于二強(qiáng)
(西山煤電股份有限公司西銘礦, 山西 太原 030052)
隨著煤炭資源開采的逐年增加,首先需要開掘大量的巷道來維持工作面的正常生產(chǎn)需求[1]。巷道是工作面開采的首要任務(wù),因此需對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究,選擇合理的巷道支護(hù)方式對(duì)工作面的安全高效開采具有重要的意義[2]。因此,需對(duì)巷道掘進(jìn)及工作面開采時(shí)巷內(nèi)支護(hù)方式進(jìn)行研究。張科[3]針對(duì)郭莊煤礦大斷面全煤巷道,分析了巷道圍巖破壞特征,優(yōu)化了錨桿及錨索間距;王文才[4]采用FLAC3D及正交試驗(yàn)法優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù),取得了良好的效果?,F(xiàn)針對(duì)西銘煤礦49709工作面兩巷進(jìn)行支護(hù)技術(shù)研究。
49709工作面井下位于北七采區(qū)左翼,北鄰隨老母斷層,南鄰北七左翼回風(fēng)巷,西鄰古交千峰精煤有限公司,東為48707采空區(qū)。該面上覆2號(hào)煤、8號(hào)煤已回采,9號(hào)煤與2號(hào)煤層間距95 m左右;9號(hào)煤與8號(hào)煤層間距1.50~3.30 m,平均2.31 m;3號(hào)煤不可采。該工作面所掘9號(hào)煤層裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層局部夾0.5 m的頁巖或炭質(zhì)頁巖,煤層傾角2°~15°,平均4°左右,煤層厚度2.70~3.90 m,平均3.40 m,厚度變化不大,為穩(wěn)定的中厚煤層。工作面頂?shù)装鍘r層巖性如表1所示。
軌道巷為回采期間進(jìn)風(fēng)和輔助運(yùn)輸巷道,皮帶巷為回采期間運(yùn)煤和回風(fēng)的巷道,結(jié)合西銘礦工作面回采經(jīng)驗(yàn),選用正梯形斷面,巷道上凈寬3.1 m,下凈寬4.2 m,高度3.2 m。
根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第九十一條的規(guī)定,巷道從道渣面起1.6 m的高度,運(yùn)輸巷一側(cè)必須留有寬1.0 m以上的人行道,另一側(cè)必須留有0.5 m的安全間隙,所以:
表1 工作面頂?shù)装鍘r性
式中:B為軌道巷的寬度;BY為運(yùn)輸中移變的寬度最大,取1.5 m;BX為人行道寬度,取1.0 m;C為安全間隙,取0.5 m。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得B=3.0 m。
以通過最高設(shè)備運(yùn)輸液壓支架為依據(jù)計(jì)算巷道高度:
式中:H為巷道的凈高度;h設(shè)為液壓支架的高度,取2.3 m;a為軌道、軌枕的高度,取0.3 m;S為安全間隙,取0.2 m;b為巷道預(yù)計(jì)變形量,取0.2 m。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得H=3.0 m。
風(fēng)速驗(yàn)算按下式進(jìn)行:
式中:Q軌為軌道巷設(shè)計(jì)配風(fēng)量,取850 m3/min;V軌為軌道巷風(fēng)速根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中采煤工作面及掘進(jìn)煤巷允許風(fēng)速為0.25~4 m/s;S掘?yàn)檐壍老飻嗝婷娣e,取11.68m2。代入數(shù)值計(jì)算得V軌=1.21m/s<4 m/s。由于 0.25 m/s<1.21 m/s<4 m/s,故巷道斷面設(shè)計(jì)合理。
3.1.1 支護(hù)參數(shù)
采用鐵棚支護(hù),棚梁長(zhǎng)3.4 m,棚腿長(zhǎng)3.4 m,均使用11號(hào)礦用工字鋼,棚距0.8 m,構(gòu)頂×攀幫×撐木 =(6×6×4)根。
3.1.2 支護(hù)參數(shù)的驗(yàn)算
1)工作面皮帶巷、軌道巷采用架棚支護(hù),棚梁、棚腿均采用礦用11號(hào)工字鋼,梁長(zhǎng)為3.4 m,腿長(zhǎng)為3.4 m,棚距為0.8 m。
頂梁按簡(jiǎn)支壓彎構(gòu)件計(jì)算:
式中:Mmax,b為頂板載荷作用在棚梁上的最大彎矩,kN·m;γ為巷道頂板巖石容重,取24.5 kN/m3;h1為巷道冒落高度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.7m;L為棚距,取0.8m;l1為棚梁長(zhǎng)度,取3.4 m;l2為棚腿長(zhǎng)度,取3.4 m;Wb為工字鋼抗彎截面模量,取0.000 113 4 m3;N1為棚腿給予棚梁的軸向彎矩;Fb為工字鋼橫截面積,取0.002 32 m2;α為棚腿叉角,取80°;q2為棚腿所受的側(cè)壓均勻集;取7 kN/m;φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),取0.237;σ0,b為11號(hào)工字鋼材料極限抗壓強(qiáng)度,取510 MPa。代入公式可得446 MPa<510 MPa。所以棚距0.8 m,棚梁強(qiáng)度滿足要求。
2)棚腿按簡(jiǎn)支壓彎構(gòu)件計(jì)算:
式中:Mmax,c為巷幫載荷作用在棚梁上的最大彎矩,kN.m;σ0,b為11號(hào)工字鋼材料極限抗壓強(qiáng)度,取510 MPa;Wb為工字鋼抗彎截面模量,取0.000 113 4 m3;Fb為工字鋼橫截面積,取0.002 32 m2;φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),取0.237;N2為棚梁給予棚腿的軸向力,取 11.7 kN/m3。計(jì)算得到Mmax,c=111 MPa<510 MPa,所以棚距0.8 m,棚腿強(qiáng)度滿足要求。
3.2.1 支護(hù)參數(shù)
頂板采用錨桿支護(hù),選用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿(Φ20 mm×1 800mm),花形布置,錨桿間排距1 800 mm×1 500 mm,每根頂錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷,戴成品托片一個(gè)。
兩幫采用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿(Φ20 mm×1 800 mm)+菱形金屬網(wǎng)支護(hù),錨桿間排距1 500 mm×1 200 mm,矩形布置,每根幫錨桿裝MSCKb2360型藥卷1卷和MSK2380型藥卷1卷,配成品井字托片和小片各一個(gè),最上排錨桿距頂板300 mm。
3.2.2 參數(shù)驗(yàn)算的支護(hù)
1)頂錨桿長(zhǎng)度的確定:
式中:L為頂錨桿的長(zhǎng)度;K為安全系數(shù),取2;H為軟弱巖層厚度,取0.5 m;I為錨桿錨入堅(jiān)固穩(wěn)定巖層的深度,取0.5 m;T2為錨桿外露長(zhǎng)度,取0.1 m。代入數(shù)值計(jì)算得L=1.6 m。根據(jù)計(jì)算及西銘礦8號(hào)煤錨桿使用的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),確定頂錨桿長(zhǎng)度為1.8 m。
2)頂錨桿的直徑確定:
式中:d為頂錨桿的直徑;Q為錨桿的錨固力,取105 kN;δ為桿體抗拉強(qiáng)度,西銘礦現(xiàn)用20 mm螺紋鋼,取490 MPa。代入數(shù)值計(jì)算得d=16.44 mm。根據(jù)計(jì)算及巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn),確定頂錨桿直徑為20 mm。
3)頂錨桿間、排距的確定(8號(hào)煤層的直接頂為石灰?guī)r,其普氏堅(jiān)固性系數(shù)f=9):
式中:a為錨桿的間距;Q為錨桿的錨固力,取105 kN;γ為巖體的容重,取24.5 t/m3;K為安全系數(shù),取1.8;L2為軟弱巖層厚度,取0.5 m。代入數(shù)值計(jì)算得a=2.0 m。通過以上計(jì)算及西銘礦錨桿使用的經(jīng)驗(yàn),皮帶巷外返段頂錨桿的間、排距確定為1.8m×1.5m,花形布置,能滿足支護(hù)的要求。
4)幫錨桿長(zhǎng)度的確定:
式中:a1為片幫最大深度;h為掘進(jìn)巷道錨桿支設(shè)高度,取3.6 m;δc為兩幫似內(nèi)磨擦角,取65°。代入數(shù)值計(jì)算得a1=1.67 m。根據(jù)計(jì)算及相鄰采區(qū)巷道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn),幫錨桿長(zhǎng)度確定為1.8 m。
5)幫錨桿間、排距的確定(根據(jù)兩幫側(cè)壓力計(jì)算確定):
式中:qc為兩幫側(cè)壓力;rc為8號(hào)煤的容重,取1.38 t/m3;h為掘進(jìn)巷道高度,取3.6 m;h0為錨桿錨入煤巷深度,取1.7 m;δc為兩幫似內(nèi)磨擦角,取65°。代入數(shù)值計(jì)算得qc=0.85 t/m<實(shí)際支護(hù)能力5.5 t/m。通過以上計(jì)算及西銘礦錨桿使用的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),幫錨桿的間排距確定為1.5 m×1.2 m,三排矩型布置,幫錨桿的設(shè)計(jì)錨固力為105 kN/根約10 t/根,實(shí)際支護(hù)密度為0.55根/m,實(shí)際支護(hù)能力為5.5 t/m,能滿足支護(hù)的要求。
為研究以上方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量,西銘礦49709工作面兩巷采用如上支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行支護(hù)工作,在工作面回采期間,兩幫移近量穩(wěn)定在134 mm,頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在102 mm,完全可以保證巷道的安全穩(wěn)定,保障工作面的正?;夭尚枨?。
1)結(jié)合西銘礦工作面回采經(jīng)驗(yàn),選用正梯形斷面,巷道上凈寬3.1 m,下凈寬4.2 m,高度3.2 m。
2)軌道巷、皮帶巷常規(guī)段采用鐵棚支護(hù),棚梁長(zhǎng)3.4 m,棚腿長(zhǎng)3.4 m,均使用11號(hào)礦用工字鋼,棚距0.8 m,構(gòu)頂×攀幫×撐木為(6×6×4)根。
3)皮帶巷外返段選用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,花形布置,錨桿間排距1 800 mm×1 500 mm,兩幫采用MSGLW-335/20×1800型左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,錨桿間排距1 500 mm×1 200 mm,矩形布置。