王樹(shù)峰
(西山煤電股份有限公司西銘礦, 山西 太原 030052)
隨著地質(zhì)賦存條件簡(jiǎn)單的煤炭資源逐漸枯竭,轉(zhuǎn)向開(kāi)采地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜的煤層,由于受到礦山壓力和工作面推進(jìn)影響,工作面巷道圍巖完整性受到破壞,變形較為嚴(yán)重,需針對(duì)具體的工作面地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)研究[1-2]。
現(xiàn)階段,許多研究學(xué)者針對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。張琪[3]分析得到巷道兩幫圍巖破壞不大及頂?shù)装逋暾?,?yōu)化了支護(hù)參數(shù),減小了支護(hù)強(qiáng)度;王文才[4]采用FLAC3D 及正交試驗(yàn)法優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù),取得了良好的效果;張科[5]針對(duì)郭莊煤礦大斷面全煤巷道,分析了巷道圍巖破壞特征,優(yōu)化了錨桿及錨索間距。本文針對(duì)西銘礦48703 工作面頂?shù)装寰唧w地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)技術(shù)研究。
西銘礦48703 工作面井下位于北七采區(qū)右翼。北鄰隨老母斷層,間距5~15 m;南鄰北七右翼回風(fēng)巷;西鄰48705 工作面采空區(qū),東鄰實(shí)煤區(qū),工作面布置如圖1 所示。工作面上覆2 號(hào)煤、3 號(hào)煤均已回采,北部上覆2 號(hào)煤局部為巨成礦小窯所采,8 號(hào)煤與2 號(hào)煤層間距94 m 左右,與3 號(hào)煤層間距67 m左右。該面所掘8 號(hào)煤層節(jié)理發(fā)育,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層上部夾石為1.50~3.40 m,平均2.45 m 的頁(yè)巖或砂質(zhì)頁(yè)巖。8 號(hào)煤上分層厚度0.50~0.70 m,平均0.63 m;下分層厚度2.90~3.20 m,平均3.10 m,厚度變化不大,屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。頂?shù)装鍘r層巖性如表1所示。
該工作面所采煤層經(jīng)鑒定屬于有煤塵爆炸性,爆炸性指數(shù)為17.81%,自燃傾向性為Ⅱ級(jí),屬自燃煤層。根據(jù)相鄰的工作面瓦斯涌出量資料,預(yù)測(cè)48703 輔助回風(fēng)巷工作面掘進(jìn)期間瓦斯絕對(duì)涌出量為2 m3/min。
圖1 工作面布置圖
表1 煤層頂?shù)装迩闆r表
西銘礦48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)8 號(hào)煤層,地面標(biāo)高1 250~1 446 m,工作面標(biāo)高1 012~1 070 m。48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷,巷道布置在48703 工作面的東側(cè)與轉(zhuǎn)運(yùn)巷聯(lián)通后,按155°方位角掘進(jìn)1 352 m。48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷用于48703 工作面回采期間的輔助進(jìn)風(fēng),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 536 m,回風(fēng)巷301 m,回風(fēng)貫眼39 m。巷道沿8 號(hào)煤頂板掘進(jìn)。根據(jù)相鄰工作面巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及本工作面巷道的使用功能,確定巷道采用矩形斷面,斷面尺寸為凈寬4.8 m,凈高3.8 m,凈斷面18.24 m2。
由相似工作面地質(zhì)條件巷道所采取的支護(hù)經(jīng)驗(yàn),西銘礦48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷采用錨桿+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。
3.1.1 頂錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算
式中:H為軟弱巖層厚度,取0.6 m;K為安全系數(shù),取2;L1為錨桿外露長(zhǎng)度,取0.1 m;L2為錨桿錨入堅(jiān)固穩(wěn)定巖層的深度,取0.3 m;L為頂錨桿的長(zhǎng)度。
帶入計(jì)算公式可得L=1.6 m,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),頂錨桿長(zhǎng)度取1.8 m。
3.1.2 頂錨桿直徑的計(jì)算
頂錨桿直徑確定可由下式計(jì)算得到:
式中:σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度,取490 MPa;d為錨桿桿體直徑,mm;Q為錨固力,取105 kN。
帶入計(jì)算公式可得d=16.44 mm,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),頂錨桿直徑取20 mm。
3.1.3 頂錨桿間排距的計(jì)算
式中:γ 為巖體的容重,取23.5 kN/m3;a為錨桿的間距。
帶入計(jì)算公式可得a=1.86 m,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),頂錨桿間排距取1 500 mm×1 500 mm。
綜上,頂錨桿采用間排距為1 500 mm×1 500 mm,七花形布置,Φ20×1 800 螺紋鋼錨桿支護(hù)。
3.2.1 幫錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算
式中:φ 為兩幫似內(nèi)磨擦角,取65°;h為煤幫上排錨桿至底板高度,取3.3 m;L3為片幫最大深度。
帶入計(jì)算公式可得L3=1.63 mm,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),頂錨桿長(zhǎng)度取1.8 m。
3.2.2 幫錨桿間排距的計(jì)算
式中:rc為8 號(hào)煤的容重,取1.42 t/m3;qc為兩幫側(cè)壓力;h0為錨桿錨入煤巷深度,取1.7 m;h'為掘進(jìn)巷道高度,取3.8 m。
帶入計(jì)算公式可得qc=0.95 t/m,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),幫錨桿間排距取1 500 mm×1 400 mm,呈矩形布置,三排,上排距頂0.3 m,下排距底板0.7 m。設(shè)計(jì)錨固力為5 t/根,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支護(hù)密度采取4 t/根,單側(cè)煤幫實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度為10 t/m,可以保障支護(hù)要求。
3.3.1 錨索長(zhǎng)度的計(jì)算
式中:L5為錨索外露長(zhǎng)度,取0.35 mm;L6為上托盤(pán)厚度,取0.2 m;L7為懸吊不穩(wěn)定巖層厚度,取2 m;L8為錨索錨固長(zhǎng)度,取2 m;L4為錨索的總長(zhǎng)度。
帶入計(jì)算公式可得L4=4.55 mm,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),錨索長(zhǎng)度取5.4 m。
3.3.2 錨索間排距的計(jì)算
式中:F1為錨索設(shè)計(jì)錨固力,取70 kN;c為錨桿排距,取1.5 m;θ 為角錨桿與巷道的夾角,75°;B為巷道最大冒落寬度,取4.8 m;F2為單根錨索極限破斷力,取355 kN;H' 為巷道最大冒落高度,取2.4 m;n為錨桿排數(shù),取2 排;b為錨索的排距。
代入可得b=3.93 m,根據(jù)相似工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn),取錨索間排距2.0 m×2.4 m,兩排矩形布置,滿足支護(hù)要求。
在掘進(jìn)巷道中,臨時(shí)支護(hù)能有效控制頂板,暫時(shí)維護(hù)圍巖穩(wěn)定和杜絕頂板事故的發(fā)生,保證掘進(jìn)工作面在巷道支護(hù)的過(guò)程中不在空頂下作業(yè),保障作業(yè)人員施工的安全和作業(yè)地點(diǎn)的安全。
臨時(shí)支護(hù)采用掘錨護(hù)一體機(jī)錨護(hù)部做臨時(shí)支護(hù),具體參數(shù)如表2 所示,施工完成一個(gè)循環(huán)之后,將臨時(shí)支護(hù)升起,進(jìn)行錨桿+錨索永久支護(hù),然后進(jìn)行下一循環(huán)(由于巷道斷面過(guò)寬,超出機(jī)載臨時(shí)支護(hù)有效支護(hù)寬度,所以打錨桿支護(hù)時(shí)要先在有臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行,結(jié)束一面后移動(dòng)掘進(jìn)機(jī)至另一面,將臨時(shí)支護(hù)升起接頂進(jìn)行錨桿支護(hù))。工作面循環(huán)進(jìn)度為3 m,工作面最大控頂距為3.4 m,最小控頂距為0.4 m。
表2 錨護(hù)部參數(shù)
48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷采用如上支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行支護(hù)工作,為研究以上方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量,在巷道每隔30 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)站,分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>
由下頁(yè)圖2 可知,在工作面回采期間,兩幫移近量穩(wěn)定在115 mm,頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在55 mm,完全可以保證巷道的安全穩(wěn)定,保障工作面的正?;夭尚枨?。
圖2 巷道變形量
根據(jù)巷道布置以及煤層賦存情況,設(shè)計(jì)巷道均采用矩形斷面,斷面尺寸為4.8 m×3.8 m;根據(jù)相似巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)選用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式,并理論計(jì)算了錨桿錨索參數(shù),頂錨桿采用間排距為1 500 mm×1 500 mm、Φ20×1 800 螺紋鋼錨桿支護(hù);幫錨桿采用間排距為1 500 mm×1 400 mm、Φ20 mm×1 800 螺紋鋼錨桿支護(hù);錨索采用直徑為17.8 mm,長(zhǎng)度為5 400 mm 的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線,錨索間排距為2 000 mm×2 400 mm;最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際應(yīng)用變形量監(jiān)測(cè),證明此支護(hù)方案可以保證48703 輔助進(jìn)風(fēng)巷的安全穩(wěn)定。