的預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率。

2 巷道支護(hù)形式和參數(shù)選取

2.1 理論計(jì)算

利用工程類比法及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)選擇錨桿支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)頂板，根據(jù)該設(shè)計(jì)的支護(hù)理念，決定采用自然平衡拱原理作為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，通過巷道圍巖層間的關(guān)系估計(jì)巷道支護(hù)的錨桿參數(shù)。

圖1 工作面巷道布置示意圖

表1 頂?shù)装鍘r性描述表

1) 自然平衡拱高度b.

(1)

式中：

a—巷道寬度的一半，m，取2.5；

θ—似摩擦角，θ=tg-1f；

f—煤的普氏硬度系數(shù)，取1.5.

計(jì)算得，自然平衡拱的高度b=2.31 m.

2) 錨桿間排距計(jì)算。

頂板懸頂面積計(jì)算公式：

(2)

式中：

A—懸頂面積，m2；

Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN；

K—安全系數(shù)，一般取2；

r—被懸吊巖石容重，kN/m3，取30；

L2—冒落拱高度，m，取2.31.

計(jì)算得，A=1.37 m2.

錨桿間排距為：

a=b=A1/2=1.17 m

結(jié)合以上計(jì)算可以得出錨桿長(zhǎng)度不小于2.31 m,間距不應(yīng)大于1.17 m，錨桿排距不應(yīng)大于1.17 m.

2.2 錨桿支護(hù)數(shù)值模擬

為研究錨桿錨固方式與錨桿角度對(duì)巷道整體支護(hù)效果的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法分別對(duì)其進(jìn)行研究。

錨固方式不同，錨桿附加應(yīng)力場(chǎng)分布有較大區(qū)別(圖2). 端部錨固錨桿預(yù)應(yīng)力作用范圍較大，但是錨桿自由段中部壓應(yīng)力較小，形成類似“葫蘆”形的壓應(yīng)力分布區(qū)；加長(zhǎng)錨固錨桿預(yù)應(yīng)力作用范圍比端部錨固小，形成的有效壓應(yīng)力區(qū)厚度小，形成類似錐形的壓應(yīng)力分布區(qū)，效果比端部錨固差。

圖2 不同錨固方式錨桿的附加應(yīng)力場(chǎng)分布圖

頂板角錨桿的角度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布有顯著影響(圖3). 垂直布置時(shí)，角錨桿與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接與疊加，在頂板形成厚度較大、分布比較均勻的壓應(yīng)力區(qū)，覆蓋了錨固區(qū)的大多數(shù)面積，錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散與疊加效果最好。隨著角錨桿角度增加，角錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)逐步分離，疊加區(qū)域越來越小。當(dāng)頂板角錨桿角度達(dá)到10°，頂板角錨桿兩個(gè)壓應(yīng)力區(qū)明顯分離。繼續(xù)加大角錨桿角度，角錨桿與中部錨桿的壓應(yīng)力區(qū)分開的更遠(yuǎn)，將會(huì)成為彼此獨(dú)立的支護(hù)單元。因此，頂板角錨桿最好垂直布置。如考慮施工需要一定的角度，最大角度不應(yīng)超過10°. 錨桿支護(hù)參數(shù)的分析同樣適用于錨索。

圖3 不同錨桿角度的附加應(yīng)力場(chǎng)分布圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，3206回風(fēng)巷支護(hù)過程中錨桿錨索應(yīng)垂直頂板布置，錨固方式應(yīng)采用端頭錨固。

3 3206回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

1) 頂板支護(hù)。

3206回風(fēng)順槽支護(hù)布置圖見圖4. 頂板錨桿為MSGLW-500/22×2400左旋無縱筋螺紋鋼筋，排距1 000 mm，間距900 mm，垂直頂板打設(shè)。采用1支MSCKb2335、1支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，長(zhǎng)度為1 208 mm，錨固力不小于190 kN. W235鋼護(hù)板護(hù)表，規(guī)格為300 mm×460 mm×6 mm. 選用150 mm×150 mm×10 mm的高強(qiáng)度拱形托板。

圖4 3206回風(fēng)順槽支護(hù)布置圖

錨索采用SKP22-1/1860-6300礦用高強(qiáng)度鋼絞線。沿巷道頂板軸線布置，每排4根，距兩幫各700 mm，間距1 200 mm,排距1 000 mm，垂直頂板巖層打設(shè)。采用1支MSCKb2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度1 970 mm.

采用300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，預(yù)緊力大于250 kN. 頂板支護(hù)布置示意圖見圖5.

圖5 頂板支護(hù)布置示意圖

2) 兩幫支護(hù)。

錨桿為MSGLW-500/22×2400左旋無縱筋螺紋鋼筋，排距1000 mm，錨桿間距900 mm，距頂、底板分別為300 mm、400 mm，每幫每排4根，垂直巷幫打設(shè)。采用兩支樹脂錨固劑，一支規(guī)格為MSCKb2335，另一支規(guī)格為MSZ2360。錨固力不小于150 kN. 護(hù)表構(gòu)件及托板規(guī)格與頂板一致。

采用SKP22-1/1860-4300礦用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線錨索 沿巷道幫部打設(shè)錨索，每排3根，間距1 200 mm，距頂500 mm. 排距1 000 mm，垂直巷幫打設(shè)。預(yù)緊力大于150 kN，錨固方式、錨固長(zhǎng)度、托板規(guī)格與頂板一致。兩幫支護(hù)布置示意圖見圖6.

圖6 兩幫支護(hù)布置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證新方案的支護(hù)效果，分別在3206回風(fēng)巷掘進(jìn)100 m和300 m位置處各安設(shè)一個(gè)表面位移觀測(cè)站和頂板鉆孔窺視觀測(cè)點(diǎn)。表面位移觀測(cè)采用十字布點(diǎn)法，窺視鉆孔垂直頂板布置，設(shè)計(jì)孔深8 m. 頂板窺視圖見圖7，巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線見圖8，圖9.

圖7 頂板窺視圖

圖8 巷道100 m表面位移監(jiān)測(cè)曲線圖

圖9 巷道300 m表面位移監(jiān)測(cè)曲線圖

3206回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)頂板窺視100 m位置實(shí)際探測(cè)深度為7.6 m，300 m位置實(shí)際探測(cè)深度為7.9 m，兩個(gè)鉆孔頂板巖性基本相同無其他地質(zhì)構(gòu)造。對(duì)比兩個(gè)位置窺視平面展開圖可以看出，在0～1.2 m內(nèi)頂板均有不同程度的橫向裂隙，裂隙寬度為1～2 cm，1.2 m以外無明顯的橫向裂隙；300 m處孔頂板深度2.0～2.4 m有一條1 mm左右的縱向裂隙。整體上巷道圍巖保持良好，新支護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠有效抑制巷道頂板離層，保持頂板巖體的完整性。

在100 m處頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為212 mm，兩幫最大移進(jìn)量為316 mm，在300 m處頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為206 mm，兩幫最大移進(jìn)量為309 mm. 巷道圍巖變形量均在合理區(qū)間內(nèi)，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿、錨索耦合支護(hù)能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度，有效控制孤島工作面巷道圍巖變形，使巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

對(duì)于孤島工作面回采巷道的支護(hù)，在對(duì)巷道圍巖整體加固的同時(shí)，增強(qiáng)對(duì)巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度，以保障巷道能夠均勻協(xié)調(diào)變形。

針對(duì)王坡煤礦3206孤島工作面回風(fēng)巷，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿、錨索耦合支護(hù)，兩幫最大變形量為316 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟?12 mm，掘進(jìn)影響階段變形速率相對(duì)較快，掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段巷道處于緩慢變形階段，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到預(yù)期支護(hù)效果，巷道圍巖整體穩(wěn)定。