陶 宇
(晉能集團太原有限公司,山西 太原 030006)
巷道支護是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,在煤礦開采技術(shù)中占有較大比重,是井下安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容。深埋煤層巷道支護面臨著高地應(yīng)力、圍巖較為破碎等復(fù)雜因素的影響,支護效果不理想,還未形成一套成熟的支護技術(shù)。
三元煤業(yè)22號煤層巷道埋深60460m左右,在深部高應(yīng)力及其他原因的影響下,巷道表現(xiàn)出圍巖破碎、變形量大、難支護、維修周期短等特點。本文以此為工程背景,根據(jù)礦井實際地質(zhì)情況,利用多種理論計算方法,最終確定巷道支護參數(shù)。
山西三元煤業(yè)股份有限公司是晉能集團所屬的煤炭生產(chǎn)企業(yè),兼并重組批復(fù)該礦為單獨保留礦井,生產(chǎn)能力2.2Mt/a。該礦井現(xiàn)開采2號煤層,2號煤層位于山西組中下部,距山西組K7砂巖約3.5m左右,上距2上號煤層4.74~18.30m,平均11.02m,屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,厚度2.95~4.59m,平均3.84m,結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜,含1~3層夾石,夾石單層最大厚度0.82m,頂板巖性為泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖,底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部為砂質(zhì)泥巖。
(1)兩幫煤體受擠壓破壞深度C值
式中:
h—巷道高度,取設(shè)計斷面最大高度3.5m;
φ—煤體內(nèi)摩擦角,φ=31.88°。
則C=1.95m。
(2)潛在冒落拱高度b
式中:
a-頂板有效跨度之半,a取2.25m;
Ky-直接頂煤巖類型性系數(shù),當(dāng)巖石f=4~6時,取0.6;
fr-直接頂普氏堅固性系數(shù),fr=5.863;
α-煤層傾角,取15°。
則
(3)兩煤幫側(cè)壓值Qs
式中 :
KU-采動影響系數(shù),一般取值為1.3~2.3,本次設(shè)計取KU=1.6;
r煤-煤體容重,2.5t/m3;
h-巷道掘進(jìn)高度,3.5m。
(4)巷道頂板壓力Q
巷道頂板壓力Q即為頂部潛在的不穩(wěn)定區(qū)松散巖層的重量。
式中:
B1-沿巷道軸向單位長度,1m;
γn-為垂直方向巖石重力密度,25kN/m3。
則Q=2×25×2.25×1.15×1=129.38kN
(1)錨桿長度
錨桿長度:L=L1+b+L3
式中:
L1-錨桿外露長度,有墊板時取0.05m;
b-潛在冒落拱高度,m;
L3-錨固長度,m;
L3長度計算可用下式計算:
式中:
T-修正系數(shù),取0.8;
L3-錨固長度,m;
dr-錨固劑直徑,取23mm;
D-鉆孔直徑,取28mm;
d-錨桿桿體直徑,取22mm;
lr-錨固劑長度,mm,兩種錨固劑CK2360和K2340各一卷,則錨固劑長度為1000mm。
計算可得L3長度為1410.67mm。
則:L=0.05+1.15+1.41=2.61m,錨桿長度取2700mm。
(2)錨桿間距
D≤1/2×L=1350m
取D=800mm。
(3)錨桿排距
式中:
n-頂板每排錨桿根數(shù),n=5;
N-每根錨桿錨固力,N=70kN;
k-安全系數(shù),取k=3;
r-頂板巖層容重,r=25kN/m3;
a-巷道掘進(jìn)跨度之半,a=2.25m。
b-冒落拱高度,1.15m。
對比其他礦情況,考慮安全因素,取L0=800mm。
(4)錨桿直徑選取
P=abhγ
式中:
a-錨桿排距,0.8m;
h-錨桿承載巖體高度,取錨桿長度2.5m;
b-錨桿間距,0.8m;
γ-承載巖體容重25000N/m3;
K-安全系數(shù)1~3,此處取2;
▽-錨桿材料抗拉強度,取260MPa。
d=19.79mm
施工中取Φ=22mm
(5)錨桿預(yù)緊力確定
錨桿預(yù)緊力為150N·m。
(1)錨桿長度
錨桿長度滿足:L=L1+L2+L3
式中:
L-錨桿長度,m;
L1-錨桿外露長度,L1=0.05m;
L2-即C,兩幫煤體受擠壓破壞深度,C=1.95m;
L3—錨桿插入破碎帶之外穩(wěn)定煤體的長度,取0.5m。
即L=L1+C+L3=0.05+1.95+0.5=2.50m
對比其他礦情況,幫錨桿長度定為2.5m。
(2)錨桿排距
根據(jù)實際情況,幫錨桿與頂錨桿保持一致,幫錨桿排距取0.8m。
(3)幫錨桿間距
式中 :
N-設(shè)計幫錨桿的抗拉拔強度,設(shè)計錨固力70kN,則抗拉拔強度為114MPa;
h-巷道高度,取設(shè)計斷面最小高度2.5m;
k-安全系數(shù),取k=3;
L0-煤幫錨桿排距,L0=0.8m;
Qs-兩幫側(cè)壓值,Qs=12.01kN。
(4)幫錨桿及錨固劑
幫錨桿孔徑為28mm,幫錨桿選用Φ20mm螺紋鋼制作,錨固劑CK2360和K2340各一卷端頭錨固。
(5)幫錨桿預(yù)緊力150N·m。
(1)錨索長度
根據(jù)本次頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)試驗報告,直接頂細(xì)砂巖2.40m,基本頂細(xì)砂巖1.10m,分析知錨索應(yīng)錨固在細(xì)砂巖中。
式中:
L錨索-錨索長度,m;
L外露-錨索外露長度,一般取0.25m;
L有效-錨索有效長度及頂煤厚度,取7.5m;L錨固-錨索的錨固長度,需超過冒落拱高度1.15m,取1.2m。
故:L錨索=0.25+7.5+1.2=8.95m,所以選取錨索長9m。
(2)錨索排距計算
錨索排距:
式中:
L-錨索排距, m;
B-巷道最大冒落寬度,取巷道寬度4.5m;
H-巷道冒落高度,按最嚴(yán)重冒落高度,取巷道高度3.5m;
γ-巖體容重,取25kN/m3;
L1-錨桿排距,取0.8m;
F1-錨桿錨固力,取80kN;
F2-錨索極限承載力,取320kN;
θ-角錨桿與巷道頂板的夾角,取80°;
n-錨索排數(shù),取1;
則計算得L=1.63m,取錨索排距為1.6m。
(3)錨索間距計算
錨索間距根據(jù)錨桿失效時,需錨索所承擔(dān)的有潛在垮落趨勢危巖載荷確定。
① 巷道自然平衡拱高度b
式中:
a-巷道掘進(jìn)寬度之半,取2.25m;
f-頂板巖石普氏系數(shù),取1。
② 巷道潛在冒落拱面積S
點錨索能承受的冒落危巖的長度L
式中:
W-點錨索的極限承載力,取320kN;
n-安全系數(shù),取1.4。
計算得L=1.3m。
通過上述計算,實際打錨索排距1.6m,間距1.3m。
根據(jù)前面多種理論計算的結(jié)果,結(jié)合鄰近工作面巷道實際支護方案,綜合考慮,最終確定回采巷道支護設(shè)計參數(shù)如下表1所示。
表1 回采巷道支護參數(shù)表
支護設(shè)計圖如圖1所示:
圖1 20104運輸及回風(fēng)順槽支護斷面平面圖(mm)
(1)安全方面。利用本次設(shè)計參數(shù)對高地應(yīng)力破碎圍巖巷道進(jìn)行錨桿支護,后期進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn):回采巷道在回采期間,巷道變形劇烈,巷道變形嚴(yán)重區(qū)域主要發(fā)生在工作面前方20m范圍內(nèi),最大頂板下沉量可達(dá)273mm,最大兩幫移近量為215mm,該區(qū)域應(yīng)加強支護。相較原支護下回采巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃巫畲罂蛇_(dá)1000mm,支護效果明顯,基本滿足井下生產(chǎn)要求。
(2)經(jīng)濟方面。設(shè)計支護方案錨桿及錨索布置較原支護方案略密集,在前期施工中成本相較原支護較大,但由于原支護方案支護效果不佳,巷道較多部位變形較大,需補打較多錨桿進(jìn)行補強支護。綜合比較,新設(shè)計支護方案比原支護方案成本更低。
(3)施工方面。由于該礦巷道巖性泥巖居多,且圍巖較為破碎,打錨桿、錨索相對容易,但要注意安全問題。