张 杰
(晋能集团太原有限公司,山西 太原 030000)
巷道支护是一项复杂的系统工程,在煤矿开采技术中占有较大比重,是井下安全生产的重要内容,而大断面煤巷支护是巷道支护中较为困难的一种类型。由于巷道断面积较大,巷道受围岩应力影响相较小断面巷道更为严重,支护难度更高。
三元煤业15号煤采用大断面巷道布置,为做好巷道支护,根据矿井实际地质条件,运用多种理论计算方式,计算出开拓巷道、回采巷道合理的理论支护参数,为后续支护提供建设性意见。
山西三元福达煤业股份有限公司是晋能集团所属的煤炭生产企业,15号煤层巷道断面达18m2以上,属于大断面巷道支护,主要分为开拓巷道和回采巷道两类。开拓巷道由于巷道服务范围大,服务年限长,拟采用锚+网+喷支护方案。回采巷道由于仅服务于相应工作面,服务年限较短,拟采用锚杆加网支护方案。所有巷道均沿顶板掘进布置,保持巷道顶板完整性。
15号煤层开拓巷道和回采巷道断面尺寸见表1。
表1 两类巷道断面尺寸表
(1)锚杆长度
式中:
W—巷道宽带,开拓巷道4.5m,回采巷道4.2m;
N—围岩影响系数(15号煤层围岩为Ⅱ类稳定围岩,取1.0)。
(2)锚杆间距
式中:
M-锚杆的间距,m。
(3)锚杆直径
式中:
d-锚杆直径,m。
利用上式计算锚杆支护参数,计算得出开拓巷道锚杆长度为1.95m,直径17.73mm,间距≤1.0m;回采巷道锚杆总长度为1.90m,直径17.27mm,间距≤1.0m。
利用工程类比法,对比工程实践经验,选择最为合理的设计方案。该矿15号煤顶部为平均厚度7.60m的石灰岩,属Ⅰ类稳定顶板,无需进行顶部支护,主要对两帮进行支护,支护参数见表2。
表2 巷道支护工程类比结果表
(1)设计理论依据
① 巷道理论半径的确定
计算巷道理论半径 公式为:
式中:
S-巷道断面积,开拓巷道为18.0m2,回采巷道为18.5 m2;
kx-巷道断面积修正系数,取值1.2。
根据以上公式,得出开拓巷道当量半径为2.87m,理论半径为3.04m;回采巷道当量半径为2.91m,理论半径为3.12m。
② 极限平衡区深入巷道围岩深度的确定
极限平衡区半径R计算公式为:
式中:
γ—上覆岩层体积质量,取值为2.71g/cm3;
H-巷道埋深,m;
Pi-支护阻力,MPa;
K1-采动影响系数,一般为1~3;
K2-岩体力学参数修正系数,一般为1~2.5。
巷道周边位移计算公式为:
式中:
a-巷道理论半径,m;
u-巷道周边位移,m;
E-弹性模量,取26.4GPa;
φ-煤岩内摩擦角,取40°。
极限平衡区深入围岩的深度计算公式为:
对于15号煤层的开拓巷道和回采巷道,其物理力学参数以15号煤层及其顶底板为主,按平均埋深200m考虑,忽略支护阻力对极限平衡的影响。由此所得巷道极限平衡区各项参数计算结果见表3所示。
表3 极限平衡区各项参数计算结果表
(2)巷道围岩锚杆支护参数设计
① 锚杆的长度
式中:
L1-锚杆锚固长度,m;
L2-锚杆外露长度,取0.1m。
实际选用的锚固长度 应为两者中的较大者,并考虑到一定的搅拌不均匀系数,可以得到下式:
式中:
Kj-搅拌不均匀系数,1.2~1.5,此处取值Kj=1.5;
L'1-发生在锚杆表面处锚固长度,mm,计算公式为:
式中:
dj-锚杆直径,mm;τj-粘结剂同锚杆的粘结强度,一般取8MPa;
L''1—发生在钻孔岩壁处的锚固段长度,mm,计算公式为:
式中:
dy-钻孔直径,mm;
τy-粘结剂同钻孔间的粘结强度,一般取5MPa。
② 锚杆直径D与间排距
支护最大载荷密度qd为:
式中:
h-巷道的半高,m。
锚杆直径与锚杆支护范围的面积S(S=H×I间距×排距)及所承受载荷有密切关系,关系式如下:
式中:
D-锚杆直径,mm;
[σ]-杆体承载强度,MPa。
锚杆直径与间排距的关系如下:
计算得锚杆参数为:开拓巷道锚杆长度1.8m,直径16mm,间排距1.0×1.0m,锚固长度不小于0.81m;回采巷道锚杆长度2.0m,直径18mm,间排距0.8×0.8m,锚固长度不小于0.93m。
该矿15号煤顶板为平均厚度为7.6m的石灰岩,岩石抗压强度为110MPa,针对其顶板特性,设计15号煤层开拓巷道和回采巷道顶板皆不进行支护,为避免顶板岩石受风化或采动影响发生脱落现象,设计铺设锚网。利用锚杆对锚网进行固定,顶锚杆采用直径16~18mm、长度为1.8m的锚杆,间排距为1.6m×0.8m。
巷帮由于其赋存较为破碎,经过以上多种理论计算方法,并根据计算结果进行分析确定,锚杆长度取值在2.0~2.4m,直径取值在16~20mm,锚杆间排距采用0.8×0.8m和1.0×1.0m两种规格,确定锚固长度不低于0.63m,取一定安全系数,最终取值为0.8m。
根据以上理论参数,结合同类矿井工程经验类比,初步确定的两帮支护参数见表4。
表4 巷道两帮锚杆支护选取表
部分巷道支护示意图如下图1所示。
图1 运输顺槽支护图
该矿井15号煤层开拓及回采巷道在实际施工中,采用本次支护设计参数进行巷道支护,进行后期监测发现:
(1)开拓巷道顶板下沉量为45mm,两帮移近量为64mm,整体巷道变形量很小,变形速率较为平缓。
(2)回采巷道由于回采的原因,巷道变形较大。经监测,巷道变形最大处位于工作面到工作面前方25m范围内,且这一区域变形较为剧烈,变形速率较快。顶板最大下沉量为164mm,两帮最大移近量为208mm,整体巷道变形在可控范围内,支护效果明显,可以满足巷道服务要求。