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        含軟弱夾層煤巷支護(hù)改進(jìn)方法研究

        2022-11-01 06:20:34潘立業(yè)
        2022年11期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖

        潘立業(yè)

        (山西弘順能源發(fā)展有限公司,山西 太原 030200)

        我國(guó)地下煤礦廣泛采用綜采工藝,對(duì)于綜采工作面而言,工作面巷道的穩(wěn)定與否對(duì)于礦山安全高效開(kāi)采具有重要影響[1-3]。如果巷道變形得不到有效控制,一方面影響施工進(jìn)度,另一方面對(duì)采場(chǎng)人員及設(shè)備將會(huì)造成威脅。針對(duì)含軟弱夾層煤巷條件,采取合理有效的支護(hù)方法,對(duì)于工作面安全回采至關(guān)重要[4-6]。

        在煤巷支護(hù)研究方面,陳道志等[7]分析了采動(dòng)巷道圍巖二次支護(hù)關(guān)鍵技術(shù),研究了開(kāi)挖后動(dòng)壓巷道圍巖移近量及應(yīng)力分布情況,確定出合理的巷道支護(hù)參數(shù);王虎偉[8]運(yùn)用動(dòng)態(tài)信息法對(duì)煤巷錨桿支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),指出通過(guò)提高支護(hù)材料剛度、強(qiáng)度及可靠性,可有效提高圍巖本身的自承載能力;劉繼敏等[9]為確保宏巖煤礦回風(fēng)下山巷道支護(hù)的可靠性,提出了“錨桿+錨索+W鋼帶補(bǔ)強(qiáng)”聯(lián)合支護(hù)措施。綜合文獻(xiàn)分析,對(duì)于工作面巷道支護(hù)技術(shù)的研究取得了一定成果,然而對(duì)于含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法有待進(jìn)一步研究。

        為此,本文以某礦45203工作面含軟弱夾層煤巷為工程背景,優(yōu)化了工作面回風(fēng)巷道支護(hù)參數(shù),對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了綜合優(yōu)選,并給出了含軟弱夾層煤巷支護(hù)改進(jìn)方法,以保證工作面巷道的穩(wěn)定。

        1 工作面概況

        某煤礦礦井面積177 km2,煤炭?jī)?chǔ)量15.42億t,其中可采儲(chǔ)量9.27億t.45203工作面主要回采5-2煤層,煤層厚度4.65~5.85 m,平均5.3 m,煤層傾角0~3°,平均傾角0.5°,煤層中下部普遍含一層夾矸,局部區(qū)域中上部含一層夾矸,巖性為褐黃色泥巖,平均厚0.1 m.煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,基本頂為粉砂巖,直接底為粉砂巖,基本底為中粒砂巖。

        礦井工作采用綜采一次采全高、后退式全部垮落法管理頂板,相鄰工作面之間留設(shè)24 m寬度的區(qū)段煤柱,45203工作面布置情況圖如圖1所示。

        圖1 45203工作面布置圖

        45203回風(fēng)巷道斷面尺寸寬×高=5.5 m×3.1 m,巷道頂板采用D18 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+D17.8 mm×6 000 mm鋼絞線錨索支護(hù),巷道兩幫采用D18 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿支護(hù)。工作面開(kāi)采過(guò)程中,受煤層內(nèi)軟弱夾層及臨近工作面回采擾動(dòng)影響,45203回風(fēng)巷道變形嚴(yán)重,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),頂板最大沉降量為386 mm,煤柱幫最大位移量為362 mm,回采幫最大位移量分別為347 mm.為此,需要根據(jù)實(shí)際工程情況,研究該煤層條件下巷道合理支護(hù)方法,以保證巷道的穩(wěn)定性。

        2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

        2.1 頂錨桿(索)參數(shù)優(yōu)化

        根據(jù)該礦45203回風(fēng)巷道地質(zhì)條件,錨桿(索)的最短長(zhǎng)度可按公式(1)計(jì)算:

        L≥La+Lb+Lc

        (1)

        式中:L為錨桿(索)長(zhǎng)度,取0.02 m;La為錨桿(索)外露長(zhǎng)度,取0.6 m;Lb為錨桿(索)壓縮巖梁的厚度,m;Lc為錨桿(索)的最小錨固長(zhǎng)度,m.

        錨桿有效長(zhǎng)度Lb可取頂板破壞深度的2/3.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視結(jié)果,巷道頂板巖層破壞深度均小于2 m,因此有效長(zhǎng)度可取1.3 m,將各參數(shù)帶入公式(1)??傻?,頂錨桿最小長(zhǎng)度L=1.92 m,取錨桿長(zhǎng)度為2 m.錨索有效長(zhǎng)度取4 m,錨固段和外露段長(zhǎng)度分別取1.5 m和0.2 m,則錨索最小長(zhǎng)度為5.7 m,取為6 m.

        頂錨桿(索)直徑d可根據(jù)公式(2)計(jì)算:

        (2)

        式中:Q1為錨桿(索)的錨固力,取105 kN;σ1為錨桿(索)的抗拉強(qiáng)度,350 MPa.

        帶入公式(2)可得頂錨桿直徑d最小取19.45 mm,因此頂錨桿直徑取20 mm.同理,錨索極限承載力為230 kN,可得錨索直徑d2最小取15.22 mm,所以巷道錨索直徑可取15.24 mm;結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況巷道位于遺留煤柱下方頂板受力較大,最終錨索直徑取17.8 mm.

        頂錨桿(索)間距a可根據(jù)公式(3)計(jì)算:

        (3)

        式中:K為應(yīng)力集中系數(shù);γ為巖體容重,kN/m3.

        45203回采巷道頂板頂板巖體容重為27 kN/m3,錨桿錨固力為105 kN,有效長(zhǎng)度Lb為1.3 m,應(yīng)力集中系數(shù)取2,帶入公式(3),可求得頂錨桿最大間排距a為1.22 m.由于巷道支護(hù)強(qiáng)度較大,錨桿排距取1.2 m,錨索排距通常設(shè)置為錨桿的整數(shù)倍取3,則錨索排距取3.6 m.

        2.2 幫錨桿參數(shù)優(yōu)化

        研究采用非彈性區(qū)理論計(jì)算幫錨桿長(zhǎng)度,等效圓半徑按公式(4)確定:

        (4)

        式中:a為取巷道跨度的一半,m;h為巷道高度,m.

        45203回風(fēng)巷道寬5.5 m,為此a=2.75 m,h=3.1 m,帶入公式(4)可得,r0=3.16 m.

        巷道內(nèi)部最大非彈性區(qū)半徑按公式(5)計(jì)算:

        (5)

        式中:p為地應(yīng)力,kN/m2;c為巷道圍巖粘聚力,MPa;φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角,°.

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況,p=8.35 kN/m2,c=2.5 MPa,φ=35°,將相關(guān)參數(shù)帶入公式(5),巷道最大非彈性區(qū)半徑為3.8 m.

        兩幫非彈性區(qū)深度按公式(6)計(jì)算:

        a1=R0-a

        (6)

        將相關(guān)參數(shù)帶入公式(6),計(jì)算得巷道兩幫非彈性區(qū)寬度為1.05 m,錨桿有效錨固長(zhǎng)度不小于0.6 m,外露長(zhǎng)度為0.02 m,由此確定幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于1.67 m.綜合考慮工作面間采動(dòng)應(yīng)力對(duì)圍巖變形的影響,最終確定煤柱幫及回采幫錨桿長(zhǎng)度分別為2.0 m和2.2 m.

        3 巷道支護(hù)數(shù)值模擬分析

        3.1 數(shù)值模擬方案

        以45203回風(fēng)巷道原支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ),共進(jìn)行3種方案的模擬分析,通過(guò)不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力及位移變化情況,以確定最佳支護(hù)方案。方案1采用巷道原參數(shù)進(jìn)行模擬,分析在現(xiàn)有支護(hù)情況下巷道圍巖變化情況;方案2在方案1基礎(chǔ)上將回采幫錨桿長(zhǎng)度增加200 mm,錨桿直徑變?yōu)?0 mm,同時(shí)回采幫采用高強(qiáng)錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬;方案3是在方案1參數(shù)基礎(chǔ)上,將頂錨桿長(zhǎng)度增加200 mm,錨桿排距變?yōu)?.2 m,錨索排距變?yōu)?.6 m進(jìn)行模擬。各模擬方案支護(hù)參數(shù)如表1所示。

        表1 工作面巷道支護(hù)方案

        3.2 數(shù)值結(jié)果分析

        不同支護(hù)方案巷道圍巖位移變化情況如圖2所示。

        圖2 不同支護(hù)方案巷道圍巖位移變化情況

        可以看出,方案1中頂板位移最高達(dá)64 mm,煤柱幫位移最高達(dá)54 mm,回采幫最高達(dá)31 mm;方案2中頂板位移最高達(dá)55 mm,煤柱幫位移最高達(dá)35 mm,回采幫最高達(dá)25 mm;方案3中頂板位移最高達(dá)85 mm,煤柱幫位移最高達(dá)57 mm,回采幫最高達(dá)26 mm.方案2中巷道頂板及兩幫位移量最小,支護(hù)效果最好。

        不同支護(hù)方案巷道圍巖應(yīng)力變化情況如圖3所示。可以看出,方案1中巷道頂板、煤柱幫和回采幫垂直應(yīng)力分別為8.3 MPa、17.2 MPa和9.6 MPa;方案2中巷道頂板、煤柱幫和回采幫垂直應(yīng)力分別為6.3 MPa、14.5 MPa和7.8 MPa;方案3中巷道頂板、煤柱幫和回采幫垂直應(yīng)力分別為9.2 MPa、17.3 MPa和10.7 MPa.同樣,方案2中巷道頂板及兩幫圍巖所受應(yīng)力最小,支護(hù)效果最好。

        圖3 不同支護(hù)方案巷道圍巖應(yīng)力變化情況

        綜合分析,方案2中的支護(hù)參數(shù)對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果最佳,同時(shí)該參數(shù)即為前述理論計(jì)算得到的支護(hù)參數(shù),進(jìn)一步驗(yàn)證了前述理論計(jì)算得到的巷道支護(hù)參數(shù)的可靠性,針對(duì)45203回風(fēng)巷道研究采用方案2中的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

        4 含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法

        通過(guò)前述研究,確定45203回風(fēng)巷道采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方法,由于煤柱幫所受應(yīng)力較大,對(duì)煤柱幫需加強(qiáng)支護(hù),將煤柱幫錨桿設(shè)置為高強(qiáng)度錨桿,并增大托盤(pán)直徑,在回采幫相應(yīng)增大托盤(pán)直徑和錨網(wǎng)厚度,并配合鋼帶使用,以保證巷道兩幫的穩(wěn)定。其中頂部螺紋鋼錨桿參數(shù)為D20 mm×2 000 mm,間排距為950 mm×1 200 mm,頂錨索參數(shù)為D17.8 mm×6 000 mm,間排距為2 000 mm×3 600 mm;回采幫玻璃鋼錨桿參數(shù)為D20 mm×2 200 mm,間排距為600/900 mm×1 200 mm;煤柱幫高強(qiáng)錨桿參數(shù)為D18 mm×2 000 mm,間排距為600/900 mm×1 200 mm,巷幫軟弱夾層位于幫側(cè)下端兩錨桿中心部位,以保證有效的支護(hù)效果。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。

        圖4 巷道支護(hù)斷面圖

        5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果分析

        研究提出的含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法在45203回風(fēng)巷道進(jìn)行了工程實(shí)踐,并采用收斂?jī)x對(duì)支護(hù)段巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

        圖5 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

        可以看出,隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加,巷道頂板及兩幫變形表現(xiàn)為類(lèi)“S”形增長(zhǎng),監(jiān)測(cè)40 d后,巷道變形趨于穩(wěn)定,此時(shí)頂板最大沉降量為164 mm,煤柱幫最大位移量為153 mm,回采幫最大位移量分別為142 mm.與45203回風(fēng)巷道未實(shí)施支護(hù)改進(jìn)措施相比,研究提出的含軟弱夾層煤巷支護(hù)方法,巷道頂板下沉量、煤柱幫位移量及回采幫位移量分別降低57.5%、57.7%與55.9%,巷道圍巖變形得到了有效控制。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        1) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)用巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定巷道頂板及回采幫錨桿直徑由原18 mm變?yōu)?0 mm,錨索直徑取17.8 mm,錨桿排距取1.2 m,錨索排距取3.6 m,煤柱幫及回采幫錨桿長(zhǎng)度分別為2.0 m和2.2 m.

        2) 通過(guò)數(shù)值模擬分析不同支護(hù)方案,方案2中的支護(hù)參數(shù)對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果最佳,同時(shí)該參數(shù)為優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù),進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算得到的巷道支護(hù)參數(shù)的可靠性。

        3) 針對(duì)含軟弱夾層煤巷,在支護(hù)參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上,研究提出了“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,巷道頂板下沉量、煤柱幫位移量及回采幫位移量分別降低57.5%、57.7%與55.9%,保證了含夾矸煤巷的穩(wěn)定性。

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