劉天富

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100)

1 工程概況

店坪煤礦隸屬霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司，位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)店坪村。目前的主采煤層為9號煤層，厚度為2.6～3.2 m，平均厚度2.9 m.煤層傾角1～5°，屬于近水平煤層。9號煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 9號煤層頂?shù)装鍘r性

隨著開采強(qiáng)度的不斷增大，店坪煤礦采掘接替緊張的問題日益突出，嚴(yán)重制約了店坪煤礦的安全、高效、可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過多方面調(diào)研，店坪煤礦最終決定引入了EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)過程中掘進(jìn)和支護(hù)的平行作業(yè)，大幅提升巷道的掘進(jìn)效率，有效緩解礦井采掘接替緊張的問題[1-2]。但是，由于EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)所掘進(jìn)巷道斷面尺寸較大，如巷道支護(hù)設(shè)計不合理，極易造成巷道圍巖失穩(wěn)，引發(fā)安全事故[3]。因此，需要對快速掘進(jìn)工藝條件下的巷道支護(hù)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計。

2 巷道支護(hù)方案設(shè)計

2.1 支護(hù)方案設(shè)計

1) 頂錨桿長度。根據(jù)加固拱[4-5]原理，頂錨桿長度由公式(1)計算：

L頂=N(1 100+W/10)

(1)

式中：L頂為頂錨桿長度，mm；N為圍巖影響系數(shù)，取1.1；W為巷道跨度，取5 200 mm.

計算可得：L頂=1 782 mm.綜合考慮店坪煤礦以往的現(xiàn)場支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，頂錨桿選擇長度為2 000 mm的左旋螺紋高強(qiáng)錨桿。

2) 頂錨桿間、排距。錨桿間排距由公式(2)計算：

(2)

式中：a頂為錨桿間、排距，m；G為錨桿設(shè)計錨固力，取105 kN；k為松散系數(shù)，取2；L2為垮落拱高度；γ為巖體容重，取25.5 kN/m3.垮落拱高度L2=B/2f，B為巷道掘進(jìn)寬度，取5.2 m；f為頂板巖石普氏系數(shù)，取6.

計算可得：a頂<2.18 m.結(jié)合以往店坪煤礦9號煤層回采巷道現(xiàn)場支護(hù)效果，確定頂錨桿采用“六六”布置，間排距為980 mm×1 000 mm.

3) 錨桿直徑。錨桿直徑由公式(3)計算：

(3)

式中：d為錨桿直徑，m；G為錨桿錨固力，取105 kN；σ為頂錨桿抗拉強(qiáng)度，取490 MPa.

計算可得：d頂=0.016 5 m.結(jié)合以往9號煤工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及工作面實(shí)際情況，頂錨桿及幫錨桿直徑取20 mm.

4) 幫錨桿長度。

巷道兩幫潛在松塌區(qū)寬度由公式(4)計算：

L1=htan(45-β)

(4)

式中：L1為松塌區(qū)寬度，mm；h為巷道掘進(jìn)高度，取3 200 mm；β為煤層內(nèi)摩擦角，取35°.

計算可得：L2=564 mm.

幫錨桿長度由公式(5)計算：

L幫=L1+L2+L3

(5)

式中：L幫為幫錨桿長度，mm；L2為幫錨桿伸出潛在松塌區(qū)的額定錨固長度，取400 mm；L3為幫錨桿外露長度，取50 mm.

計算可得：L幫=1 014 mm.

結(jié)合以上理論計算，根據(jù)理論分析及實(shí)際抽取樣品檢查情況，同時為了進(jìn)一步加強(qiáng)幫部支護(hù)管理，9-2052巷巷幫錨桿選擇長2 000 mm的左旋螺紋高強(qiáng)錨桿。

5) 幫錨桿間、排距。對錨桿支護(hù)巷道，考慮施工工藝，錨桿間排距相等：a幫=b幫≤0.5L幫.

式中：a幫為幫錨桿間距；b幫為幫錨桿排距。

計算可得：a幫=b幫≤1 000 mm.

根據(jù)以往9號煤采掘工作面的經(jīng)驗(yàn)，幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm.

6) 錨索長度。錨索長度由公式(6)計算：

L索=La+Lb+Lc+Ld

(6)

式中：L索為錨索總長度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取2.76 m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取2 m；Lc為上托盤及錨具的厚度，取0.07 m；Ld為需要外露的張拉長度，取0.25 m.

計算可得：L索=5.58 m.

為了進(jìn)一步加強(qiáng)9-2052巷頂板支護(hù)管理，結(jié)合以往9號煤工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及工作面實(shí)際情況，錨索長度取6.2 m.

7) 錨索排距。

L=nF2/[BHγ-(2Gd sin θ)/a]

(7)

式中：L為錨索排距，m；B為巷道最大垮落寬度，取38.4 m；H為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取2.5 m；a為錨桿排距，取1 m；F2為錨桿極限承載能力，取400 kN；n為錨索排數(shù)，取2.

計算可得L=4.16 m.為了進(jìn)一步加強(qiáng)9-2052巷頂板支護(hù)管理，結(jié)合以往9號煤工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及工作面實(shí)際情況，錨索排距取3 m.

根據(jù)以上理論數(shù)據(jù)計算，確定9-2052巷支護(hù)如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)方案(mm)

頂錨桿采用D20 mm×2 000 mm左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距980 mm×1 000 mm；頂部錨索采用D18.9 mm×6 200 mm鋼絞線，距巷幫1 700 mm，間排距為1 800 mm×3 000 mm.巷幫錨桿采用D20 mm×2 000 mm左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距1 150 mm×1 000 mm.

2.2 數(shù)值模擬

為分析前述支護(hù)方案是否合理，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件對支護(hù)效果進(jìn)行分析。店坪煤礦9號煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 9號煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

以店坪煤礦9-2052巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)值模型。數(shù)值模型尺寸為高×寬×長=130 m×150 m×210 m，在模型表面施加15.2 MPa的垂直應(yīng)力，其余各表面均施加約束，側(cè)壓系數(shù)設(shè)置為1.根據(jù)現(xiàn)場以往的工程經(jīng)驗(yàn)，工作面前方10 m位置，巷道破壞最為嚴(yán)重，因此在超前工作面10 m位置設(shè)置測線，用于監(jiān)測工作面回采過程中巷道圍巖應(yīng)力及位移變化情況，模擬效果如圖2所示。

如圖2所示，在前述巷道支護(hù)方案條件下，巷道呈現(xiàn)出水平位移大于垂直位移，垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力的特點(diǎn)。在超前工作面10 m位置，巷道水平位移為273.6 mm，垂直位移為290.1 mm，垂直應(yīng)力集中系數(shù)為2.2，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，塑性區(qū)范圍也在允許范圍內(nèi)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道圍巖整體變形量不大，在可控范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力集中系數(shù)也處于合理范圍內(nèi)，巷道支護(hù)方案合理可行。

圖2 巷道支護(hù)效果分析

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在店坪煤礦9-2052巷對前述支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。為了解巷道掘進(jìn)過程中圍巖變形規(guī)律及錨桿(索)工作狀態(tài)，在滯后掘進(jìn)工作面15 m位置布置綜合監(jiān)測站監(jiān)測巷道圍巖變形量及錨桿(索)工作阻力。為了解巷道掘進(jìn)過程中深部圍巖變形情況，在滯后掘進(jìn)工作面10 m位置布置巷道圍巖深部位移監(jiān)測站，在巷道兩幫測站位置各布置6個圍巖位移監(jiān)測點(diǎn)，位移監(jiān)測點(diǎn)深度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m.現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖3(a)所示，在巷道掘進(jìn)過程中，隨著掘進(jìn)工作面不斷推進(jìn)，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢，在滯后掘進(jìn)工作面約80 m后，巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)時，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?22 mm，兩幫移近量最大值為190 mm.如圖3(b)所示，錨桿(索)工作阻力變化趨勢與巷道圍巖變形量變化趨勢基本相近，隨著掘進(jìn)工作面不斷推進(jìn)，錨桿(索)工作阻力也呈現(xiàn)先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在滯后掘進(jìn)工作面80 m后，錨桿(索)工作阻力基本不再發(fā)生變化。最終，錨桿工作阻力最大值為186 kN，錨索工作阻力最大值為346 kN.如圖3(c)、(d)所示，巷道淺部圍巖的變形速率及變形量均大于巷道深部圍巖，巷道兩幫1 m處的淺部圍巖變形量最大值分別為22 mm和18 mm.當(dāng)深度超過2 m后，各測點(diǎn)間的相對變形量較小，且隨著深度的增大，相對變形量隨之減小，表明巷道兩幫塑性區(qū)范圍在2 m以內(nèi)，且巷道兩幫圍巖深處無離層現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，巷道圍巖整體變形量不大，在可控范圍內(nèi)，頂板及兩幫未出現(xiàn)明顯離層現(xiàn)象，錨桿(索)工作狀態(tài)良好，起到了主動支護(hù)作用，表明前述支護(hù)方案合理可行，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。