馮耀東

（西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030053）

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井開采的深度和強(qiáng)度不斷增加，趨向于開采地質(zhì)條件較為復(fù)雜的煤層，受到深部高地應(yīng)力的影響，許多巷道圍巖發(fā)生軟化現(xiàn)象[1]，巷道圍巖破碎，變形較為嚴(yán)重，原有的支護(hù)方式難以保證巷道破碎圍巖的穩(wěn)定[2]，因此針對(duì)破碎圍巖回采巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要的意義。

目前，許多研究學(xué)者對(duì)破碎圍巖巷道支護(hù)優(yōu)化技術(shù)做了大量的研究。辛亞軍[3]分析了高應(yīng)力泥巖沿頂板巷道的力學(xué)變形機(jī)制及破壞特征，采用了高強(qiáng)應(yīng)力錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式；王勝[4]針對(duì)松軟破碎圍巖巷道，采用 “錨網(wǎng)帶+錨索梁+噴漿+中心點(diǎn)柱”耦合支護(hù)方式；唐志新[5]針對(duì)三軟煤層巷道支護(hù)失效機(jī)制和圍巖破壞模式對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)鎮(zhèn)城底礦8#煤層工作面巷道圍巖破碎、支護(hù)困難等問題，需針對(duì)其工作面具體條件對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 工程概況

鎮(zhèn)城底煤礦位于西山煤田的西北邊緣，地處古交市西北鎮(zhèn)城底鎮(zhèn)，生產(chǎn)能力為1.9 Mt/a，為低瓦斯礦井，3#、8#煤層為主要可采煤層?，F(xiàn)開采8#煤層，平均埋深為162 m。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，8#煤層頂板為石灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、中砂巖等，底板為炭質(zhì)泥巖、中砂巖等，煤層厚度3.98～4.25 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角平均7°，工作面采用綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

回采工作面順槽掘進(jìn)1～2個(gè)月后，有部分巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的頂板離層現(xiàn)象，頂板破碎嚴(yán)重，必須進(jìn)行二次維修，增加了人工、材料等成本的投入。為解決這一問題，現(xiàn)對(duì)出現(xiàn)問題較為嚴(yán)重的28106-1皮帶順槽進(jìn)行了詳細(xì)、科學(xué)的地質(zhì)力學(xué)分析，對(duì)28106-1皮帶順槽的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 巷道原支護(hù)方式分析

28106-1皮帶順槽斷面設(shè)計(jì)為寬4.5 m、高3 m，采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿為Φ20 mm×2200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨索為Φ17 mm×5500 mm錨索。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，取頂板巖層巖芯進(jìn)行頂板巖性力學(xué)分析：

（1）頂板0～1.8 m為石灰?guī)r，巖層呈灰色，巖石特別堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，但裂隙較發(fā)育，該段完整性差，巖層平均強(qiáng)度為113.71 MPa。

（2）頂板1.8～2.2 m為黑色炭質(zhì)泥巖，質(zhì)軟，含黃鐵礦，該段節(jié)理發(fā)育，較為松散，巖層平均強(qiáng)度為26.58 MPa。

（3） 頂板2.2～5.15 m為中砂巖，巖層呈灰白色，該段孔壁完整，巖層平均強(qiáng)度為47.69 MPa。

可以看出8#煤直接頂為石灰?guī)r，巖層強(qiáng)度高，平均強(qiáng)度高達(dá)113 MPa，頂板雖然強(qiáng)度高穩(wěn)定性好，但需防止軟弱夾層的存在對(duì)于頂板穩(wěn)定性的影響。在進(jìn)行頂板巖層力學(xué)分析研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度大于砂質(zhì)泥巖大于炭質(zhì)泥巖大于煤層。巷道支護(hù)使用的Φ20 mm×2200 mm的左旋螺紋鋼錨桿主要錨固在石灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖中，分析認(rèn)為，在原巖應(yīng)力重新分布的情況下，炭質(zhì)泥巖、煤等較軟巖層將會(huì)出現(xiàn)破碎，如錨桿錨固到這些較軟巖層中后，錨桿失效幾率將會(huì)大大增加。

在現(xiàn)場研究中發(fā)現(xiàn)，由于8#煤層頂板巖層在南一下組采區(qū)上山方向會(huì)出現(xiàn)巖層變厚的現(xiàn)象，原本應(yīng)在錨固在砂質(zhì)泥巖中的錨桿錨固到了炭質(zhì)泥巖中，由于炭質(zhì)泥巖在應(yīng)力重新分配過程中已經(jīng)破碎，錨桿在這種情況下出現(xiàn)了失效，頂板出現(xiàn)離層。

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

28106-1工作面位于鎮(zhèn)城底礦南一下組采區(qū)，具有典型的8#煤頂板特征，故決定在28106-1皮帶順槽進(jìn)行8#煤回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的試點(diǎn)。28106-1皮帶順槽設(shè)計(jì)寬4.0 m，高3.0 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。8#煤回采巷道支護(hù)見圖1。具體支護(hù)參數(shù)如下：

頂錨桿采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿。將錨桿錨固段直接錨固在頂板較為穩(wěn)定、堅(jiān)硬的中砂巖中。錨桿間排距為1200 mm×1200 mm，頂錨桿托盤采用280 mm×280 mm鋼護(hù)板進(jìn)行壓網(wǎng)。

幫錨桿采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1000 mm×1200 mm。

錨索采用Φ17.8 mm×6500 mm鋼絞線，居中布置一根，排距2400 mm。

全斷面掛鐵絲網(wǎng)，兩幫采用梯子梁壓網(wǎng)。

圖1 8#煤回采巷道支護(hù)平、剖面

3.2 支護(hù)參數(shù)驗(yàn)算

（1）錨桿長度Lbr

式中：c為錨桿外露長度與錨固段長度之和，取1.4 m；b為頂板破壞高度，根據(jù)頂板條件計(jì)算取0.8 m。

最終確定錨桿選用長度為2.5 m可以滿足頂板破壞要求。

（2）錨桿桿體直徑d

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定。

式中：Q為錨固力，由拉拔試驗(yàn)確定87 kN；d為錨桿桿體直徑，mm；σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，340 MPa。

將數(shù)據(jù)代入上式得：d=17.968 mm。因此，錨桿直徑選取20 mm。

（3）錨桿排距Dr

經(jīng)計(jì)算：所選用的Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿符合頂板支護(hù)要求。

（4）錨索長度L

式中: L為錨索總長度，m；L1為需要錨固的不穩(wěn)定巖層厚度，4 m；L2為需要外露的張拉長度，0.3 m；L3為錨索錨固到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，2 m。

選用6.5 m長錨索，可以滿足要求。

（5）錨索間排距a

式中：a為錨索間排距；k為安全系數(shù)，取1.5；N為危巖載荷，取132 kN/m；D為錨索的破斷力，取495 kN。

取2.4 m布置錨索。

經(jīng)計(jì)算：所選用的Φ17.8 mm×6500 mm錨索符合頂板支護(hù)要求。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 支護(hù)效果分析

28106-1 皮帶順槽按Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，Φ17.8 mm×6500 mm錨索支護(hù)方式施工巷道1200 m，巷道每100 m安設(shè)一組頂板離層儀。圖2為1#～5#頂板離層觀測儀觀測數(shù)據(jù)。分析觀測數(shù)據(jù)可知，頂板巖層離層量都比較小，巷道變形破壞得到了有效地控制，無需進(jìn)行大范圍的二次維修。

圖2 巷道頂板離層變形量

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

過此次對(duì)8#煤層頂板巖性、厚度進(jìn)行分析并對(duì)支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)算，最后確定采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1200 mm，支護(hù)材料成本（錨網(wǎng)索）從原來的754元/m降低到673元/m，每延米巷道節(jié)約成本81元，28106-1皮帶順槽1200 m共節(jié)約成本9.7萬元，同時(shí)大幅降低了巷道維修費(fèi)用。此次支護(hù)參數(shù)優(yōu)化有效的減小了工作量，提高了掘進(jìn)效率，為掘進(jìn)水平的提高和快速掘進(jìn)工藝的研究提供基礎(chǔ)，具有較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

通過此次巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，將大幅較低巷道支護(hù)成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高巷道掘進(jìn)功效，推動(dòng)整個(gè)礦井的生產(chǎn)銜接，實(shí)現(xiàn)了安全、低耗、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代化礦井要求，為今后類似條件下巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供有力的參考，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

針對(duì)鎮(zhèn)城底煤礦8#煤層工作面巷道圍巖破碎、支護(hù)困難等問題，分析了原有巷道支護(hù)方式錨固到了炭質(zhì)泥巖中，導(dǎo)致支護(hù)失效，進(jìn)而優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù)，選取為采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，Φ17.8 mm×6500 mm錨索，并進(jìn)行了驗(yàn)算。最后通過監(jiān)測巷道變形，巷道頂板離層量得到有效的控制，此次巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化不但降低了支護(hù)成本，而且實(shí)現(xiàn)了安全高效開采，具有廣泛的應(yīng)用前景。