煤矿大断面巷道支护设计与应用

2020-04-23李海斌范敬丰

山西化工 2020年1期

李海斌，李琰，范敬丰，张丹

(山西省兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西晋城 048000)

山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司1301工作面为一次采全高综采工作面，原设计开切眼巷道断面为矩形断面，宽8 m高3.5 m，支护方式为锚网索梁联合支护。受采矿开采设备及工艺技术发展影响，原设计断面已不满足现有新设备安装需要，根据现场实际情况，确定开切眼尺寸变更为宽度9 m、高度4 m，需重新对开切眼支护进行设计。

1 项目背景

1301工作面位于玉溪煤矿井田一盘区南部东侧，东西走向，大采高综采工艺回采3#煤层，开切眼宽度9 m、高度4 m、长200 m，为保证巷道施工安全，决定对开切眼进行设计优化。

根据地面勘探钻孔资料及综合柱状图可知，3#煤层位于山西组下部，埋深大约在500 m～600 m，厚度在5.12 m～7.20 m，平均5.85 m，纯煤厚度4.62 m～7.00 m，平均5.71 m，结构简单，全区稳定可采。

煤层特征：该煤层为缓倾斜煤层，煤层倾角小于8°，煤层层理发育，根据煤层检测报告：3#煤层属不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性。

顶底板岩性特征：a)老顶：中粒砂岩，厚度5.3 m；b)直接顶：泥岩，厚度2.4 m；c)直接底：泥岩，厚度1.5 m；d)老底：砂质砂岩，厚度8.3 m。

2 1301工作面开切眼支护措施

2.1 支护设计依据

通过现场对顺槽顶底板钻孔取芯，可掌握3#煤层、顶板岩层、底板岩层的岩性及分层厚度等物理力学性质参数。根据得到的参数可为开切眼支护形式与参数提供理论基础依据，采用工程类比法确定开切眼的支护形式和支护参数[1-3]。

2.2 支护材料性能合理匹配及优选

2.2.1 锚固剂选择

考虑锚杆“三径”的最佳匹配，确定巷道支护锚固剂选用K2335和Z2360型树脂锚固剂。

2.2.2 锚索规格选型

根据玉溪煤矿3#煤层的地质力学特点，开切眼顶板采用直径为Φ21.8 mm、长8 300 mm的1×19股高强度低松弛预应力钢绞线锚索。

2.2.3 锚杆规格选型

开切眼顶板和非采煤帮选用Φ22 mm、长2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆；采帮选用Φ22 mm、长2 000 mm的玻璃钢锚杆。

2.2.4 锚杆(索)托梁规格选型

开切眼顶板锚索采用W型钢带，其余巷道顶板及巷帮采用由Φ14 mm钢筋焊接的钢筋梯子梁作为锚杆拖梁。

2.2.5 锚杆(索)托盘规格选型

1) 锚杆托盘：顶板及两帮选用150 mm×150 mm×10 mm钢板压制的拱形托盘。

2) 锚索托盘：开切眼顶板锚索因采用W钢带护板，故与之配套采用300 mm×280 mm×14 mm(长×宽×厚)的W护板托盘。

2.2.6 护网规格选型

开切眼顶板及非采帮金属选择由10号铁丝编织的网孔尺寸为50 mm×50 mm的菱形金属网，网片间搭接长度大于100 mm，联网间隔小于100 mm；采帮使用塑料阻燃网片。

2.3 支护参数设计

2.3.1 锚杆(索)支护形式

根据巷道的围岩条件和物理力学特征，开切眼顶板及两帮采用加长锚固。

2.3.2 锚索锚固长度与锚固力

1) 锚索锚固长度：为使锚固系统发挥最大的效能，按照锚杆杆体极限载荷和树脂药卷与围岩的粘结强度确定锚杆必须的锚固长度l0。

本次支护采用直径21.8 mm锚索，锚索的破断载荷大于500 kN，锚索的锚固段为比较稳定的砂岩，锚索的锚固长度计算见式(1)。钻孔壁与树脂锚固剂间的粘结力取τ=3 MPa。

(1)

式中：l0为直径为Φ=21.8 mm锚索的锚固长度；Pm为设计锚固力，取锚索破断载荷，MPa；R为锚索孔半径，15 mm；τ为树脂药卷与钻孔壁的粘结强度，取τ=3 MPa。

计算需用直径为Φ=23 mm的树脂药卷锚固剂长度l，见式(2)。

(2)

式中：l1为直径为Φ=22 mm锚索需用树脂药卷锚固剂的长度，mm；R1为锚索半径，取11 mm；R2为树脂药卷半径，取11.5 mm。

为提高掘进速度同时确保锚索尽快获得锚固力，考虑到现场施工操作速度和不同药卷凝胶时间的配合，每孔用一支K2335型和两支Z2360型树脂锚固剂，三支锚固剂的总长度为l=1.55 m，则每根锚索的实际锚固长度为式(3)计算结果。

(3)

式中，L为直径为Φ=21.8 mm锚索的实际锚固长度，mm。

2) 锚索锚固力计算见式(4)。

PM=2πRτL0=2×3.14×15×3×1.97=556.72 kN

(4)

式中，PM为直径为21.8 mm锚索的实际锚固力。

2.3.3 锚杆锚固长度与锚固力

1) 锚杆锚固长度：本次锚杆选用锚杆直径为Φ22 mm，开切眼顶板锚杆锚固的岩层主要为3#煤层和泥岩。由于锚杆锚固的岩体为巷道浅部围岩，本次按松软破碎围岩考虑粘结力，取τ=1.6 MPa。

Φ22 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆的破断载荷为189 kN。

锚固长度计算见式(5)。

(5)

式中：Pm为设计锚固力，Φ=22 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体的极限载荷为189 kN；R为锚杆孔半径，取15 mm；τ为树脂药卷与钻孔壁的粘结强度，取τ=1.6 MPa。

树脂锚固药卷长度l计算见式(6)。

(6)

式中：R1为锚杆杆体半径，取11 mm；R2为树脂药卷锚固剂半径，取11.5 mm。

为保证锚杆尽快获得锚固力，提高掘进速度，并考虑到施工操作速度和不同药卷凝胶时间的配合，在实际施工中，每孔采用一支K2335型和一支Z2360型树脂锚固剂，2卷锚固剂的总长度为l=0.95 m，则每孔实际锚固长度计算见式(7)。

(7)

2) 锚杆锚固力计算见式(8)。

PM=2πRτL0=2×3.14×15×1.6×1.208
=182.02 kN

(8)

2.3.4 锚杆(索)预紧力

根据国内外锚杆支护实践经验，并结合开切眼的实际条件与施工机具，选择锚杆预紧力为其杆体屈服载荷的30%～50%，即顶板锚杆预紧扭矩应大于等于200 N·m，非采煤帮锚杆预紧力扭矩应≥150 N·m，采帮玻璃钢锚杆预紧扭矩应≥40 N·m；锚索的张拉预紧力≥300 kN。

2.3.5 锚固剂的选型

锚杆采用一支K2335和一支Z2360树脂锚固剂；锚索采用一支K2335和两支Z2360树脂锚固剂；开切眼采帮玻璃钢锚杆树脂药卷锚固剂采用一支Z2360。

3 巷道支护方案实施

开切眼顶板选用规格为Φ22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，呈矩形布置；每排10根；间距900 mm，排距900 mm；靠近非采帮的一根顶锚杆距巷帮450 mm，靠近采帮的一根顶锚杆距巷帮450 mm；安装预紧扭矩≥200 N·m；非采帮选用规格为Φ22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，呈矩形布置；每排5根；间距900 mm，排距900 mm；起锚高度250 mm，靠近顶板的一根帮锚杆距顶板150mm，安装预紧扭矩≥150 N·m；采帮选用规格为Φ22 mm×2 000 mm的玻璃钢锚杆，呈矩形布置；每排5根；间距900 mm，排距900 mm；起锚高度250 mm，靠近顶板的一根帮锚杆距顶板150 mm，安装预紧扭矩≥40 N·m；顶板锚索选用Φ21.8 mm×8 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线，呈矩形布置；每排6根；间距1 500 mm，排距1 800 mm；靠近顶板的一根帮锚杆距顶板150 mm，靠近非采帮的一根顶锚杆距巷帮750 mm，靠近采帮的一根顶锚杆距巷帮750 mm；安装张拉预紧力≥300 kN。

1301工作面开切眼支护见图1。