李勝利 王 寧 王全明

（1.山西科技學(xué)院，山西 晉城 048000；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046600）

1 工程背景

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井位于長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣，目前開(kāi)采3#煤層，煤層埋深480～530 m，煤層均厚4.26 m。煤層頂板為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。井田構(gòu)造復(fù)雜程度為中等[1]。原有順槽巷道支護(hù)設(shè)計(jì)未根據(jù)受不同采動(dòng)影響的情況進(jìn)行區(qū)分，而是采用同一種支護(hù)設(shè)計(jì)，在某種程度上是不夠科學(xué)合理的[2-3]。

圖1 為原綜放工作面順槽巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖。頂板支護(hù)采用型號(hào)為MSGLW-500/22×2400 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2 m，間距1.05 m，每排5根錨桿，錨固力不小于150 kN[1]；錨索采用SKP22-1/1720-6400 型1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)緊力不小于300 kN，一排2 根，排距2.4 m。巷幫支護(hù)采用型號(hào)為MSGLW-500/22×2400 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2 m，每排4 根，上面3根間距0.9 m，第三根與第四根錨桿間距0.8 m，錨固力不小于150 kN。非回采側(cè)巷幫中部增設(shè)幫錨索，采用SKP22-1/1720-5400 型1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)緊力不小于250 kN，一排1 根，排距2.4 m。

圖1 順槽巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

2 巷道支護(hù)優(yōu)化方案

巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)以現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)情況和礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)、工作面地質(zhì)資料以及周邊地質(zhì)參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)[4-6]，并在實(shí)踐過(guò)程中不斷驗(yàn)證優(yōu)化。

2.1 煤樣力學(xué)性質(zhì)

選取2305 運(yùn)料橫川和2305 運(yùn)料聯(lián)絡(luò)巷采集煤樣進(jìn)行試驗(yàn)。3#煤層煤樣用濕式加工法加工成直徑50 mm、高100 mm 的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，置于通風(fēng)較好地點(diǎn)放置一周自然風(fēng)干。煤樣三軸壓縮試驗(yàn)圍壓最大值取20 MPa。圍壓按梯度變化，其大小分別為：0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa。

如表1 所示為3#煤層煤樣相應(yīng)圍壓下彈性模量等力學(xué)參數(shù)。由表1 及圖2 不同圍壓下試樣結(jié)果可以看出，煤樣峰值強(qiáng)度、彈性模量的總體變化趨勢(shì)是隨著圍壓的提高而增大。由于煤樣結(jié)構(gòu)松散，內(nèi)部存在多個(gè)節(jié)理，自身孔隙率較大，剛度較小。

圖2 煤樣彈性模量與圍壓關(guān)系曲線

表1 煤樣力學(xué)參數(shù)

表2 為巴西劈裂測(cè)得的3#煤層煤樣抗拉強(qiáng)度，平均抗拉強(qiáng)度為0.57 MPa。

表2 煤樣抗拉強(qiáng)度

分 別 計(jì) 算 圍 壓0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa 下試樣的最大主應(yīng)力，繪制σ1與σ3的關(guān)系曲線，如圖3 所示。利用最小二乘法擬合求得二者之間關(guān)系式為：σ1=4.082σ3+13.68，殘差平方R2=0.984 6，擬合結(jié)果較好，線性關(guān)系明顯?？捎?jì)算得到3#煤層煤樣黏聚力為3.39 MPa 和內(nèi)摩擦角為37.3°。

圖3 煤樣σ1 ～σ3 關(guān)系回歸曲線

2.2 巷幫支護(hù)參數(shù)計(jì)算

支護(hù)巷幫所需提供的支護(hù)力計(jì)算公式為：

為保持巷幫穩(wěn)定，施加在巷幫的支護(hù)力應(yīng)滿足P≥δmax，可得出錨桿的間距計(jì)算公式為：

式中：Q為幫錨桿錨固力，150 kN；a1為幫錨桿的間距，m；b1為幫錨桿的排距，1.2 m；r為煤的容重，13.9 kN/m3；d為巷道的半寬，2.4 m；H為巷幫的高度，3.3 m；γ為煤層的內(nèi)摩擦角，37.3°；f為煤層普氏系數(shù)0.6～1.7；k1為錨桿安全系數(shù)，一般取1.5～3。

通過(guò)選取不同的f值得出計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表3?？梢缘贸觯后w強(qiáng)度越高，巷幫支護(hù)所需提供的支護(hù)力越小。在煤體普氏系數(shù)取最小值0.6 情況下，錨桿間距計(jì)算結(jié)果為1.219 m。

表3 順槽巷道錨桿間距計(jì)算結(jié)果表

2.3 優(yōu)化參數(shù)選擇

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合在西盤(pán)區(qū)2303、2301、2309、2307 等多個(gè)綜放工作面的順槽巷道礦壓觀測(cè)情況，認(rèn)為受單次采動(dòng)影響或不受采動(dòng)影響的順槽巷道支護(hù)參數(shù)可在現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

順槽巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后如圖4。優(yōu)化內(nèi)容為對(duì)順槽巷幫支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，巷幫支護(hù)錨桿由原設(shè)計(jì)4 根減少為3 根，錨桿間距由0.9 m 調(diào)整為1.15 m，幫頂角錨桿距頂板距離由0.3 m 調(diào)整為0.35 m，巷幫最下部一根錨桿距底板高度0.65 m，并配合W 鋼托盤(pán)支護(hù)巷幫；鋼帶長(zhǎng)度由1.9 m 調(diào)整為2.4 m；其余參數(shù)不做調(diào)整。頂板支護(hù)參數(shù)不變。

圖4 順槽巷道優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

3 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

為驗(yàn)證順槽巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化后支護(hù)效果，在2312 綜放工作面膠帶進(jìn)風(fēng)順槽選擇長(zhǎng)度200 m 巷道進(jìn)行工程試驗(yàn)。按優(yōu)化后順槽巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工，并在此段區(qū)域和原設(shè)計(jì)段設(shè)置綜合測(cè)站、頂板離層儀等，每天進(jìn)行觀測(cè)，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

如圖5、圖6 所示，為2312 綜放工作面回采過(guò)程中原支護(hù)段與優(yōu)化段測(cè)站圍巖變形量情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，支護(hù)參數(shù)優(yōu)化段與原支護(hù)設(shè)計(jì)段巷道圍巖變形情況相近，未出現(xiàn)巷幫失穩(wěn)情況，保證了安全生產(chǎn)，已進(jìn)一步在2311、2325 等綜放工作面推廣應(yīng)用。

圖5 原支護(hù)段與優(yōu)化段測(cè)站兩幫移近量

圖6 原支護(hù)段與優(yōu)化段測(cè)站頂?shù)滓平?/p>

通過(guò)支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，較原巷道設(shè)計(jì)每排支護(hù)可減少2 根錨桿，按照一個(gè)掘進(jìn)隊(duì)正常掘進(jìn)期間每天煤巷進(jìn)尺9 排（10.8 m）計(jì)算，可減少施工錨桿18根/天，節(jié)約支護(hù)時(shí)間約1.2 h；提高工效的同時(shí)，節(jié)省材料費(fèi)用支出，按照每根錨桿58 元，錨固劑8.8元計(jì)算，每米掘進(jìn)進(jìn)尺可節(jié)省支護(hù)材料費(fèi)用111.3 元。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出3#煤層煤樣峰值強(qiáng)度、彈性模量的總體變化趨勢(shì)是隨著圍壓的提高而增大，煤樣黏聚力3.39 MPa，內(nèi)摩擦角37.3°，平均抗拉強(qiáng)度為0.57 MPa。

（2）對(duì)受單次采動(dòng)影響或不受采動(dòng)影響的順槽巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化調(diào)整巷幫支護(hù)參數(shù)，幫錨桿間距由0.9 m 調(diào)整為1.15 m。每條巷道每天可節(jié)約支護(hù)時(shí)間1.2 h，每米進(jìn)尺可節(jié)省材料費(fèi)111.3 元，減少礦井的生產(chǎn)成本，有效提高工效。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，受采動(dòng)影響時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化段與原支護(hù)設(shè)計(jì)段巷道圍巖變形情況相近，未出現(xiàn)巷幫失穩(wěn)情況，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，效果良好。