山阳煤矿基于自稳隐形拱理论的切眼支护设计研究

2020-01-09吴新选张富魁

陕西煤炭 2020年1期

胡鹏，吴新选，张富魁

(陕西陕煤澄合矿业有限公司山阳煤矿，陕西渭南 715307)

0 引言

山阳煤矿位于渭南市合阳县王村镇山阳村西，设计1507工作面切眼长180 m、宽7.5 m、高4.0 m，以满足安装设备空间需要，同时要求切眼必须具备很好的稳定性和安全性。1507工作面开采的5#煤层属“三软”煤层，大跨度的开切眼安全施工成为实际问题[1]。在支护技术发展过程中，锚网索支护理论种类较多，各有其不同的适用范围，都在煤矿安全生产建设中起到了积极的指导作用，但要准确分析计算出巷道支护参数都比较困难[2]。自稳隐形拱理论基于巷道围岩条件，用简化的理论方法计算锚杆支护参数，揭示井下工程巷道围岩稳定状况和锚杆锚索作用原理，适应于任何复杂环境的松软破碎围岩条件[3-7]。本文应用自稳隐形拱理论设计了导硐法掘进的矩形切眼支护设计。

1 工作面基本概况

山阳煤矿1507工作面开采的5#煤位于二叠系下统山西组，地面标高+753～+758 m，煤层底板标高+313～+352 m，煤层厚度平均3.8 m，为较稳定煤层，坚固性系数f=0.5，属于“三软”煤层，煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

工作面顶板以裂隙含水层充水为主，富水性弱-中等，单点涌水量一般为0～15 m3/h；工作面底板的太原群K2灰岩或石英砂岩含水层为含水不均一的富水性弱-中等的承压含水层，单点正常涌水量20～60 m3/h。工作面奥灰水静水位标高+370 m左右，属承压开采区，煤层底板至奥灰岩顶面的隔水层厚度为35 m，突水系数0.02～0.01 MPa/m。

2 自稳隐形拱理论简介

自稳隐形拱理论以极限破坏原则确定围岩稳定区域划分，将巷道顶板分成3个拱形区域，即自然冒落拱、自稳隐形拱、极限自稳隐形拱，以此确定锚杆锚索长度等参数[8]，如图1所示。

图1 自稳隐形拱示意图

自稳隐形拱曲线表示为

(1)

式中：w01—巷道顶部宽度，m；p0—巷道顶部垂直地压，MPa；σ2—顶板围岩体抗拉强度，MPa。

式(1)中，当x=0时，自稳隐形拱距巷顶最大高度hmax为

(2)

极限自稳隐形拱表示为

(3)

式中：hw—巷道高度，m。

由式(3)知，当x=0时，得出极限自稳隐形拱距顶板的最大高度hlid为

(4)

3 切眼施工图设计

对于“三软”煤层巷道，为提高顶板岩层自稳时间[5]，确定1507工作面切眼沿顶板掘进。采用先导硐再向扩巷的方式分次掘进成巷，即先施工导硐(宽5.0 m、高4.0 m)，贯通后再扩大到全断面的施工方法。

3.1 切眼断面形状

切眼断面形状为矩形，宽度7.5 m，高度4.0 m。因巷道两帮肩是巷道支护的关键区域[5]，两帮肩角设计为圆弧角，半径R=500 mm，支护时在圆角中部打一根与顶板成45°角的锚杆以加强支护，由于圆弧角对顶板有一定的支撑作用，可使顶板跨度减少，从而降低自稳隐形拱高度。

3.2 主要参数计算

围岩不稳定区域确定：根据1507工作面切眼设计、岩层物理力学性质及煤层埋深，巷道宽度7.5 m，高度4.0 m，顶板泥岩的抗拉强度0.1 MPa，巷道顶部垂直地压6.0 MPa。

代入式(2)，得自稳隐形拱最大高度为

代入式(4)，得极限自稳隐形拱高度为

顶锚索长度确定：顶板锚索长度按自稳隐形拱理论以下式计算确定。

L≥L1+L2+L3

(5)

式中：L—锚索总长度，m；L1—锚索外露长度，m；L2—有效长度，m，取极限自稳隐形拱高度6.73 m；L3—锚入稳定岩层内深度，m。

(6)

式中：k—安全系数，取2；d1—锚索直径，mm，取18.9 mm；fa—锚索抗拉强度，N/mm2，查为1 860 N/mm2；fc—锚索与锚固剂的粘合强度，N/mm2，查为10 N/mm2。

计算得，顶板锚索最小长度为L=8.79 m，按照安全系数增大原则设计为9.3 m。

顶板锚杆长度确定：按照自稳隐形拱理论，当巷道宽度为7.5 m时，自稳隐形拱高度为6.34 m，此时不适宜进行选择锚杆。但若巷道顶板采用锚索控顶后，会起到减跨作用[9]，根据公式(2)计算，若巷道顶板中间打设1根锚索控顶，自稳隐形拱高度变为3.17 m，若顶板等间距打设2根锚索控顶，自稳隐形拱高度变为2.10 m。因此在有2根锚索有效支护情况下，顶板锚杆长度可按下式确定

L≥L1+L2

(7)

式中：L—锚杆总长度，m；L1—锚杆外露长度(包括托板、螺母厚度)，0.1 m；L2—有效长度(自稳隐形拱的高度2.1 m+超过自稳隐形拱0.5 m)，2.6 m；顶板锚杆最小长度为L=0.1+2.6=2.7 m，锚杆长度取2.8 m。

帮锚杆长度确定：帮顶锚杆长度应满足下式

L=L1+L2

(8)

式中：L—锚杆总长度，m；L1—锚杆外露长度(包括托板、螺母厚度)，0.1 m；L2—有效长度，根据自稳隐形拱理论，帮锚杆的长度为巷道高度(4.0 m)的一半+锚入煤层内深度0.5 m，即2.5 m；帮锚杆最小长度为L=0.1+2.5=2.6 m，按照安全系数增大原则及与顶锚相统一，长度取为2.8 m。

切眼导硐支护设计：①导硐顶板支护—锚杆锚索布置，采用φ20长度2 800 mm左旋螺纹钢锚杆，布置按照“垂直岩壁原则、均布原则和放射状原则”[8]，顶板中部锚杆垂直顶板打设，顶角部(圆弧角)锚杆成45°角打设，间排距750 mm×700 mm，锚杆铁托盘150 mm×150 mm×10 mm。锚索3根φ18.9长度9 300 mm，垂直顶板打设，间排距1 400 mm×1 400 mm，锚索铁托盘300 mm×300 mm×15 mm。网片铺设，网片有防护围岩表面冒落、阻止煤岩压碎、预防冒顶的作用。只要锚杆锚索牢固可靠、网片不破，则不会产生冒顶事故。因此设计采用“菱形10#铁丝网+φ6.5 mm钢筋网”的双层网，以加强网的牢固性，网片2.0 m×0.9 m，压茬10 cm，连网采用14#铁丝，逢孔必连。菱形10#铁丝网的网目规格50 mm×50 mm，具有柔性特点，有防护煤矸掉落作用；φ6.5 mm钢筋网的网目规格100 mm×100 mm，具有刚性特点，对围岩表面起到固化作用。双层网“刚”“柔”相济，既“支”又“护”，安全性高；②导硐后帮支护—根据巷道两帮对围岩的影响机理，随着巷道两帮垮落深度或塑性区增加，顶板的极限自稳平衡拱将扩大；当两帮部煤体得到有效控制，则顶板的极限自稳平衡拱将最小。因此帮部支护将直接影响极限自稳平衡拱的范围。锚杆布置，后帮采用φ20长度2 800 mm左旋螺纹钢锚杆支护，间排距700 mm×700 mm。上部第1根锚杆距顶250 mm、与帮向上成75°角，下部第1根锚杆距底250 mm、与帮向下成75°角，中部锚杆垂直巷帮，铁托盘150 mm×150 mm×8 mm。网片铺设，用“菱形10#铁丝网+φ6.5 mm钢筋网”的双层网;③导硐前帮临时支护—导硐前帮采用φ20长度2 800 mm玻璃钢锚杆+塑钢网临时支护，塑钢网网目规格30 mm×30 mm，锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，同时帮侧增加单排单体柱做临时支护，间距700 mm。切眼导硐顶板支护设计顶视图，如图2所示。

图2 切眼导硐顶板支护设计顶视图

切眼成巷后支护：导硐贯通后再进行二次扩巷，扩巷部分顶板支护与导硐相同，切眼工作面侧改用φ20长度2 800 mm左旋螺纹钢锚杆和双网支护，锚杆间排距为700 mm×700 mm。如图3所示。

图3 切眼成巷后支护图

3.3 支护体系安全监测

为了检验支护结构、设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数，监控巷道支护的施工质量，对支护状况进行跟踪预测和反馈，及时发现工程隐患，以保证施工安全和巷道稳定[10-11]。在距开切眼位置0 m、50 m、100 m、150 m、180 m顺槽各设置一个监测站。监测巷道表面收敛量、顶板离层量及锚杆工作荷载。

巷道表面收敛量监测：监测包括巷道底鼓、两帮相对移近、顶板下沉等内容，通过巷道表面收敛量可较好地判定巷道围岩的运动情况，分析围岩是否进入稳定状态。

顶板离层量监测：在巷道顶板打眼安设多点位移计，孔内基点深度分别为：1 m、3 m、5 m、10 m共4个基点，以反映顶板的离层状况，通过顶板离层量判断巷道围岩内部的变形及破坏情况，预测巷道围岩稳定性。

锚杆载荷监测：每个测站内，在巷道的左帮、右帮及顶板处各安装1套锚杆测力计，通过仪器监测锚杆的受力情况，以及时了解锚杆的工作状态。

3.4 注意事项

确保锚杆锚索锚固力是基础：锚杆锚索安设钻孔直径28 mm，每根锚索使用2卷MSK2360型、2卷MSZ2360型树脂药卷，每根锚杆使用1卷MSK2360型、1卷MSZ2360型树脂药卷。锚索张拉预紧力不小于23 MPa(200 kN)，锚杆锚固力不低于105 kN，安装扭矩不小于100 NM。遇断层破碎带锚杆锚索需做拉拔试验，不能保证设计拉拔力时，须加设π型梁单体支护[5]。

切眼端头加固是关键：切眼端头有绞车硐室，巷道跨度大、压力大，影响范围内必须加强支护。从顺槽距切眼30 m处开始采用锚网索+π型梁单体支护加固。

加强含水破碎段支护是重点：含水破碎岩的可锚性差[5]，同时在遇水膨胀情况下，易产生底鼓帮鼓现象，甚至发生冒顶。应加设π型梁单体支护。

做好围岩监测工作是保障：要经常查看监测情况，分析数据，发现异常，立即处理。