劉振華
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司,山西 大同 037100)
東周窯煤礦8103工作面井下位于5#層一盤區(qū),工作面開采C5#煤層,煤層平均厚度為4.0 m,平均傾角為5°,煤層內(nèi)平均含有兩層夾矸,煤層節(jié)理裂隙發(fā)育,煤層頂板巖層為泥巖和砂巖,底板巖層為泥巖和細(xì)砂巖。8103工作面采用綜放頂煤開采。5103巷為8103工作面的回風(fēng)巷,巷道設(shè)計(jì)沿煤層底板掘進(jìn),掘進(jìn)寬度×高度=5.0 m×3.8 m?,F(xiàn)為充分保障巷道掘進(jìn)期間圍巖的穩(wěn)定,特進(jìn)行巷道掘進(jìn)期間護(hù)巷煤柱寬度及支護(hù)方案的設(shè)計(jì)分析。
為確定5103巷合理的護(hù)巷煤柱寬度,根據(jù)彈塑性力學(xué)理論,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件,推導(dǎo)計(jì)算工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布情況,側(cè)向支承壓力峰值距離采空區(qū)的位置(塑性區(qū)寬度),為工作面小煤柱巷道的布置提供理論依據(jù)。建立煤柱塑性區(qū)寬度的計(jì)算模型如圖1,為方便研究分析,模型中假設(shè)所有巖體為彈塑性體,煤體的破壞滿足摩爾-庫倫準(zhǔn)則[1-3]。圖中M為煤層開采厚度,σx和σy分別為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力,x1為極限平衡區(qū)寬度,σy1為垂直應(yīng)力峰值,α為煤層傾角,Px為采空區(qū)對(duì)煤柱的水平約束力,τxy為煤層與巖層間剪應(yīng)力。
圖1 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型圖
基于煤柱塑性區(qū)寬度力學(xué)模型,推導(dǎo)出采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值距采空區(qū)距離表達(dá)式為[4-5]:
對(duì)于傾角小的煤層,可近似將α取為0°,能夠進(jìn)一步得出:
式中:β為側(cè)壓系數(shù);σ為最大或最小水平主應(yīng)力;φ0為煤層界面內(nèi)的內(nèi)摩擦角;C0為煤層界面中的黏聚力;其余符號(hào)含義同上。根據(jù)礦井地質(zhì)資料及相關(guān)研究報(bào)告中的數(shù)據(jù),取Px=0、C0=2 MPa、φ0=28°,分別取β=0.9、1.8,計(jì)算出不同側(cè)壓系數(shù)下煤厚4~8 m時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍如圖2。
圖2 不同開采厚度時(shí)側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)距離
從圖2看出,β=1.9時(shí),開采厚度分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為5.2 m、7.1 m、9.0 m、10.9 m、12.8 m。β=0.8時(shí),開采厚度分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為7.8 m、8.6 m、9.4 m、10.2 m、11.0 m。基于上述分析可知,側(cè)向支承壓力的峰值隨著采厚的增大呈現(xiàn)出逐漸向深部煤體轉(zhuǎn)移的趨勢?;?103工作面煤厚平均為4 m,得出應(yīng)力降低區(qū)范圍為5.2~7.8 m。
基于5103巷道設(shè)計(jì)的掘進(jìn)寬度為5 m,為確保巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),盡可能地提高煤炭資源回收率,同時(shí)考慮到相鄰工作面位于小煤柱中的硐室較多,避免小煤柱巷道與采空區(qū)出現(xiàn)打通現(xiàn)象,故綜合確定煤柱寬度為6 m。
根據(jù)5103巷賦存特征,結(jié)合護(hù)巷煤柱寬度分析結(jié)果,設(shè)計(jì)巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案,考慮到煤層松軟破碎,設(shè)計(jì)巷道采用頂幫協(xié)同支護(hù)[6-7],具體支護(hù)方案如下:
(1)頂板支護(hù)。錨桿采用Φ22 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×1000/2000 mm,頂板布置6根錨桿,錨桿間采用W型鋼帶連接,錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm蝶形托盤。W型鋼帶及金屬網(wǎng)護(hù)表,W型鋼帶為4800 mm×280 mm×3 mm。
頂 板 錨 索 采 用Φ17.8 mm-1×7-6300 mm鋼絞線,每隔2排錨桿打一排錨索,間排距為900 mm×3000 mm,與頂板垂直布置,托盤為220 mm×200 mm×12 mm異形托盤(與JW鋼帶配套),錨索吊JW型高強(qiáng)度鋼帶及金屬網(wǎng)護(hù)表,JW型鋼帶為4800 mm×330 mm×6 mm。頂板兩頂角位置處布置2根規(guī)格為Φ17.8 mm-1×7-5300 mm鋼絞線錨索,排距為2000 mm,以充分控制頂角區(qū)域的變形。
(2)小煤柱幫支護(hù)。錨桿規(guī)格同頂板,間排距1000 mm×1000 mm,錨桿采用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤,幫頂和幫底錨桿分別與巷幫成15°和10°向上和向下布置,采用W型鋼護(hù)板(450 mm×280 mm×3 mm)及金屬網(wǎng)護(hù)表(50 mm×50 mm)。
(3)采煤幫支護(hù)。錨桿布置參數(shù)同小煤柱幫,巷道支護(hù)時(shí)中間2根錨桿交替換成錨索,錨索規(guī)格為Φ17.8 mm-1×7-4300 mm,排距2000 mm,托盤為300 mm×300 mm×14 mm的拱型預(yù)應(yīng)力鐵托板,垂直巷幫。
(4)錨固長度及預(yù)緊力。錨桿錨固采用加長錨固,采用兩支樹脂藥卷(MSK2335,+MSZ2360),預(yù)緊力矩不小于400 N·m,錨固力要求不低于190 kN。頂板錨索采用端頭錨固,采用三支樹脂藥卷,一支MSK2335,兩支為MSZ2360,藥卷從上到下先快速,后中速。要求錨索預(yù)應(yīng)力不低于210 kN,錨固力不低于320 kN,頂錨桿錨固長度900 mm,幫錨桿錨固長度600 mm,錨索錨固長度1500 mm。
具體5103巷掘進(jìn)期間支護(hù)方案如圖3。
圖3 5103巷支護(hù)布置方式圖(mm)
5103巷掘進(jìn)期間,每間隔50 m布置一組礦壓監(jiān)測站,隨著掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行,持續(xù)對(duì)巷道圍巖變形量和錨桿索受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測?,F(xiàn)選取1#礦壓監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。
(1)圍巖變形量。根據(jù)1#測站圍巖變形量的監(jiān)測得出圍巖變形曲線如圖4。
圖4 巷道掘進(jìn)期間1#測站圍巖變形曲線圖
分析圖4可知,巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下,頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾适冀K處于較低的水平。巷道圍巖較為松軟,故而巷道圍巖變形時(shí)間較長,但圍巖整體變形量小,觀測期間內(nèi)頂板下沉量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾禐?5 mm、55 mm和67 mm?;谏鲜龇治隹芍锏涝诂F(xiàn)有護(hù)巷煤柱和支護(hù)方案下,圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),變形量滿足使用要求。
(2)錨桿索受力情況。1#測站錨桿錨索受力曲線如圖5。
圖5 巷道掘進(jìn)期間1#測站錨桿索受力曲線圖
通過錨桿錨索的受力狀況變化可以看出:
① 1#測站幫錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)要求為180 kN(31 MPa),現(xiàn)場采用YCD18-350型張拉千斤頂,張拉系數(shù)為5.83。由于煤壁較軟以及預(yù)應(yīng)力損失,幫錨索獲得初始預(yù)緊力在50~100 kN范圍之間,平均值約75 kN。掘進(jìn)初期幫錨索受掘進(jìn)影響受力變化較大,之后幫錨索受力變化幅度趨為穩(wěn)定,最終幫錨索工作阻力保持在90~150 kN范圍之間,平均值為130 kN。
② 1#測站幫錨桿預(yù)緊力力矩為設(shè)計(jì)要求的400 N·m,現(xiàn)場采用8倍扭矩倍增器進(jìn)行預(yù)緊,幫錨桿獲得初始預(yù)緊力在45~82.5 kN范圍之間,平均值約63.5 kN。掘進(jìn)初期幫錨桿受掘進(jìn)影響受力變化較大,之后錨桿受力變化幅度較為穩(wěn)定,幫錨桿工作阻力保持在88~90 kN范圍之間,平均值為89 kN。
③ 1#測站頂錨索預(yù)緊力為設(shè)計(jì)要求的290 kN(51 MPa),現(xiàn)場采用型號(hào)為YCD22-370型張拉千斤頂,張拉系數(shù)為6.26,現(xiàn)場操作要求達(dá)到46 MPa以上。1#測站錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,頂錨索初始預(yù)緊力損失之后初始受力達(dá)到160~195 kN之間,平均值為175 kN,掘進(jìn)初期受掘進(jìn)影響波動(dòng)較大,
之后錨索受力值一直保持穩(wěn)定,最終頂錨索受力保持在140~230 kN之間,平均值為185 kN。
綜合上述分析可知,巷道掘進(jìn)期間錨桿索受力均處于正常狀態(tài),錨桿索均起到其主動(dòng)支護(hù)的效果,保障了巷道掘進(jìn)期間圍巖的穩(wěn)定。
根據(jù)8103工作面的賦存情況,基于煤柱塑性區(qū)寬度的計(jì)算模型推導(dǎo)計(jì)算得出側(cè)向支承壓力的降低區(qū)范圍為5.2~7.8 m,確定煤柱寬度為6 m,設(shè)計(jì)巷道采用頂幫協(xié)同的錨網(wǎng)索支護(hù)方案。6 m護(hù)巷煤柱和現(xiàn)有錨網(wǎng)索支護(hù)方案,保障了圍巖的穩(wěn)定。