B090103 千米深井沿空掘巷支護(hù)和煤柱合理留設(shè)的設(shè)計(jì)

1、千米深井沿空掘巷支護(hù)和煤柱合理留設(shè)的設(shè)計(jì)徐慎利 楊永金 劉永先 羅武賢【徐州礦務(wù)集團(tuán)公司龐莊煤礦，江蘇 徐州 221141】摘 要 為了解決工作面接續(xù)問題，盡可能提高煤炭回收率，龐莊煤礦張小樓井在75211工作面沿空掘巷通過對75209工作面地質(zhì)條件的分析，利用數(shù)值模擬和工程類比法，確定75211溜子道錨桿支護(hù)參數(shù)及煤柱合理寬度。通過巷道礦壓觀測及時(shí)修改支護(hù)參數(shù)，為千米深井沿空掘巷積累了成功的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞 深部 沿空掘巷 數(shù)值模擬 工程類比法 礦壓觀測-1 概 況龐莊煤礦張小樓井開采深度已經(jīng)達(dá)到-1000m水平以下，地應(yīng)力非常高。為了提高煤炭回收率，通過沿空掘巷實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。75211工作面

2、位于-1025西一下山采區(qū)東翼，標(biāo)高-1092-1120m，在-1025西一下山采區(qū)膠帶石門、回風(fēng)石門、7煤區(qū)段回風(fēng)道東側(cè)，相鄰西翼為75210工作面，相鄰淺部為75209工作面采空區(qū)，深部及切眼外側(cè)為未采區(qū)。皮帶機(jī)道長1069m，材料道長1050m，切眼（平距）180m。平均煤厚，該面皮帶機(jī)道外段局部夾矸發(fā)育，夾矸厚度0，靠近切眼280m預(yù)計(jì)有夾矸發(fā)育，夾矸厚度0；預(yù)計(jì)該面里段煤層厚度相對較薄。煤層傾角010°。該面水文地質(zhì)條件簡單，主要水害因素是煤層頂板砂巖裂隙水，無動水補(bǔ)給，掘進(jìn)期間局部構(gòu)造裂隙發(fā)育部位會有淋水現(xiàn)象，預(yù)計(jì)最大水量35m3/h，正常水量12m3/h。75211皮帶

3、機(jī)道掘進(jìn)斷面凈寬，凈高(中高)，跟7煤頂板掘進(jìn)。75211工作面老頂為深灰色粗粒砂巖，富含菱鐵質(zhì)條帶，巖石硬度系數(shù)為級。厚度為m；直接頂為深灰色砂頁巖，含砂均勻，巖石硬度為級。厚度為m；偽頂為局部發(fā)育深灰色頁巖，巖石硬度為級，厚度為0m；煤層為黑色，呈油脂光澤，條帶狀構(gòu)造，條痕黑褐色，參差狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育性脆易碎，硬度為，厚度為1.6m；直接底為深灰色砂頁巖，含砂均勻，具砂紋，頂部為頁巖，硬度為級，厚度為m；老底為淺灰色粗粒砂巖，上部含少量炭質(zhì)及頁巖紋，下部含菱鐵質(zhì)條帶，堅(jiān)硬，硬度為級，厚度為。2 皮帶機(jī)道支護(hù)2.1 支護(hù)方案75211皮帶機(jī)道上幫為75209工作面采空區(qū)，受采動影響，巷道

4、支護(hù)上有一定困難，決定采用錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)。（1）頂板頂板采用樹脂加長錨固高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)，配合金屬菱形網(wǎng)和鋼筋托梁。采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索作加強(qiáng)支護(hù)。該方案主要考慮以下因素： 加長錨桿錨固端的長度能夠提供較高的軸向和橫向約束力，錨固區(qū)的巖體具更高的強(qiáng)度和鋼度，有效約束頂板圍巖破壞和變形，并對上部頂板下沉起限制作用，有利于防止頂板松動垮落。 頂板錨桿通過鋼筋托梁和金屬菱形網(wǎng)形成一個(gè)整體，共同約束錨固區(qū)內(nèi)頂板的變形和破壞。 采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索作為加強(qiáng)支護(hù)，提高巷道頂板承載能力，同時(shí)將下部錨固區(qū)頂板懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，與錨桿聯(lián)合支護(hù)，增強(qiáng)頂板穩(wěn)定性，從而保證巷道頂板安全可靠。 頂板采

5、用錨、梁、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)，減小兩幫煤體的壓力，提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。（2）兩幫兩幫采用樹脂加長錨固左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿支護(hù)，配合高強(qiáng)度塑料網(wǎng)和鋼筋托梁，該方案主要考慮以下因素： 兩幫煤體強(qiáng)度較小，受采動影響采空區(qū)邊緣煤體受到一定程度破壞，尤其是掘巷后煤柱側(cè)破壞更加嚴(yán)重，錨固長度過短時(shí)，常因錨固力偏低而不能充分發(fā)揮錨桿的作用，必須加長錨固長度。 左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿具有一定量的伸長，使兩幫錨桿支護(hù)具有一定的讓壓作用，以滿足兩幫強(qiáng)烈變形的需要；同時(shí)在巷道變形過程中為兩幫提供較大的阻力，限制兩幫尤其是窄煤柱的變形，保證巷道兩幫穩(wěn)定可靠。 沿空掘巷圍巖比較破碎承載能力較小，巷道維護(hù)較困難

6、。另外受到本工作面采動影響后，超前支承壓力與上區(qū)段側(cè)向支承壓力疊加作用，巷道圍巖壓較大。普通圓鋼錨桿不能適應(yīng)沿空掘巷高應(yīng)力及大變形特點(diǎn)，因此兩幫采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)。2.2 支護(hù)參數(shù)頂板采用錨、梁、網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用直徑22mm、長2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，用1卷MSCK-Z 2380型樹脂錨固劑卷端頭錨固，配塑料阻尼墊圈和快速安裝等強(qiáng)螺母，實(shí)行快速安裝工藝，兩肩窩采用異形托盤。錨桿的間排距為750×800(mm)，每排布置7根錨桿；金屬菱形網(wǎng)規(guī)格為×1.0（m）；鋼筋托梁直徑為12mm。錨索采用直徑、長5300mm的鋼絞線，以巷道頂板中心線對稱平行

7、布置，間排距2200 ×3200（mm），用一卷MSCK2350（前部）和一卷MSCK-Z 2380型（后部）樹脂錨固劑卷錨固，錨索預(yù)緊力不得小于120kN，不大于140kN，錨固力不小于240 kN。錨索滯后迎頭安裝時(shí)，距迎頭最大距離不得超過2個(gè)錨索的排距60°。兩幫采用錨、梁、網(wǎng)支護(hù)。錨桿為直徑22mm、長2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，用一卷MSCK-Z 2380型樹脂錨固劑卷端頭錨固，間排距為750×800(mm)，每排布置4根錨桿，配塑料阻尼墊圈和快速安裝等強(qiáng)螺母，兩幫底角錨桿采用異形托盤，實(shí)行快速安裝工藝；兩幫采用高強(qiáng)度塑料網(wǎng)和直徑12mm鋼筋

8、托梁配合錨桿支護(hù)。皮帶機(jī)道支護(hù)如圖13所示。圖1 皮帶機(jī)道支護(hù)斷面示意圖圖2 皮帶機(jī)道頂板支護(hù)布置圖圖3 皮帶機(jī)道幫支護(hù)剖面示意圖2.3 材料選擇與要求（1）錨桿錨桿桿體抗拉屈服強(qiáng)度不小于320MPa， 抗拉極限強(qiáng)度不小于500MPa，延伸率不低于33，尾部螺紋采用滾絲工藝加工，長度不小于100±5mm。（2）螺母螺母為加厚的，與錨桿相配套的快速安裝螺母。（3）鋼筋托梁鋼筋托梁用直徑12mm的圓鋼加工而成的鋼筋梯子梁，寬為60 mm，長與巷道寬等長，極限抗拉強(qiáng)度不小于360 MPa。（4）金屬錨桿托盤托盤材質(zhì)為Q235-AF(A)型。碟形托盤規(guī)格為140×140×

9、10（mm），中心孔徑大于錨桿直徑1.52.0mm；異形托盤規(guī)格140×140×10（mm），孔傾斜角30°，異形托盤結(jié)構(gòu)如圖4 所示。圖4 異形托盤平面示意圖（5）網(wǎng)金屬網(wǎng)選用8#鐵絲制作的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔為5×10(mm)；塑料網(wǎng)選用高強(qiáng)塑料網(wǎng)。（6）錨索錨索為直徑18.9 mm、長5300mm的鋼鉸線。（7）錨索托盤錨索托盤規(guī)格為400×400×10（mm），采用20#槽鋼加工而成，托盤中間加焊1塊150×150×10（mm）的鋼板，托盤孔眼眼位居托盤中心，孔徑大于錨索直徑1.52.0mm。托盤破壞載荷不小于26

10、0kN。（8）塑性減摩墊圈采用塑性減摩墊圈，可以降低螺母與托盤的摩擦阻力。通過觀察減摩墊圈的變形狀態(tài)，可直觀地了解錨桿預(yù)緊力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。塑性減摩墊圈強(qiáng)度要與錨桿扭距要求相匹配。3 煤柱寬度確定因75211皮帶機(jī)道一側(cè)為75209工作面采空區(qū)，在側(cè)向固定支承壓力作用下，采空區(qū)邊緣存在應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，需要確定煤柱合理寬度以便進(jìn)行巷道支護(hù)。通過對75209工作面地質(zhì)條件、支護(hù)狀況分析，掌握了75211皮帶機(jī)道地應(yīng)力分布特征，采用煤（巖）體表面相對位移監(jiān)測方法數(shù)值模似75209工作面回采穩(wěn)定以后，留不同寬度的煤柱掘75211皮帶機(jī)道。煤柱的寬度與巷道圍巖變形關(guān)系如圖5 所示。

11、1-頂板位移；2-實(shí)體煤幫位移；3-煤柱幫位移圖5 煤柱的寬度與巷道圍巖變形關(guān)系曲線由圖5可見，沿采空區(qū)側(cè)掘巷時(shí)，煤柱較小對巷道穩(wěn)定性較為有利，這個(gè)規(guī)律從數(shù)值模擬得到證實(shí)。但煤柱小于時(shí)，巷道圍巖的位移量很大，這是由于雖然該處應(yīng)力較小，但掘進(jìn)受工作面采動影響后圍巖較為破碎，圍巖自身的承載能力較小;而煤柱寬度大于6m時(shí)，隨著煤柱寬度增大，巷道圍巖應(yīng)力增大，圍巖變形量增大，不利于圍巖穩(wěn)定。從巷道圍巖控制角度出發(fā)，煤柱寬度取最有利。4 巷道礦壓觀測為觀測巷道在掘進(jìn)期間、掘進(jìn)后穩(wěn)定期間及受工作面采動影響期間圍巖變化規(guī)律及支護(hù)效果，為了進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)提供第一手資料。在巷道掘進(jìn)過程中設(shè)相應(yīng)觀測

12、站，巷道表面位移測站、頂板多點(diǎn)位移計(jì)測站、錨桿測力計(jì)、錨桿錨索錨固力等進(jìn)行觀測。（1）測站設(shè)置表面位移測站：每隔60m設(shè)一個(gè)；頂板多點(diǎn)位移計(jì)測站：每隔70m100m設(shè)一個(gè)，在巷道中部直接讀取數(shù)據(jù)；錨桿測力計(jì)：每隔60m幫、頂各設(shè)一個(gè)，直接讀取數(shù)據(jù)。（2）觀測方法測站安好后每天觀測一次，連續(xù)觀測一周，以后每周一次，每次觀測時(shí)將數(shù)據(jù)及時(shí)間填好，還要記錄測站距掘進(jìn)迎頭距離及回采期間觀測數(shù)據(jù)與時(shí)間。（3）觀測結(jié)果觀測結(jié)果如表1所列。表1 75211皮帶機(jī)道移近量統(tǒng)計(jì)測點(diǎn)觀測時(shí)間累計(jì)移近量(mm)兩幫頂?shù)装?08.9.109.19.1009.19.2209.19.2809.110.1009.1.1544076060809.1.15489780觀測結(jié)果表明，采用錨、梁、網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)，75211皮帶機(jī)道兩幫最大移近量為700mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?00mm，可以滿足巷道使用要求。5 結(jié) 論根據(jù)掘進(jìn)完工及工作面回采結(jié)束后監(jiān)測結(jié)果表明，采用錨、梁、網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道