單縣能源大傾角三軟煤層抗沖支護(hù)體系

鮑辛成 劉守兵 亓佳利

（1.肥城礦業(yè)集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274300；2.山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274300）

單縣能源3 煤層具弱沖擊危險(xiǎn)性，埋藏深，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，含煤地層傾角一般為15°～40°左右，屬于典型的“大傾角三軟煤層”。巷道存在變形嚴(yán)重、支護(hù)困難等問題，造成巷道返修頻繁和支護(hù)失錨事故增加，影響巷道正常施工和安全。特別是順槽巷道具有不同于真傾斜工作面的時(shí)序性和分區(qū)性，順槽巷道呈“不規(guī)則矩形”布置。因此，單縣能源巷道支護(hù)體系的設(shè)計(jì)需綜合考慮動(dòng)、靜載兩方面因素，不僅要考慮靜載作用下的“支”和“護(hù)”，還應(yīng)著重考慮動(dòng)載、動(dòng)靜載疊加影響下支護(hù)體系的吸能、耗能和防護(hù)能力[1-3]，同時(shí)還應(yīng)考慮目前形式下高強(qiáng)度煤層鉆孔卸壓等措施對(duì)支護(hù)體系的影響。錨索網(wǎng)帶支護(hù)體系已經(jīng)通過了支護(hù)理論和經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高的延伸率和沖擊韌性。

1 抗沖支護(hù)體系概況

煤礦采煤過程中，高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用極其重要，可以有效保證在安全環(huán)境下的開采[4]。單縣能源采煤工作面順槽巷道形狀為不規(guī)則矩形，頂板采用“高強(qiáng)錨桿＋讓壓環(huán)＋W 鋼帶＋錨索＋編織網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，幫部采用“高強(qiáng)錨桿＋W 鋼帶＋錨索＋T180 鋼帶＋編織網(wǎng)＋塑料網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。錨桿為Q600 號(hào)鋼制作的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋高強(qiáng)度金屬桿體，屈服強(qiáng)度不小于600 MPa，桿體延伸率達(dá)15%以上；錨索采用Φ21.8 mm 的鋼絞線（1×19）制作，直徑21.8 mm，最大力總伸長率＞5%。順槽超前支護(hù)采用單體支柱配鉸接頂梁，沿巷道走向支設(shè)兩路，一梁一柱，柱距1.2 m，超前支護(hù)范圍不低于120 m。如圖1～圖3。

圖1 煤巷工作面支護(hù)斷面圖（mm）

圖2 巷道高幫支護(hù)展開圖（mm）

圖3 巷道低幫支護(hù)展開圖（mm）

2 支護(hù)構(gòu)件材質(zhì)合理性分析

2.1 支護(hù)材料

巷道頂板采用Q600 鋼制作的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋錨桿（增加讓壓管）、W鋼帶和錨索聯(lián)合支護(hù)，兩幫采用Q500 全絲螺紋錨桿配合W 鋼帶、編織網(wǎng)（圍巖破碎時(shí)采用“編織金屬網(wǎng)+塑料網(wǎng)”支護(hù)）、錨索配合T180 鋼帶聯(lián)合支護(hù)。

1） 高 強(qiáng) 錨 桿（ 增 加 讓 壓 環(huán)） 規(guī) 格：MSGLW-600/22×2800 mm 或Q500 鋼制作的全絲錨桿，每根錨桿均用1 塊MSK2380 樹脂錨固劑固定，錨桿外露長度為10～50 mm；錨桿錨固力不小于210 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。錨桿托盤為正方形，規(guī)格為長×寬=200 mm×200 mm，用厚15 mm 鋼板壓制成弧形。

2）頂幫錨索規(guī)格：Ф21.8 mm×6300 mm（圍巖較為破碎等條件下合理增加頂板錨索長度），每根錨索均用2 塊MSK2380 樹脂錨固劑固定。錨索初錨力不小于210 kN，錨固力不小于450 kN，外露長度150～250 mm。錨索托盤規(guī)格：長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm；鎖具為QVM22-1 單孔鎖具。

3）頂幫部金屬網(wǎng)采用Φ6.0 mm 的編織網(wǎng)（頂板破碎等條件下增設(shè)塑料網(wǎng)）。編織網(wǎng)規(guī)格為長×寬=2000 mm×1000 mm，網(wǎng)格為長×寬=100 mm×100 mm，相鄰兩塊網(wǎng)之間采用勾連方式連接；塑料網(wǎng)規(guī)格為長×寬=2000 mm×1000 mm，網(wǎng)格為長×寬=60 mm×60 mm。

4）頂和幫均采用BHW280-4.0W 鋼帶，成型寬度280 mm，板材厚度4 mm。

5）T180 鋼帶規(guī)格：2000/2200 mm×180 mm。

2.2 巷道支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

基于懸吊理論[5]模型，對(duì)巷道頂板錨桿、幫部錨桿參數(shù)、錨固力、間排距進(jìn)行驗(yàn)算。錨桿長度現(xiàn)場實(shí)際選取2.8 m，錨桿間距、排距驗(yàn)算現(xiàn)場實(shí)際選取0.8、0.9 m，錨桿桿體直徑驗(yàn)算現(xiàn)場實(shí)際選取22 mm，高強(qiáng)錨桿錨固長度為1.41 m，錨索長度現(xiàn)場實(shí)際選取6.3 m，錨索數(shù)目現(xiàn)場實(shí)際選取3。單縣能源的巷道支護(hù)基本參數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和安監(jiān)局標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)支護(hù)體系的有效性分析中，錨桿錨固力、托盤、金屬網(wǎng)、錨索錨固力和樹脂黏結(jié)力等有效性情況，結(jié)果表明：1）錨索長度理論上滿足要求；2）運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽錨桿錨索靜壓支護(hù)合理，理論上能有效對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。

2.3 兩巷超前單體支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

大傾角偽俯斜工作面頂板垮落、滑移、充填交錯(cuò)發(fā)生，對(duì)采空區(qū)下部充填具有不均勻性[6]，層狀頂板在垮落過程中須考慮水平應(yīng)力的影響，平衡拱拱高隨側(cè)壓系數(shù)的增大而減小，頂板的安全厚度也會(huì)相應(yīng)減小[7]。根據(jù)普氏理論[7]計(jì)算每米超前巷道頂板壓力，超前巷道每米支護(hù)阻力為832 kN/m。

普氏理論計(jì)算公式：

式中：4/3 為計(jì)算系數(shù)；γ為頂板巖石容重；α為巷道跨度的1/2；f為頂板巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

當(dāng)工作面基本頂來壓或上覆巖層產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，上覆巖層的動(dòng)壓將為頂板巖層質(zhì)量的1.5～2.5 倍左右。考慮到單縣能源開采深度和頂板條件，頂板來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)取1.8，頂板來壓動(dòng)載影響時(shí)每米超前巷道頂板壓力為374.4 kN/m。工作面選用DW型系列單體液壓支柱，支柱的額定工作阻力250 kN，每米巷道單體液壓支柱超前支護(hù)的工作阻力為531.25 kN/m。故本工作面兩巷超前單體支護(hù)強(qiáng)度滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，安全系數(shù)為1.42。

2.4 煤巷抗沖擊能力分析

對(duì)于塑性巖體，隨著錨桿支護(hù)密度增加，沖擊地壓發(fā)生的臨界阻力區(qū)、臨界載荷與沖擊釋放能量逐漸增加，且這種現(xiàn)象隨著沖擊傾向性降低越發(fā)明顯。提高錨桿支護(hù)密度能夠增加沖擊地壓發(fā)生難度，同時(shí)也增加了沖擊地壓的破壞力[8]。

1）圍巖系統(tǒng)能量計(jì)算

相關(guān)研究表明，無論巖體初始處于何種應(yīng)力狀態(tài)，一但失穩(wěn)，其破壞真正需要消耗的能量總是其單向應(yīng)力狀態(tài)破壞所需的能量，該能量為巖體破壞最小能量，即煤巖體動(dòng)力破壞的最小能量原理[2-3]。

動(dòng)靜載理論公式：

式中：Ec為巷道圍巖破壞所需最小能量；σc為巖體的單向抗壓強(qiáng)度；τc為巖體的單向抗剪強(qiáng)度；E為彈性模量；G為剪切模量。

假設(shè)最不利情況，鄰空煤體附近應(yīng)力達(dá)到煤體單軸抗壓強(qiáng)度，單縣能源煤體單軸抗壓強(qiáng)度為18.09 MPa，圍巖儲(chǔ)存的彈性能為9.51 GPa，圍巖儲(chǔ)存的彈性能為21.188 kJ。故巷道周圍煤巖體動(dòng)載加靜載的總儲(chǔ)能為25.171～28.141 kJ。

2）圍巖系統(tǒng)可承受能量計(jì)算

波蘭學(xué)者用煤巖的沖擊能量指數(shù)（KE）作為沖擊傾向性指標(biāo)，定義為煤巖體應(yīng)力峰值前所積聚的彈性能與峰后所消耗的塑性能之比。KE=2.1，則3煤層巷道煤體塑性破壞消耗一定能量后，剩余可釋放的能量為13.18～14.74 kJ。

能量傳播衰減公式：

式中：Uf為震源的能量；L為沖擊震源到巷道表面的距離；η為介質(zhì)中震動(dòng)波傳播時(shí)的能量衰減指數(shù)。

η與傳播介質(zhì)的完整性、硬度、孔隙率等指標(biāo)有關(guān)，這些指標(biāo)趨于良性，衰減指數(shù)越小，反之則越大。據(jù)此可知，對(duì)于受高能量震源影響的巷道可以通過設(shè)置合理的弱結(jié)構(gòu)來減小動(dòng)載震源對(duì)巷道的影響。根據(jù)高明仕教授進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在水泥地介質(zhì)中，能量的衰減指數(shù)為1.150 9；在細(xì)沙土介質(zhì)中，能量衰減指數(shù)達(dá)2.130 9。在完整性和孔隙率上，煤巖的完整性介于水泥介質(zhì)和細(xì)沙土介質(zhì)之間，在硬度方面，頂煤的硬度同樣介于水泥介質(zhì)和細(xì)沙土介質(zhì)之間，頂板（單軸抗壓強(qiáng)度32.47 MPa）的硬度略高于水泥介質(zhì)，故在煤巖中的衰減系數(shù)可大致取1.15 進(jìn)行計(jì)算。因此，考慮傳播距離后的能量為15.01～23.92 kJ。

按此方法對(duì)順槽巷道及布置在煤層的準(zhǔn)備巷道進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估結(jié)果見表1。

表1 巷道抗沖擊能力評(píng)估結(jié)果

巷道的圍巖變形在本質(zhì)上是應(yīng)力場的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)礦井圍巖的應(yīng)力場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及巷道的破壞情形，從而得出圍巖主應(yīng)力跡線與巷道失穩(wěn)的規(guī)律。弱結(jié)構(gòu)能夠適當(dāng)吸收圍巖中集聚的能量，降低巷道沖擊誘發(fā)能量，少量的彈性余能不足以對(duì)巷道造成破壞。錨網(wǎng)索帶支護(hù)體系的“柔性吸能功能”有足夠的抗沖擊能力就能進(jìn)一步保護(hù)巷道穩(wěn)定。

3 支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

1）基于懸吊理論模型，對(duì)巷道頂板錨桿、幫部錨桿參數(shù)、錨固力、間排距進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明：工作面順槽以及準(zhǔn)備巷道錨桿錨索靜壓支護(hù)合理，理論上能有效對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，錨桿、錨索長度理論上滿足要求。

2）單縣能源大傾角三軟煤層抗沖支護(hù)體系提高巷道圍巖抵抗變形的能力較原支護(hù)方式頂板移近量及兩幫移近量減少了50%以上，圍巖支護(hù)效果明顯。

3）從安全方面分析，單縣能源大傾角三軟煤層抗沖支護(hù)體系沒有大面積巷道片幫、冒頂?shù)葞淼牟话踩蛩?，消除了因巷道變形等所產(chǎn)生的安全隱患，為類似采礦地質(zhì)條件下的礦井提供了一種安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和快速的支護(hù)方法。

4）單縣能源大傾角三軟煤層抗沖支護(hù)體系可使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，巷道應(yīng)力環(huán)境得到優(yōu)化，煤柱幫變形較為穩(wěn)定，實(shí)體煤幫具有一定的承載能力，變形過程也較為緩慢。不僅在掘巷期間圍巖明顯變形，在工作面回采期間，由于受采動(dòng)影響，頂板與兩幫的壓力增大，使其更容易發(fā)生塑性破壞進(jìn)入破碎狀態(tài)，區(qū)段煤柱不易發(fā)生失穩(wěn)破壞，以小煤炮或穩(wěn)定型蠕變形式釋放能量。

4 結(jié)論

通過分析支護(hù)構(gòu)件材質(zhì)合理性，驗(yàn)算巷道支護(hù)強(qiáng)度，分析煤巷抗沖擊能力等方式，對(duì)礦井現(xiàn)有沖擊地壓巷道支護(hù)體系的支護(hù)強(qiáng)度、抗變形能力、護(hù)表能力及抗沖擊能力進(jìn)行了評(píng)估，具體結(jié)論如下：

1）巷道支護(hù)體系抗變形能力和護(hù)表能力分析結(jié)論

論證分析表明：目前礦井煤層巷道頂板采用Q600 鋼制作的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋錨桿（增加讓壓管）、W 鋼帶和錨索聯(lián)合支護(hù)，上幫采用Q600號(hào)鋼制作的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力左旋無縱筋錨桿或Q500 全絲螺紋錨桿配合W 鋼帶、編織網(wǎng)（圍巖破碎時(shí)采用“編織金屬網(wǎng)+塑料網(wǎng)”支護(hù)）、錨索配合T180鋼帶聯(lián)合支護(hù)，具有較高的支護(hù)強(qiáng)度、抗變形及護(hù)表能力，能夠滿足當(dāng)前礦井支護(hù)與防沖要求。

2）煤巷支護(hù)體系抗沖擊能力評(píng)估結(jié)論

基于現(xiàn)有理論評(píng)估得出：順槽巷道的安全系數(shù)為3.20，準(zhǔn)備巷道的安全系數(shù)為1.72，順槽支護(hù)系統(tǒng)基本上能夠抵御震源與巷道距離20 m 以上的5.2×105J 的單個(gè)能量事件或30 m 以上的1.9×106J的單個(gè)能量事件，均符合相關(guān)規(guī)定，并具有較高的安全系數(shù)，支護(hù)體系能夠滿足礦井抗沖擊要求。

3）回采巷道超前支護(hù)強(qiáng)度評(píng)估結(jié)論

經(jīng)計(jì)算工作面超前支護(hù)體系滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，安全系數(shù)為1.42。但由于單體液壓支柱穩(wěn)定性不足，建議后期更換為超前支架或單元支架。