曹明世

(陜西雙龍煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 黃陵 727306)

關(guān)健詞：回采巷道；支護(hù)強(qiáng)度；二次加強(qiáng)支護(hù)

0 引言

支護(hù)強(qiáng)度是控制巷道圍巖劇烈變形的關(guān)鍵因素，只有支護(hù)強(qiáng)度大于巷道壓力時(shí)，才能有效地控制巷道的劇烈變形。為提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，減少回采過(guò)程中回風(fēng)巷道圍巖變形及底鼓，保證工作面的安全高效回采，擬在雙龍煤礦104輔助運(yùn)輸順槽選定一段區(qū)域進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)試驗(yàn)，為后期礦井掘進(jìn)施工的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

104工作面煤層賦存穩(wěn)定，工作面走向長(zhǎng)平均為1 972.5 m，傾向長(zhǎng)235 m，面積為463 537 m2，煤層平均厚度為2.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層傾角2°～5°為肥氣煤；煤層頂板為砂巖，層理發(fā)育，易冒落，底板為灰質(zhì)泥巖，遇水易膨脹底鼓，易引起煤壁片幫。巷道沿煤層底板掘進(jìn)，頂板采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mmⅡ級(jí)左旋螺紋無(wú)縱筋鋼筋錨桿，錨索規(guī)格為φ17.8 mm×9 300 mm，網(wǎng)為φ6.5 mm盤(pán)圓焊接鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片2 600 mm×1 200 mm；巷道兩幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，煤壁側(cè)錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 600 mm玻璃鋼錨桿，網(wǎng)長(zhǎng)×寬=2 600 mm×1 200 mm的雙抗網(wǎng)，煤柱側(cè)錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 600 mm玻璃鋼錨桿，網(wǎng)長(zhǎng)×寬=2 600 mm×1 200 mm的雙抗網(wǎng)，支護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)示意圖

104工作面回風(fēng)順槽系已回采103工作面輔運(yùn)順槽，該巷道自形成到投入使用時(shí)間間隔長(zhǎng)，受103工作面采空區(qū)及104工作面采動(dòng)影響大，巷道頂板下沉變形并形成兜渣；頂板多處錨桿(索)失效，幫錨斷裂，約占全斷巷道的1/10；巷道全段底鼓，嚴(yán)重段底鼓量達(dá)1.5 m。采用常規(guī)的拉底，斷裂處補(bǔ)支錨桿索等處理方式后，支護(hù)狀況雖得到一定程度的有效改觀，但整體效果不明顯。

2 二次加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

雙龍煤礦巷道普遍采用錨索網(wǎng)噴支護(hù)，圍巖體在地應(yīng)力的作用下，由于時(shí)間較短，巖體主要表現(xiàn)為彈塑性，隨著圍巖體承載時(shí)間的增長(zhǎng)，以及受鄰近工作面的采動(dòng)影響，巖體性質(zhì)逐漸表現(xiàn)出黏性，巷道圍巖分為粘塑性區(qū)、粘彈性區(qū)。粘塑性區(qū)又分為粘塑性應(yīng)變軟化區(qū)和粘塑性破碎區(qū)。有鑒于此，需要對(duì)原有支護(hù)條件下的巷道進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)，在計(jì)算時(shí)按粘彈性及粘塑性力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，這里對(duì)微分方程的解不做推導(dǎo)，直接引用河南理工大學(xué)李大偉教授所推導(dǎo)出的相關(guān)解答予以計(jì)算。

2.1 基本方程

粘彈性區(qū)物理方程為

(1)

σij(t)=3Kεij(t)

(2)

靜力平衡方程

(3)

粘彈性區(qū)分粘彈性應(yīng)變軟化區(qū)、粘彈性破碎區(qū)；其基本方程均為平衡方程和莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。粘塑性應(yīng)變軟化區(qū)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則為

(4)

粘塑性破碎區(qū)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則為

(5)

式中：σr(t)，σθ(t)—補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力隨時(shí)間t變化的函數(shù)變量；C(t)—粘塑性應(yīng)變軟化區(qū)黏聚力，為時(shí)間t的函數(shù)變量；C*(t)—粘塑性破碎區(qū)黏聚力，為時(shí)間t的函數(shù)變量；φ(t)—粘塑性應(yīng)變軟化區(qū)和粘塑性破碎區(qū)的內(nèi)摩擦角，為時(shí)間t的函數(shù)變量；B0—初次支護(hù)階段圍巖的彈塑性力學(xué)參數(shù)；α—初次支護(hù)階段的圍巖體剪脹擴(kuò)容系數(shù)。

2.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于以上基于流變理論的計(jì)算結(jié)果如錨桿有效長(zhǎng)度Lm、錨桿錨固端位置半徑Rm及錨桿施加的工作阻力支護(hù)強(qiáng)度等參數(shù)直接引用李大偉教授推導(dǎo)公式，并結(jié)合《煤礦巷道斷面和交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)二次加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出雙龍煤礦巷道二次加強(qiáng)支護(hù)的各支護(hù)參數(shù)。本次計(jì)算選取雙龍煤礦104工作面煤層為計(jì)算層位，具體計(jì)算過(guò)程如下

計(jì)算參數(shù)：v=0.31，E=5 090 MPa，α=2，φ=30°，φ(t)=20°，p0=11.5 MPa，C=3.64 MPa，C*=0.72 MPa，C(t)=1.21 MPa，C*(t)= 0.49 MPa，R0=2 m，Rm= 4.25 m，G0=1 600 MPa，G∞=1 100 MPa，Mc=130 MPa。

計(jì)算初次支護(hù)阻力q

q=p/(l1×l2)=195×10-3/(0.8×0.8)=0.305 MPa。

錨桿有效長(zhǎng)度Lm、錨桿錨固端位置半徑Rm。

Lm=2.5 m；Rm=4.9 m。

2.3 二次加強(qiáng)支護(hù)方案

根據(jù)《煤礦巷道斷面和交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，在巷道寬度較大、圍巖條件較差時(shí)，在頂板或拱部增加錨索加強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合上述李大偉教授推導(dǎo)公式所得出的計(jì)算結(jié)果，確定在原有錨索梁支護(hù)基礎(chǔ)上，在每相鄰兩排錨索梁之間增加一排一帶四索的鋼帶索聯(lián)合支護(hù)，另外在煤柱側(cè)補(bǔ)支φ22 mm×2 500 mmⅡ級(jí)左旋螺紋無(wú)縱筋鋼筋錨桿，煤壁側(cè)補(bǔ)支φ22 mm×2 600 mm玻璃鋼錨桿。支護(hù)材料參數(shù)及規(guī)格見(jiàn)表1。

頂板鋼帶錨索托梁采用T140型鋼帶，帶長(zhǎng)3.8 m，錨索間距1 m，排距2.4 m。

煤柱側(cè)使用φ22 mm×2 500 mm鋼筋錨桿，間排距1 600 mm×800 mm，錨固劑：1節(jié)MSK23/70，1節(jié)MSZ23/35。煤壁側(cè)補(bǔ)支φ22 mm×2 600 mm玻璃鋼錨桿，間排距1 600 mm×800 mm，錨固劑：1節(jié)MSK23/70，1節(jié)MSZ23/35。二次加強(qiáng)支護(hù)示意圖如圖2所示。

表1 支護(hù)材料參數(shù)及規(guī)格

圖2 二次加強(qiáng)支護(hù)示意圖

錨索施工質(zhì)量必須符合《雙龍煤業(yè)關(guān)于下發(fā)錨桿索施工管理辦法通知》文件規(guī)定。錨索預(yù)緊力≥210 kN(42 MPa)，錨索錨固力≥230 kN(45 MPa)。錨固指標(biāo)：錨索露出鎖具200～250 mm，錨深9 000 mm。施工過(guò)程中需補(bǔ)支錨桿和重新掛網(wǎng)，執(zhí)行原支護(hù)參數(shù)規(guī)定。施工完成后在該段安設(shè)頂板離層儀、錨桿索測(cè)力計(jì)，設(shè)專人對(duì)頂?shù)装逦灰魄闆r進(jìn)行觀測(cè)，整理相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比分析。

3 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)分析

為了觀測(cè)二次加強(qiáng)支護(hù)的效果，探究支護(hù)參數(shù)的合理性，分別在巷道二次加強(qiáng)支護(hù)段和原支護(hù)段設(shè)置了相應(yīng)的觀測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移、頂板離層情況、錨桿載荷進(jìn)行觀測(cè)，在104工作面回采期間對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的觀測(cè)。分別對(duì)煤柱側(cè)幫部2 m深位置處、10 m深位置處多點(diǎn)位移進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)頂板錨索以及煤柱側(cè)幫部錨桿受力進(jìn)行分析，分別如圖3～圖6所示。

圖3 2 m位置處位移

圖4 10 m位置處位移

圖5 幫部錨桿受力

圖6 頂板錨索受力

由圖3可知，原支護(hù)煤柱淺部位移量逐漸增加，基本呈線性變化特征；而在二次加強(qiáng)支護(hù)段，煤柱側(cè)淺部位移量變化為0，即二次加強(qiáng)支護(hù)有效控制了巷道圍巖淺部位移量。

由圖4可知，在煤柱側(cè)幫部10 m位置處位移量，在原支護(hù)和二次加強(qiáng)支護(hù)條件下，基本呈現(xiàn)線性變化特征，而二次加強(qiáng)支護(hù)煤柱內(nèi)深部位移量較原支護(hù)位移量大，分析其原因是由于二次加強(qiáng)支護(hù)有效地支護(hù)了巷道圍巖，使支護(hù)范圍內(nèi)的煤體和錨桿形成協(xié)同統(tǒng)一體，但由于煤柱內(nèi)所受支承壓力較大，導(dǎo)致煤柱內(nèi)深部位移相對(duì)較大。

由圖5可知，幫部錨桿受力在原支護(hù)與二次加強(qiáng)支護(hù)情況下，隨著工作面的不斷推進(jìn)，其受力緩慢增加，變化曲線基本保持平行，但二次加強(qiáng)支護(hù)所受力較原支護(hù)錨桿受力一直較大，分析其原因?yàn)槎渭訌?qiáng)支護(hù)條件下，錨桿初始預(yù)緊力較高。

由圖6可知，原支護(hù)與二次加強(qiáng)支護(hù)情況下，錨索受力基本保持原有預(yù)緊力不變，即104工作面采動(dòng)對(duì)輔助運(yùn)輸巷的內(nèi)錨索受力影響不是很大。即在原支護(hù)與二次加強(qiáng)支護(hù)的情況下，錨桿(索)受力并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異性特征。

4 結(jié)論

(1)采用在原有錨索梁支護(hù)基礎(chǔ)上，頂板在每相鄰兩排錨索梁之間補(bǔ)支一排一帶四索的鋼帶索聯(lián)合支護(hù)，煤柱側(cè)補(bǔ)支φ22 mm×2 500 mmⅡ級(jí)左旋螺紋無(wú)縱筋鋼筋錨桿，煤壁側(cè)補(bǔ)支φ22 mm×2 600 mm玻璃鋼錨桿的二次加強(qiáng)方案。

(2)二次加強(qiáng)支護(hù)較原支護(hù)條件，錨桿(索)受力變化特征沒(méi)有明顯的差異性，巷道圍巖淺部位移量顯著降低。

(3)二次加強(qiáng)支護(hù)有效地支護(hù)了巷道圍巖，使支護(hù)范圍內(nèi)的煤體和錨桿形成協(xié)同統(tǒng)一體，有效控制了巷道圍巖淺部位移量，降低了巷道圍巖塑性區(qū)，確保了巷道圍巖穩(wěn)定性，為采煤工作面安全生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。