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        厚煤層小煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-06-29 08:57:30馮亞楠
        機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:順槽煤柱錨索

        馮亞楠

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣公司潤(rùn)東煤業(yè),山西 晉城 048000)

        引言

        潤(rùn)東煤業(yè)是一座資源整合礦井,煤炭可采儲(chǔ)量有限,為提高礦井的資源回收率,實(shí)施小煤柱沿空掘巷迫在眉睫。針對(duì)小煤柱沿空掘巷工藝,如何采用較低的支護(hù)成本達(dá)到安全可靠的支護(hù)效果。通過(guò)優(yōu)化1305工作面進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)煤柱寬度從原先設(shè)計(jì)的20 m縮減至6 m,同時(shí)保證了巷道的安全順利掘進(jìn)。

        1 1305工作面布置情況

        1305工作面北與1304回采工作面(已回采)相鄰,南與礦界相鄰,西與軌道聯(lián)絡(luò)巷、膠帶聯(lián)絡(luò)巷相鄰,東為采空區(qū),目前四鄰均無(wú)采掘活動(dòng)。

        1305工作面開(kāi)采3號(hào)煤層,平均埋深270 m,煤層厚度5.72~7.15 m,平均6.29 m,煤層傾角2°~8°。1305上分層回采工作面布置有1209巷作為運(yùn)輸順槽,1210巷作為回風(fēng)順槽,如圖1所示。

        圖1 1305工作面布置圖

        2 頂板鉆孔窺視及頂板巖層分析

        2.1 窺視目的

        利用鉆孔窺視儀對(duì)巷道頂板進(jìn)行鉆孔窺視,準(zhǔn)確掌握1305工作面頂板巖層巖性、裂隙、各巖層厚度變化及賦存情況。

        2.2 窺視儀器

        采用CXK12礦用鉆孔窺視儀(見(jiàn)圖2)對(duì)3號(hào)煤層頂板進(jìn)行鉆孔窺視。

        圖2 CXK12礦用鉆孔窺視儀及配套件

        2.3 窺視鉆孔布置

        為了研究潤(rùn)東煤業(yè)1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板圍巖結(jié)構(gòu),掌握頂板巖層裂隙、各巖層厚度變化情況,在與1209進(jìn)風(fēng)順槽相鄰的1208回風(fēng)順槽110 m、170 m處布置2個(gè)窺視孔,標(biāo)號(hào)分別為4號(hào)、5號(hào),窺視測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。鉆孔直徑32 mm,孔深分別為13.6 m、13.4 m,窺視孔垂直于頂板布置。

        圖3 窺視測(cè)點(diǎn)布置

        2.4 窺視結(jié)果分析

        通過(guò)對(duì)4號(hào)、5號(hào)鉆孔窺視結(jié)果分析得到1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板綜合柱狀圖4所示。

        圖4 1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板綜合柱狀圖

        3 基于工程類(lèi)比法優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

        1304工作面與本工作面相鄰,巷道斷面和地質(zhì)條件與1305工作面基本相同,目前1304上分層工作面回采完畢,巷道圍巖變形不大,滿足生產(chǎn)要求。該工作面回風(fēng)順槽和切眼支護(hù)方式可為本次支護(hù)設(shè)計(jì)提供類(lèi)比[1]。

        3.1 巷道圍巖礦壓特征理論計(jì)算

        3.1.1 1209進(jìn)風(fēng)順槽最大片幫深度C的計(jì)算

        1209巷為1305工作面的進(jìn)風(fēng)順槽,留6 m小煤柱護(hù)巷,巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)取1.8;上覆巖層平均重力密度26 kN/m3;巷道埋深270 m考慮;采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù)取1.7;考慮節(jié)理裂隙影響,3號(hào)煤層的普氏系數(shù)計(jì)算時(shí)取0.7;巷道高度取2.75 m;煤體內(nèi)摩擦角45.5°。

        式中:Kcx為巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù);γ為上覆巖層平均重力密度,kN/m3;H為巷道埋深,m;B為表征采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù);fc為煤層硬度系數(shù);h為巷道高度,m;φ為煤體內(nèi)摩擦角,(°)。

        通過(guò)公式(1)計(jì)算得:1209進(jìn)風(fēng)順槽最大片幫深度為2.35 m,即考慮小煤柱護(hù)巷條件,巷道最大片幫深度為2.35 m。

        3.1.2 1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板不穩(wěn)定巖層高度h g的計(jì)算

        式中:hg為頂板自然平衡拱高度,m;A為巷道掘進(jìn)寬度之半,2.1 m;fd為頂板普氏系數(shù)。

        考慮頂板主要為3.8 m粉砂巖、6.2 m厚細(xì)砂巖和1.3 m厚砂質(zhì)泥巖,考慮節(jié)理裂隙影響,頂板加權(quán)普氏系數(shù)取fd=1.8。

        通過(guò)公式(2)計(jì)算得:1209進(jìn)風(fēng)順槽頂板自然平衡拱高度為2.57 m。

        3.1.3 1209進(jìn)風(fēng)順槽巷道頂壓Q d的計(jì)算

        式中:γd為頂板容重,巖石取26 kN/m3。

        通過(guò)公式(3)計(jì)算得1209進(jìn)風(fēng)順槽頂壓Qd=381.4 kN/m2。

        3.1.4 1209進(jìn)風(fēng)順槽巷道側(cè)壓按下式計(jì)算

        式中:γm為煤的容重,取14.75 kN/m3。

        通過(guò)公式(4)計(jì)算得1209進(jìn)風(fēng)順槽幫側(cè)壓為160.3 kN/m2。

        3.2 1209進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)的確定

        3.2.1 頂板支護(hù)參數(shù)

        1209進(jìn)風(fēng)順槽頂部考慮采用錨索補(bǔ)強(qiáng)。頂壓為381.4 kN/m。根據(jù)每根錨索懸吊載荷大小確定錨索間距(a)與排距(b),錨索的錨固力取350 kN,考慮到兩頂角錨桿的懸吊作用,考慮安全系數(shù)兩頂角錨桿的懸吊作用取130 kN,則錨桿索懸吊巖石載荷G(G=bQd)等于錨桿索的錨固力Q。在考慮了安全系數(shù)K的情況下,錨索排距b為:

        式中:Q為錨桿索的錨固力,Q=130+350=480 kN。

        錨索安全系數(shù)K=1.8,通過(guò)公式(5)計(jì)算得:1209進(jìn)風(fēng)順槽錨索排距不宜大于0.70 m。頂板采用錨索補(bǔ)強(qiáng),即每0.70 m至少布置一根錨索,結(jié)合頂錨桿間排距,頂錨索2-1-2布置,排距0.9 m,安全系數(shù)大于1.8。

        3.2.2 幫部支護(hù)參數(shù)

        1209進(jìn)風(fēng)順槽小煤柱幫部考慮采用錨索補(bǔ)強(qiáng),側(cè)壓為160.3 kN/m2。根據(jù)每根錨索載荷大小確定錨索間距a與排距b,錨索的錨固力取300 kN,則錨桿索載荷G'(G'=b'Qd)等于錨桿索的錨固力Q。在考慮了安全系數(shù)K的情況下,錨索排距b'為:

        式中:Q'=300 kN。

        錨索安全系數(shù)K'=1.5,通過(guò)公式(6)計(jì)算得:b'=1.24 m。結(jié)合幫錨桿間排距,幫錨索排1-0-1布置,排距1.8 m,安全系數(shù)大于1.5。

        1209進(jìn)風(fēng)順槽開(kāi)采側(cè)幫部根據(jù)類(lèi)比法參照1207進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)。

        3.2.3 1209進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)

        具體巷道參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3:

        表1 頂板支護(hù)參數(shù)

        表2 巷幫支護(hù)參數(shù)

        表3 小煤柱幫錨索補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)

        4 結(jié)論

        通過(guò)優(yōu)化1305工作面進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì),該工作面于2020年9月至12月順利完成掘進(jìn),且預(yù)留煤柱寬度由原先設(shè)計(jì)的20 m縮減至6 m。通過(guò)在巷道布置表面位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),巷道小煤柱幫側(cè)最大移近量150 mm,開(kāi)采幫側(cè)最大移近量100 mm,兩幫最大移近量250 mm,頂板最大移近量120 mm,最小移近量50 mm。該支護(hù)設(shè)計(jì)完全滿足小煤柱沿空掘巷的施工要求。

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