曹海彬

(潞安化工集團(tuán) 蒲縣開拓煤業(yè)公司，山西 蒲縣 041206)

1 工程概況

潞安化工集團(tuán)蒲縣開拓煤業(yè)有限公司礦井位于蒲縣喬家灣鄉(xiāng)井上村一帶，3109工作面主采3號(hào)煤層，上距2號(hào)煤層底板平均約為4.22 m，3109膠帶巷在掘進(jìn)過程中巷道圍巖變形量大，局部位置發(fā)生冒頂及片幫現(xiàn)象，表明原有支護(hù)方案并不合理，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

3號(hào)煤層平均埋深457 m，煤層厚度1.15～2.60 m，平均1.93 m，煤層傾角0～8°，平均5°，含夾矸0～2層，結(jié)構(gòu)較簡單，屬穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為泥巖和粉砂巖。底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖。煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀示意

2 下煤層回采巷道圍巖變形特征

近距離煤層開采受上煤層回采影響，上煤層底板應(yīng)力將重新分布[1-2]，即上煤層回采后直接影響下煤層頂板應(yīng)力的分布，下煤層巷道圍巖將處于極限應(yīng)力平衡狀態(tài)，根據(jù)下煤層巷道圍巖應(yīng)力特點(diǎn)可將其劃分為破碎區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，見圖2。

圖2 巷道圍巖所受荷載

為方便分析下煤層巷道圍巖受力特征，假定巷道圍巖是連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的，巷道圍巖所受支承壓力同時(shí)考慮均勻荷載和線性荷載兩種情況，將所受荷載疊加，如圖3所示。

圖3 巷道圍巖所受荷載

開拓煤業(yè)3109工作面主采3號(hào)煤層，上距2號(hào)煤層底板平均約為4.22 m，回采巷道為矩形巷道，斷面寬×高=4.2 m×2.2 m，平均埋深H=457 m。采場圍巖計(jì)算參數(shù)如下：上覆巖層容重γ=25 kN/m3，巷道圍巖粘聚力c=2.5 MPa，內(nèi)摩擦角φ=23°，側(cè)壓系數(shù)λ=0.6，巷道圍巖彈塑性界面應(yīng)力集中系數(shù)k1=1.7，k2=2.0，極限拉應(yīng)變?chǔ)興tmax=0.736×10-3，彈性模型E=3.2 GPa。

2.1 3109工作面回采巷道兩幫極限平衡區(qū)寬度

3109工作面回采巷道開挖前后，巷道圍巖所受圍巖應(yīng)力和支承應(yīng)力峰值為：

P0=γH=25×103×457=11.43 MPa

(1)

P1=k1γH=1.7×11.43=19.43 MPa

(2)

P2=k2γH=2.0×11.43=22.86 MPa

(3)

由于巷道圍巖在支承壓力峰值作用下，彈塑性界面受最大水平應(yīng)變的單元煤體處于極限應(yīng)變狀態(tài)，因此，符合以下公式：

(4)

式中：σx和σy為巷幫最大水平位移單元體所受應(yīng)力分量，可由下式計(jì)算：

(5)

將式(1)(2)(3)代入式(5)，并將所得結(jié)果代回式(4)，計(jì)算可得：3109工作面回采巷道巷幫極限平衡區(qū)寬度x1=3.85 m。

2.2 3109工作面回采巷道兩幫破裂區(qū)寬度

巷道掘進(jìn)前，煤體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，揭露煤體處于二向應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致巷幫實(shí)體煤承載能力降低，且巷幫所受荷載也急劇增大，當(dāng)超過煤幫的極限承載能力時(shí)，巷幫實(shí)體煤將處于破裂狀態(tài)，破裂區(qū)寬度可由下式計(jì)算：

(6)

式中：系數(shù)β和B可由以下公式計(jì)算：

(7)

將開拓煤業(yè)3109工作面開采3號(hào)煤層力學(xué)參數(shù)代入可得：Ls=2.95 m。

2.3 巷幫圍巖變形量

巷道掘進(jìn)過程中，巷幫所受水平應(yīng)力可由下式計(jì)算：

(8)

則巷道兩幫變形量為：

巷道兩幫總的變形量為：S=S1+S2=0.45 m。

2.4 上下煤層工作面回采巷道安全距離

按照開拓煤業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，采場上覆巖層應(yīng)力擴(kuò)散角θ=37°，3109工作面主采3號(hào)煤層上距2號(hào)煤層底板巖層平均約為z=4.22 m。由2.1部分可得3109工作面回采巷道巷幫極限平衡區(qū)寬度x1=3.85 m，上下煤層工作面回采巷道安全距離可由以下公式計(jì)算：

Xmin=x1+ztan37°=3.85+4.22×tan37°=7.1 m

(10)

2.5 上煤層巷道底板破壞范圍

按照巷幫破壞范圍最大情況進(jìn)行計(jì)算，回采巷道巷幫極限平衡區(qū)寬度x1=3.85 m，底板巖層內(nèi)摩擦角φ=10°，上煤層巷道底板巖層最大破壞范圍為：

=3.35 m

(11)

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 支護(hù)優(yōu)化

1) 3109工作面回采巷道原支護(hù)方案。巷道頂板布置4根D18 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 400 mm×1 000 mm，巷道肩角位置2根錨桿與豎直方向夾角為20°，同時(shí)在錨桿間隔位置布置D18 mm×3 500 mm的錨索，錨索間排距為1 400 mm×2 000 mm，布置巷幫同樣選用D18 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，每幫均布置3根錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，同時(shí)鋪設(shè)50 mm×50 mm規(guī)格的金屬網(wǎng)。

3.2 3109工作面回采巷道支護(hù)方案優(yōu)化

1) 錨桿長度。按照組合拱理論[3-4]，錨桿長度計(jì)算公式如下：

L0≥L1+L2+L3

(12)

式中：L0為錨桿長度，m；L1為墊板及錨具厚度，取0.10 m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨固段長度，取0.3～0.4 m。

開拓煤業(yè)3109工作面回采巷道半寬a=2.1 m，巷幫破裂區(qū)范圍Ls=2.95 m，圍巖普氏系數(shù)為2.7，當(dāng)巷道開挖后，可將其簡化為如圖4的模型。

圖4 巷道開挖后計(jì)算模型

其中，頂板有效跨度半徑可由下式計(jì)算：

a1=a+Ls=2.1+2.95=5.05 m。

以示區(qū)別，頂錨桿長度及有效長度分別記為L0及L2，幫錨桿長度及有效長度分別記為L'0及L'2。

頂錨桿的有效長度為：L2=a1/f=5.05/2.7=1.87 m。將結(jié)果代入式(12)可得頂錨桿長度為：L0≥2.37 m。

幫錨桿的有效長度為：L'2≥Ls=2.95 m。將結(jié)果代入式(12)可得幫錨桿長度為：L'0≥3.45 m。

綜合考慮開拓煤業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，3109工作面回采巷道頂錨桿長度應(yīng)為2.4 m，幫錨桿長度應(yīng)為3.5 m。

2) 錨桿間排距。錨桿間距可由下式計(jì)算：

a≤0.5L0

頂錨桿間距計(jì)算得：

a1≤0.5L0=1.2 m

幫錨桿間距計(jì)算得：

a'1≤0.5L'0=1.75 m

綜合考慮開拓煤業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，3109工作面回采巷道頂錨桿間排距調(diào)整為1 200 mm×1 000 mm，幫錨桿間排距不變，仍為1 000 mm×1 000 mm。

3) 錨桿直徑。為滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)需求，錨桿直徑應(yīng)滿足以下公式：

式中：d為錨桿直徑，mm；σt為錨桿抗拉強(qiáng)度，取360 MPa；Q為錨固力，取90 kN。

計(jì)算可得：d≥18.9 mm，綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，錨桿直徑選為20 mm。

優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案為：巷道頂板布置4根D20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，巷道肩角位置兩根錨桿與豎直方向夾角為20°，同時(shí)在錨桿間隔位置D18 mm×3 500 mm的錨索，錨索間排距為1 400 mm×2 000 mm，布置巷幫同樣選用D20 mm×3 500 mm的螺紋鋼錨桿，每幫均布置3根錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，同時(shí)鋪設(shè)50 mm×50 mm規(guī)格的金屬網(wǎng)。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測

在3109回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，在滯后掘進(jìn)工作面10 m、30 m、50 m位置分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)對(duì)3109回風(fēng)巷頂板下沉量、底鼓量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道變形量現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖5所示，在支護(hù)初期，由于監(jiān)測點(diǎn)距離掘進(jìn)工作面較近，巷道變形量也較大，其中頂板下沉量約為0.78 mm/d，底鼓量約為0.92 mm/d，兩幫變形量約為0.89 mm/d。隨著巷道不斷掘進(jìn)，監(jiān)測點(diǎn)距離掘進(jìn)工作面越來越遠(yuǎn)，巷道圍巖也逐漸趨于穩(wěn)定，在巷道掘進(jìn)約77 d后，巷道圍巖已基本不再發(fā)生變形，此時(shí)頂板下沉量最大值為60 mm，底鼓量最大值為47 mm，兩幫移近量最大值為69 mm?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道圍巖變形量較小，且未出現(xiàn)冒頂、片幫等現(xiàn)象，支護(hù)效果良好。

4 結(jié) 語

1) 上、下煤層回采巷道之間內(nèi)錯(cuò)距離應(yīng)為3.8 m。

2) 優(yōu)化后的支護(hù)方案為：頂錨桿長度為2 400 mm，間排距為1 200 mm×1 000 mm，幫錨桿長度為3 500 mm，間排距為1 400 mm×2 000 mm，錨桿直徑均為20 mm，在頂錨桿間隔位置布置D18 mm×3 500 mm的錨索，錨索間排距為1 400 mm×2 000 mm。

3) 3109回風(fēng)巷現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道未出現(xiàn)冒頂、片幫等現(xiàn)象，且變形量較小，頂板下沉量最大值為60 mm，底鼓量最大值為47 mm，兩幫移近量最大值為69 mm，支護(hù)效果良好。