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(山西兰花集团 莒山煤矿有限公司,山西 晋城 048000)
随着锚杆支护理论的不断完善和锚杆支护材料的不断发展,锚杆支护已成为巷道永久支护的主要方式。山西兰花集团莒山煤矿二采区10号煤层工作面回采巷道目前仍采用工字钢棚支护,棚间距为0.8 m,缺乏理论依据,受9号煤层采空区及工作面动压的影响,工作面顺槽的变形量较大,严重制约10号煤层的安全高效生产。为解决10号煤层回采巷道的安全高效支护问题,以10207工作面回风顺槽为研究背景,对巷道支护方案与支护参数进行研究。
二采区10号煤层平均厚度1.7 m,距离上方9号煤层采空区的距离平均5.0 m,煤层顶板为泥岩和砂质泥岩,计划开掘的10号煤层工作面顺槽布置于9号煤层采空区下方。新掘的10207工作面回风顺槽沿煤层顶板布置,采用梯形断面,顶净宽3.6 m,底净宽4.6 m,净高2.5 m.
由于9、10号煤层的层间距近,受9号煤层采空区及煤柱的影响,10号煤层巷道掘进及工作面回采可能遇到围岩压力大、围岩破碎、巷道变形量大等问题。但考虑到10号煤层顶板完整性较好,可以考虑采用U型钢棚+锚杆的联合支护方式。
常用的矿用U型钢棚有18U、25U、29U,材质有16 Mn、20 MnK、20 MnVK等,其主要力学参数见表1.
表1 矿用U型钢棚力学性能表
针对实际生产地质条件,在参考该矿已有巷道支护方式、参数及支护效果的基础上,通过现场调研,依据巷道支护原理和支护设计原则,确定使用材质为20 MnK的矿用29U型钢棚进行支护。
使用U型钢棚支护其跨距为巷道顶板宽度,使用29U型钢,其屈服极限σs=355 MPa,抗拉强度σb=510 MPa,抗弯截面模量Wz=106.0 cm3.
U型钢顶梁受到的均布载荷为[1-2]:
(1)
式中:
q—U型钢所受巷道顶板的均部载荷,kN/m;
σmax—顶梁所受的最大应力,MPa,取σmax=σs;
Wz—抗弯截面模量,m3;
l—工字钢棚顶梁跨长,m,取3.6.
将各参数代入式(1),得:q=23.23 kN/m.
通过分析可知,一架跨长为3.6 m的矿用29U型钢顶梁达到屈服极限时,其所受均布载荷约为23.23 kN/m,整架的载荷为Qs=23.23 kN×3.6=83.6 kN.
发生抗拉破坏时,将σb=510 MPa代入式(1),得q=33.4 kN/m,整架棚的破坏载荷为Qb=120.2 kN.
根据资料说明,钢厂轧制的钢材强度通常高于标准规定,故其实际承载能力均高于计算数据,选用29U型钢可以满足支护要求。
巷道顶板压力按下式计算[3-4]:
(2)
式中:
Qd—单位长度内巷道顶板压力,kN/m;
γ—顶板岩石容重,kN/m3;
f—顶板岩石的坚固性系数;
a—巷道半跨度,m.
10207工作面顺槽掘进上部顶板宽度为3.6 m,考虑多重采动影响,上覆顶板岩层的普氏系数f取1,顶板岩石平均容重γ取16.5 kN/m3,将各参数代入式(2)中,得巷道顶板压力为88 kN/m.
由上述计算结果可知,采用跨长3.6 m的U型钢支护,最小工字钢使用载荷为83.6 kN/m.此时,当棚距为1.0 m时,安全系数为n=83.6/(88.0×1.0)=0.95,显然不满足支护强度。当棚距为0.8 m时,安全系数为n=83.6/(88.0×0.8)=1.18,满足支护强度要求。
为确保工作面开采过程中巷道围岩的稳定,需要进行进一步锚杆支护。结合以上分析,10号煤层工作面顺槽支护的重点是对巷道顶板的支护,根据钻孔窥视结果,顶板完整性较好,满足锚杆支护的条件,初步计划采用锚杆支护。因此,针对10号煤层的赋存条件,采用相关的理论计算方法对顶板及两帮的锚杆参数进行计算。
顶板岩层的破坏深度b按相对于层理的法线计[5],可根据下式求出:
(3)
式中:
a—底部巷道的半跨距,m,取2.3;
α—煤层倾角,(°),取5;
C—两帮破坏深度,m,根据实测数据,取0.35;
ky—待锚固岩层的稳定性系数,取1.3;
fn—锚杆加固后锚固岩层的硬度系数,考虑一定的弱化系数,取1.8.
计算可得,回风顺槽的顶板破坏深度为1.13 m.
顶锚杆长度按下式所示:
Lr=b+Δ
(4)
式中:
Δ—锚杆支护超出围岩破坏范围的长度和外露长度之和,m,取0.6.
计算可得,运输顺槽和回风顺槽的顶锚杆长度为1.17 m.
根据矿井二采区10号煤层工作面顺槽的布置方式、受力分析、已有相关近距离煤层支护方法及井田内的地质钻孔柱状,结合矿井井下实际揭露情况和采区内其他巷道的支护现状,综合分析确定10号煤层10207工作面回风顺槽采用U型钢棚与锚杆联合支护方案。
顶板及帮部采用29U型钢,棚距800 mm.
巷道顶板采用d22 mm×2 400 mm的高强度螺纹钢锚杆加强支护,树脂加长锚固,杆尾螺纹强化,屈服强度335 MPa,抗拉强度490 MPa,延伸率18%,屈服载荷186.3 kN.配套3 400×1 100型技术网用16#铅丝联接,双丝双扣,孔孔相连。铺设时保证网片间搭接100~200 mm,并用铁丝连接牢靠。锚杆排距为800 mm,每排布置4根锚杆,间距为1 100 mm,锚杆全部垂直顶板安装,锚杆预紧力扭矩不小于300 N·m.巷道支护断面见图1.
图1 巷道支护断面图
10207工作面回风顺槽采用U型钢与锚杆联合支护后,掘进期间巷道顶板最大下沉量为65 mm,两帮最大累计变形量为82 mm,回采期间工作面前方巷道最大累计变形量为185 mm,两帮最大累计变形量为215 mm,整个服务期间U型钢未出现破断和明显的变形,巷道锚杆未出现失效等情况,满足了工作面安全通风及辅助运输要求。
针对10207工作面回风顺槽实际开采技术条件,提出了U型钢与锚杆联合支护技术。通过理论分析得出,单架跨长3.6 m的矿用29U型钢达到屈服极限时的载荷为83.6 kN,达到抗拉极限时的载荷为120.2 kN,实际承载能力均高于计算数据。巷道顶板压力为88 kN/m,确定U型钢支护排距为0.8 m.顶板破坏深度为0.57 m,确定顶锚杆长度为1.17 m,在此基上,综合分析确定了采用d22 mm×2 400 mm型锚杆支护。现场实践表明,巷道支护方案合理,巷道围岩得到了有效控制,可以满足工作面通风及辅助运输要求。