馮興凱

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電集團(tuán)官地礦機(jī)電科， 山西 太原 030022）

引言

巷道支護(hù)效果和質(zhì)量是影響煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著工作面的不斷推進(jìn)、煤層賦予條件的變化以及斷面形狀的變化，采用事先設(shè)計(jì)的支護(hù)方案無法充分保證工作面生產(chǎn)的安全性[1]。因此，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得的工作面地質(zhì)、水文以及煤層所賦予的條件對(duì)巷道的支護(hù)方案從理論層面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文以某煤礦的大斷面運(yùn)輸順槽巷道為研究對(duì)象，對(duì)其支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

以某礦運(yùn)輸順槽巷道為研究對(duì)象，該工作面的走向長(zhǎng)度為2 020 m，傾斜長(zhǎng)度為295 m；工作面煤層厚度范圍為4.2～6.18 m，平均煤層厚度為5.46 m；該運(yùn)輸順槽巷道的凈高度為4 200 mm，凈寬度為6 200 mm。運(yùn)輸順槽巷道的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 某礦運(yùn)輸順槽的頂?shù)装迩闆r

經(jīng)對(duì)運(yùn)輸順槽現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)可知：該工作面巷道的地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，巷道圍巖中所含的粘土礦物的比例較大，且巷道的水文地質(zhì)條件不復(fù)雜。此外，在當(dāng)前支護(hù)方案下巷道內(nèi)圍巖主要以破碎的散體狀態(tài)存在，無法保證巷道的穩(wěn)定性。

2 運(yùn)輸順槽支護(hù)現(xiàn)狀分析

2.1 運(yùn)順順槽原支護(hù)參數(shù)

在原先支護(hù)方案下，采用錨桿+錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，采用錨桿+金屬梁對(duì)巷幫進(jìn)行支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)如下。

2.1.1 頂板支護(hù)參數(shù)

1）所選用錨桿的直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，每排錨桿之間的間距為1 500 mm，錨桿與錨桿之間的間距為1 000 mm，每排共有四根錨桿。錨桿采用K3335和Z2360的樹脂藥卷進(jìn)行固定。采用規(guī)格為50 mm×50 mm 的金屬網(wǎng)對(duì)其錨桿進(jìn)行支護(hù)，金屬網(wǎng)的長(zhǎng)度為3 500 mm，寬度為1 000 mm。

2）所選錨索直徑為18.9 mm，長(zhǎng)度為7 300 mm，錨索與錨索之間間距為1 500 mm，每排錨索間距為3 000 mm，同樣采用K3335和Z2360的樹脂藥卷進(jìn)行固定。

2.1.2 巷幫支護(hù)參數(shù)

所選用錨桿的直徑為18 mm，長(zhǎng)度為1 800 mm，每排錨桿之間的間距為1 500 mm，錨桿與錨桿之間的間距為1 000 mm，每排共有三根錨桿。錨桿采用Z2360的樹脂藥卷進(jìn)行固定[2]。采用規(guī)格為50 mm×50 mm 的金屬網(wǎng)對(duì)其錨桿進(jìn)行支護(hù)，金屬網(wǎng)的長(zhǎng)度為2 500 mm，寬度為2 000 mm。

運(yùn)輸順槽巷道原支護(hù)方案如圖1 所示。

圖1 運(yùn)輸順槽原支護(hù)方案（單位：mm）

2.2 原支護(hù)方案的變形監(jiān)測(cè)

在原運(yùn)輸順槽的支護(hù)方案下，對(duì)其工作面頂板的下沉量和巷幫的收斂量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總共監(jiān)測(cè)時(shí)間經(jīng)歷20 天。為保證可從整體上反映現(xiàn)支護(hù)方案下對(duì)工作面的支護(hù)效果和質(zhì)量，選擇兩個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 原支護(hù)方案下運(yùn)輸順槽的支護(hù)效果

分析表1 可知，運(yùn)輸順槽巷道在現(xiàn)有的支護(hù)措施下頂板發(fā)生較大的變形，巷幫的收斂量很大，從而導(dǎo)致工作面巷道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的離層現(xiàn)象[3]，說明現(xiàn)支護(hù)方案對(duì)工作面巷道圍巖的控制力度不夠。因此，急需對(duì)該運(yùn)輸順槽巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

針對(duì)原支護(hù)參數(shù)下巷道變形大的問題，結(jié)合自穩(wěn)隱形拱理論對(duì)其支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，使得工作面巷道應(yīng)力分布均勻，從而達(dá)到減小巷道變形量的目的。

3.1 錨桿參數(shù)的優(yōu)化

基于自穩(wěn)隱形拱理論，當(dāng)運(yùn)輸順槽頂板固定錨索后其對(duì)應(yīng)的自穩(wěn)隱形拱高度為1.9 m。則，頂板所需錨桿的長(zhǎng)度計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：L1為頂錨桿外露的長(zhǎng)度，取0.1 m；L2為自穩(wěn)隱形拱高度，取1.9 m；L3為錨桿伸入自穩(wěn)隱形拱外的距離，取0.5 m。經(jīng)計(jì)算可知，頂錨桿的總長(zhǎng)度為2.5 m。

根據(jù)頂錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，結(jié)合當(dāng)前市面錨桿的通用規(guī)格，擬選用頂錨桿的直徑為20 mm。根據(jù)式（2）計(jì)算得出每排錨桿的數(shù)量：

其中，n 為每排錨桿的數(shù)量，G 為頂板冒落拱內(nèi)錨桿承擔(dān)煤體的載荷，取151.98 kN；QB為所選型錨桿的屈服強(qiáng)度，取65 kN[4]。經(jīng)計(jì)算的，n=4.67。則，取每排錨桿的數(shù)量為5 根。由于巷道的寬度為6 200 m，則確定錨桿之間的間排距為1 400 mm，對(duì)應(yīng)每排錨桿的間距為900 mm。

最終得出針對(duì)運(yùn)輸順槽頂板的錨桿支護(hù)所選型的錨桿參數(shù)為：直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 500 mm，間排距為900 mm×1 400 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根[5]。

同理，運(yùn)輸順槽巷幫錨桿支護(hù)所選型錨桿的參數(shù)為：直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm，每排錨桿數(shù)量為3 根，間排距為7 00 mm×1 400 mm。

3.2 錨索參數(shù)的優(yōu)化

錨索長(zhǎng)度的計(jì)算如式（3）所示：

式中，Ls為錨索的總長(zhǎng)度；La為直接頂?shù)暮穸?，?.3m；Lb為錨索自由段的長(zhǎng)度，取3.2 m；Lc為錨索外露的長(zhǎng)度，取0.3 m。經(jīng)計(jì)算得：錨索的總長(zhǎng)度為7.8 m。

由于錨桿的間距為1 400 mm，故選擇錨索的間距同樣為1 400 mm，結(jié)合支護(hù)經(jīng)驗(yàn)選擇錨索與錨索之間的間距為1 600 mm。

綜上所述，針對(duì)運(yùn)輸順槽所存在的問題，對(duì)其錨桿和錨索參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果如表3 所示。

表3 運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比 mm

優(yōu)化后，運(yùn)輸順槽的支護(hù)效果如表4 所示。

表4 原支護(hù)方案下運(yùn)輸順槽的支護(hù)效果

4 結(jié)語

巷道的支護(hù)效果和質(zhì)量直接決定綜采工作面生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率，針對(duì)某煤礦運(yùn)輸順槽頂板、巷幫變形量大的問題對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中分別對(duì)頂板和巷幫的錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐表明，支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后頂板的下沉量和巷幫的收斂量得到明顯改善。