綜放工作面順槽巷道支護(hù)優(yōu)化及應(yīng)用分析

牛毅然

（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長治 046000）

1 工程背景

晉能裝備制造集團(tuán)某煤礦3 號(hào)煤層，該煤礦的煤層厚度為480～530 m，煤層的平均厚度為4.26 m。煤層頂部以灰泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂、少量砂巖為主。井田以黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖和灰砂巖為主，構(gòu)造復(fù)雜度適中。原來的順槽巷道支護(hù)方案并沒有按照采動(dòng)量的大小來劃分，只采取相同的支護(hù)方案，這在一定意義上并沒有達(dá)到科學(xué)性和合理性。

圖1 是順槽巷道支護(hù)的原始綜放工作面的設(shè)計(jì)圖。頂板支護(hù)采用左旋無肋螺紋鋼錨桿的型號(hào)為MSGLW-500/22×2400，其排距1.2 m，錨桿間隔1.05 m，每排布置5 個(gè)錨桿，錨固力在150 kN 以上；錨索選用1×19 股高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，型號(hào)為SKP22-1/1720-6400，要求預(yù)應(yīng)力在300 kN 以上，每列2 個(gè)，間距2.4 m。巷道支護(hù)選用MSGLW-500/22×2400 型的左旋無肋螺旋鋼筋錨桿，其排列間隔1.2 m，每列4 個(gè)，前面3 個(gè)錨桿間隔0.9 m，第3 個(gè)和第4 個(gè)錨固間隔0.8 m，錨固力在150 kN 以上。在未回采側(cè)巷幫中部增加幫錨繩，選用1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲繩SKP22-1/1720-5400 型鋼絞線，預(yù)應(yīng)力在250 kN 以上，每列1 條，間距2.4 m。

圖1 順槽巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

2 巷道支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)目前的支護(hù)條件、井壓觀測數(shù)據(jù)、工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場地質(zhì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場地質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行合理的支撐設(shè)計(jì)，同時(shí)通過實(shí)踐不斷地檢驗(yàn)參數(shù)的合理性，并持續(xù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[1]。

2.1 煤樣力學(xué)性質(zhì)

本文以2305 運(yùn)料橫川、2305 聯(lián)絡(luò)巷的煤樣為對(duì)象進(jìn)行了分析。采用濕法處理3#煤樣品，將其制成直徑50 mm、高100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)品，放在通風(fēng)良好的地方，自然干燥一星期。在進(jìn)行測試時(shí)，圍壓最大不得超過20 MPa。在測試時(shí)，分別測試在不同圍壓下煤樣的力學(xué)參數(shù)：圍壓分別為0、5、10、15、20MPa。3#煤的圍壓比和其他的力學(xué)指標(biāo)見表1，煤樣彈性模量與圍壓關(guān)系如圖2 所示。

表1 煤樣力學(xué)參數(shù)

圖2 煤樣彈性模量與圍壓關(guān)系曲線

從表1 和圖2 的不同圍壓力條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)圍壓力增加時(shí)，峰值強(qiáng)度和彈性模量同樣保持著增長的趨勢。由于煤層的構(gòu)造比較疏松，并且節(jié)理發(fā)育的情況比較好，在煤層的內(nèi)部具有較大的孔隙，導(dǎo)致煤層剛度較差。

表2 為3#煤樣品的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，其拉伸強(qiáng)度為0.57 MPa。

在圍壓的取值分別為0、5、10、15、20 MPa 的情況下，對(duì)試樣的最大主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制σ1與σ3的關(guān)系曲線，圖3 表明了兩者之間的回歸關(guān)系。通過最小二乘法對(duì)兩個(gè)計(jì)算結(jié)果之間的相關(guān)性進(jìn)行分析：σ1=4.082σ3+13.68，殘差平方R2=0.984 6，分析的結(jié)果表明圍壓和彈性模量之間線性相關(guān)[2]。可計(jì)算得到3#煤層煤樣黏聚力為339 MPa、內(nèi)摩擦角為37.3°。

圖3 煤樣σ1～σ3 關(guān)系回歸曲線

2.2 巷幫支護(hù)參數(shù)計(jì)算

支護(hù)巷幫支撐能力的計(jì)算方法見式（1）：

為了保持巷幫的穩(wěn)定性，必須使巷道上的支撐強(qiáng)度達(dá)到要求。

P≥δmax，可得出錨桿的間距計(jì)算公式為式（2）：

式（1）、式（2）中：Q 為預(yù)設(shè)幫錨桿應(yīng)力，150 kN；a1為同一行鄰近錨固件的排列間距，m；b1為鄰近兩行錨固件之間的距離，1.2 m；r 為煤的容重，取13.9 kN/m3；d 為巷道寬度的1/2，取2.4 m；H 為巷道的高，3.3 m；γ為表示內(nèi)摩擦角，37.3°；f 為普式系數(shù)，0.6～1.7；k1為錨桿安全系數(shù)，一般取1～3。

在此基礎(chǔ)上，通過選取不同的f 值，進(jìn)行錨桿間距的計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，煤巖體強(qiáng)度越高，對(duì)巷道的支護(hù)能力的要求也就越小。在f 最小為0.6 的條件下，得到的錨距為1.219 m。

2.3 優(yōu)化參數(shù)選擇

根據(jù)以上的研究成果，并與西盤區(qū)2303、2301、2309、2307 等綜合開采順槽巷的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)相比較，得出了在單一或非開采條件下，順槽巷的支護(hù)結(jié)構(gòu)可在原有的支護(hù)方案中進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的支護(hù)效果。

表3 為順槽巷道錨桿間距計(jì)算結(jié)果表，通過對(duì)順槽巷道的支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，得到了最佳的結(jié)果。優(yōu)化方案包括：從原來的4 個(gè)錨桿降到了3 個(gè)，將錨桿間隔由0.9 m 改為1.15 m，將錨桿與頂板之間的距離由0.3 m 改為0.35 m，底部錨桿與底板的高度為0.65 m，與W 鋼支架支護(hù)巷幫配合。鋼帶長度由1.9 m 增加到2.4 m，其他參數(shù)沒有做任何的變化。頂板支護(hù)的各項(xiàng)指標(biāo)未發(fā)生變化。順槽巷道優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

表3 順槽巷道錨桿間距計(jì)算結(jié)果表

圖4 順槽巷道優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

3 現(xiàn)場工程應(yīng)用

為了檢驗(yàn)順槽巷道支護(hù)方案的應(yīng)用效果，2312綜放區(qū)采用了一條200 m 的進(jìn)風(fēng)順槽，對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場測試。根據(jù)順槽巷的最佳支護(hù)條件，在該地段及原有的預(yù)應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，建立綜合測站、頂板離層計(jì)等，對(duì)區(qū)域內(nèi)的移近量進(jìn)行全程測量[3]，結(jié)果如圖5、圖6 所示，從而驗(yàn)證優(yōu)化后的效果。

圖5 原支護(hù)段與優(yōu)化段測站兩幫移近量

由圖5 和圖6 可知，在2312 綜放工作面的回采中，對(duì)原區(qū)和優(yōu)化段測點(diǎn)的圍巖變形進(jìn)行了分析。通過對(duì)比，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)曲線與原始段巷道的圍巖變形基本一致，沒有出現(xiàn)巷幫失穩(wěn)現(xiàn)象，保證了工程的安全性，在2311、2325 等大型綜放工作面進(jìn)行了大面積應(yīng)用，取得了較好的效果。

對(duì)比優(yōu)化前與優(yōu)化后的支護(hù)方案，每列支護(hù)需要的錨桿較優(yōu)化前降低了2 根，1 個(gè)掘進(jìn)隊(duì)每天可完成9 列的108 m 的進(jìn)尺，每天可節(jié)約18 根施工錨桿，支護(hù)施工時(shí)間降低1.2 h。既有效提升了工作效率，同時(shí)也降低了物料成本，單根錨桿的支護(hù)成本為錨桿58元、錨定劑8.8 元，1 個(gè)掘進(jìn)隊(duì)每天節(jié)約的物料成本為1 113 元。

4 結(jié)語

1）對(duì)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以得知，3#的峰值強(qiáng)度和彈性模量與圍壓成正相關(guān)，其中煤樣的自聚力為339 MPa，內(nèi)磨角為37.30°，抗拉強(qiáng)度為0.57 MPa。

2）當(dāng)巷道受到采動(dòng)的影響不明顯時(shí)，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化具有較好的效果，錨桿的布置間距從0.9 m調(diào)整為1.15 m。則在完成相同作業(yè)量的前提下，每天可節(jié)約1.2 h，每米掘進(jìn)距離可降低1 113 元的材料支出，降低了礦山的生產(chǎn)費(fèi)用，并能有效地提升工作效率。

3）經(jīng)現(xiàn)場測量比較，結(jié)果表明：在采動(dòng)作用時(shí)支護(hù)優(yōu)化段與原支護(hù)設(shè)計(jì)段巷道圍巖的變形基本一致，沒有發(fā)生巷道失穩(wěn)，經(jīng)工程實(shí)際驗(yàn)證，取得了較好的效果。