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        小莊礦井大斷面回采巷道支護(hù)參數(shù)研究及防治措施

        2023-10-14 02:52:56吳章濤
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年23期
        關(guān)鍵詞:小莊錨索礦井

        吳章濤,劉 斌

        (1.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán) 小莊礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽;2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安)

        引言

        回采巷道作為礦井開采的運(yùn)輸樞紐起著至關(guān)重要的作用,在工作面回采過程中其穩(wěn)定性決定了作業(yè)人員的人生安全和礦井高效開采[1-2]。因此,對巷道支護(hù)參數(shù)的研究成為控制巷道整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵,同時(shí)需提供合理的防治措施。

        目前,對巷道支護(hù)的研究主要是結(jié)合各種力學(xué)和數(shù)值計(jì)算模型開展相關(guān)分析,得到適應(yīng)于研究礦井地質(zhì)條件的支護(hù)參數(shù),并通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證,將支護(hù)參數(shù)應(yīng)用到相似地質(zhì)條件或相鄰巷道[3-4]。馮一強(qiáng)依據(jù)現(xiàn)場支護(hù)巷道圍巖變形特征開展了大量的監(jiān)測工作,得到了巷道圍巖位移曲線和受力曲線的關(guān)系[5]。由此可見,對巷道支護(hù)參數(shù)的研究,在礦井開采過程中扮演著不可替代的作用,合理的支護(hù)參數(shù)利于工作面的安全高效回采。

        本文以小莊礦井40207 工作面膠運(yùn)順槽作為研究背景,采用現(xiàn)理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對松動(dòng)圈范圍、支護(hù)參數(shù)和防治措施展開研究,研究結(jié)果將進(jìn)一步服務(wù)于現(xiàn)場生產(chǎn)。

        1 工程背景

        40207 工作面位于小莊礦井4 煤層二盤區(qū)西翼中部,東部緊鄰中央2#回風(fēng)大巷,北部為尚未準(zhǔn)備的40209 工作面,西部緊鄰西平鐵路保護(hù)煤柱,南部為40205 綜放工作面采空區(qū)。工作面地表以溝壑地貌為主,研究區(qū)巖層相對平穩(wěn),地面標(biāo)高+1 017~+1 151 m,井下標(biāo)高+365~+417 m。工作面煤層平均厚度為22.4 m,巷道直接頂為3~5 m 的粉砂巖;基本頂為17~20 m 的細(xì)砂巖;直接底為0.8~1.3 m 的炭質(zhì)泥巖;基本底為8~11 m 的泥巖。巷道設(shè)計(jì)全長2 235 m,掘進(jìn)方位角為270°,采用綜合機(jī)械化放頂煤開采。

        2 巷道松動(dòng)圈及支護(hù)參數(shù)理論分析

        2.1 巷道松動(dòng)圈范圍分析

        為了得到合理巷道支護(hù)參數(shù),需對巷道松動(dòng)圈范圍展開計(jì)算分析。根據(jù)極限平衡拱理論圓形巷道松動(dòng)圈計(jì)算方法可得松動(dòng)圈范圍Ly為

        式中:2b 為矩形巷道高度,m。

        根據(jù)當(dāng)量半徑計(jì)算式,可得巷道當(dāng)量半徑為

        式中:S 為巷道凈斷面積,m2;kx為巷道斷面修正系數(shù),取1.2。

        由于本文研究背景為矩形巷道,故需對巷道為矩形時(shí)松動(dòng)圈范圍進(jìn)行分析。依據(jù)等效圓法可得巷道等效半徑ry為

        式中:2a 為矩形巷道寬度,m。

        根據(jù)小莊礦井地質(zhì)資料,巷道最大埋深為743 m,煤巖層平均容重為14 KN/m3,巷道圍巖內(nèi)聚力為6.62 MPa,巷道圍巖內(nèi)摩擦角為36.15°,未支護(hù)時(shí)巷道圍巖支護(hù)力取0,煤巖體力學(xué)修正系數(shù)取0.4,巷道掘進(jìn)寬度為6 m,巷道掘進(jìn)高度為3.8 m。將以上參數(shù)代入式(3)可得,Ly為0.56 m。

        巷道在采動(dòng)影響下,松動(dòng)圈范圍將有所增加。根據(jù)回采巷道圍巖變形規(guī)律,頂板松動(dòng)圈范圍增加量大于兩幫極限平衡區(qū)圍巖松動(dòng)圈范圍增加量。通過對小莊礦井以往松動(dòng)圈資料分析得到頂板與兩幫極限平衡區(qū)范圍安全系數(shù)分別取2.5 和2。因此,巷道頂板和兩幫最大松動(dòng)圈范圍分別為1.4 m 和1.12 m。

        2.2 巷道支護(hù)參數(shù)分析

        通過對巷道松動(dòng)圈范圍分析,已知巷道最大松動(dòng)圈范圍值。根據(jù)巷道松動(dòng)圈范圍需分別對巷道頂板及兩幫錨桿(索)參數(shù)開展理論計(jì)算,通過計(jì)算結(jié)果得到巷道支護(hù)參數(shù)。

        (1) 巷道錨桿長度計(jì)算

        根據(jù)巷道錨桿計(jì)算公式,故可得巷道頂板及兩幫錨桿長度Lg為

        式中:Ls1為錨索錨固長度,m;Ly為巷道松動(dòng)圈最大范圍,m;Ls3為錨索外露長度,取0.3 m。

        (3) 巷道錨桿直徑計(jì)算

        錨桿直徑?jīng)Q定了錨桿最大支護(hù)力,計(jì)算錨桿直徑時(shí),按照最大承載能力設(shè)定每根錨桿所維護(hù)的面積Sd。在Sd確定的情況下,需要支護(hù)加固的最大載荷密度q 的計(jì)算公式為

        (4) 巷道錨索直徑計(jì)算

        同理,在巷道支護(hù)時(shí)需確定錨索直徑,合理的直徑能夠有效提高巷道的穩(wěn)定性。錨索直徑Ds 計(jì)算式為

        式中:Q 為設(shè)計(jì)錨固力,本礦設(shè)計(jì)值為582 kN;σs為鋼絞線抗拉強(qiáng)度,1 860 MPa。

        (5) 錨桿間排距計(jì)算

        巷道支護(hù)過程中不僅需要確定錨桿的長度和密度,同時(shí)需得到合理的間排距。當(dāng)以上參數(shù)均為最優(yōu)解時(shí),巷道整體支護(hù)強(qiáng)度將達(dá)到最大。錨桿間排距dg計(jì)算式為

        式中:qg為巷道松動(dòng)圈載荷,MPa。

        (6) 錨索間排距計(jì)算

        在巷道支護(hù)過程中錨索主要作用是將巷道松動(dòng)圈巖體形成懸吊作用,科學(xué)合理的間排距能夠確保巷道松動(dòng)圈的穩(wěn)定性。錨索間排距可根據(jù)錨固數(shù)量間接獲得,其計(jì)算式為

        將相關(guān)參數(shù)分別代入式(6)~(11)可得小莊礦井40207 工作面掘進(jìn)膠運(yùn)順槽支護(hù)參數(shù)為:

        錨桿:頂板采用Φ22×2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,屈服強(qiáng)度≥500 MPa,間排距為700×800 mm,矩形布置。幫部采用Φ22×2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,屈服強(qiáng)度≥500 MPa,間排距為800×800 mm,矩形布置。

        錨索:頂部錨索采用Φ28.6×7 100 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,間排距為1 400×1 600 mm,每排4 根,具體支護(hù)參數(shù)如圖1 所示。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用分析及防治措施

        3.1 現(xiàn)場應(yīng)用分析

        將上述理論計(jì)算巷道支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于小莊礦井40207 工作面膠運(yùn)順槽,對膠運(yùn)順槽圍巖變形量監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,對巷道實(shí)施具有針對性的支護(hù)參數(shù)調(diào)整。通過現(xiàn)場監(jiān)測表明,40207 工作面膠運(yùn)順槽最大巷道變形量為141 mm,滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求,無需補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。由此表明,本次對巷道支護(hù)參數(shù)的研究能夠滿足工作面正?;夭?,對提高工作面回采效率具有一定幫助。

        3.2 巷道圍巖變形防治措施

        巷道支護(hù)參數(shù)的合理性,對圍巖變形量的控制起著至關(guān)重要的作用。同時(shí),限制巷道的變形量能夠一定程度上保證礦井的安全回采。因此,對巷道變形量的防治成為關(guān)鍵,礦井應(yīng)安排相關(guān)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測巷道錨固完整性、變形量和采取防治措施。首先,安排專業(yè)人員在巷道掘出后建立巷道尺寸初讀數(shù),并及時(shí)進(jìn)行支護(hù);其次,在工作面回采過程中,對超前區(qū)域圍巖變形量監(jiān)測,若出現(xiàn)變形量突增現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)進(jìn)行預(yù)防和采取補(bǔ)救措施;最后,對地質(zhì)條件薄弱區(qū)進(jìn)行針對性支護(hù),加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度,保證工作面安全回采。

        4 結(jié)論

        (1) 根據(jù)極限平衡拱理論得到,小莊礦井40207工作面膠運(yùn)順槽頂板和兩幫最大松動(dòng)圈范圍分別為1.4 m 和1.12 m。

        (2) 基于松動(dòng)圈范圍,采用理論計(jì)算得到,小莊礦井膠運(yùn)順槽支護(hù)參數(shù)為:頂板采用Φ22×2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,屈服強(qiáng)度≥500 MPa,間排距為700×800 mm,矩形布置。幫部采用Φ22×2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,屈服強(qiáng)度≥500 MPa,間排距為800×800 mm,矩形布置。錨索采用Φ28.6×7 100 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,間排距為1 400×1 600 mm,每排4 根。

        (3) 通過對40207 工作面膠運(yùn)順槽圍巖變形量監(jiān)測發(fā)現(xiàn),巷道最大變形量為141 mm。為了保證工作面安全回采,提出了膠運(yùn)順槽變形量的防治措施。

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