某矿1311工作面胶带顺槽支护方案优化研究
时间：2023-02-14 08:50:12 来源：千叶帆 本文已影响人
＊周文中 赵帅 赵利安
（1.晋能控股煤业集团 胡底煤业有限公司 山西 048006 2.辽宁工程技术大学 矿业学院 辽宁 123000）
煤矿安全一直是煤矿生产的重要保证，煤矿安全往往受到各种各样的因素影响。煤矿安全的重要保障来自安全的支护技术，复杂的地质环境给矿井支护带来巨大的困难。我国煤矿的分布地形较为复杂，所以必须根据实际情况，为巷道设计相适应的支护方案并进行优化处理，这对煤矿安全具有重要意义[1]。晋能控股煤业集团某矿回采巷道存在过度支护强度问题，造成支护材料浪费、掘进速度减慢、生产成本增加。依据回采巷道支护方案设计理论[2-4]，对该矿1311工作面胶带顺槽支护方案进行优化，以达到在保证围岩稳定的基础上降低支护成本。
1311工作面位于晋能控股煤业集团某矿一盘区，工作面倾斜长度249.7m，可采走向长度2710.0m，可采面积676687.0m2，工作面的地面标高为1012.4～1182.7m，巷道范围煤层底板标高305～446m。南侧为1310工作面，正在掘进，北侧为1312工作面，未掘进，如图1所示。东侧为一盘区大巷。1311采煤面开采煤层为3号煤层，煤层厚度4.6～5.0m，厚度平均值为4.7m。煤层倾角范围0°～8°，倾角平均值为5°。
图1 1311工作面巷道布置示意图
3号煤层基本顶以黑色砂质泥岩为主，夹少量粉砂岩条带，厚度11.3m左右，岩层硬度f=9～10。煤层直接顶为致密块状含植物化石裂隙发育的黑色泥岩，其厚度平均为1.50m，岩层硬度f=2～2.3，煤层无伪顶。
1311工作面胶带顺槽顶板支护采用1×19股高强度低松弛预应力钢绞线锚，间排距1200mm×1200mm，每排5根。锚固长度1550mm，预紧力不小于250kN。
1311工作面胶带顺槽帮部支护采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆与1×7股高强度低松弛预应力钢绞线锚索。锚杆间排距950mm×1200mm，每帮5根和3根锚杆间隔布置，锚固长度950mm。锚杆角度：帮部最上部锚杆向上倾斜不大于10°，最下部锚杆向下倾斜不大于10°，其余锚杆均与巷帮垂直打注。锚索均与巷帮垂直打注。锚索与锚杆同排布置，每隔一排替代帮部从上至下第2和第4根锚杆，间排距1900mm×2400mm，锚固长度1550mm。
随着煤层埋藏深度的增加，实践中发现：回采巷道围岩变形量大，特别是复用巷道的片帮和底鼓严重，巷道需要翻修后才能继续使用。此外回采巷道普遍存在锚索、锚杆拉断现象，主要集中在两帮顶角处。因此有必要提出可行的巷道控制技术和巷道支护设计方案，确定合理的支护参数，以确保矿井的安全回采，降低支护成本，实现矿井高效生产。
(1)胶带顺槽顶板支护优化方案
顶板支护采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆与1×7股高强度低松弛预应力钢绞线锚索支护。
锚杆：采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22mm，长度为2400mm，型号为MSGLW-500/22-2400。
锚杆托盘：高强度碟型托盘，托盘规格为：长×宽×厚=300mm×200mm×10mm。
锚杆角度：均与顶板垂直打注。
锚杆布置：排距为1200mm，间距为1200mm，靠帮锚杆距帮400mm，每排5根和3根间隔布置。
锚杆锚固方式：采用三支MSZ2360型树脂锚固剂进行全长锚固。采用深度2.31～2.34m，直径30mm的钻孔，锚固长度和设计锚固力最低值分别为2.28m和190kN，预紧力矩100N·m。
锚索：采用1×7股高强度低松弛预应力钢绞线制成，直径为17.8mm，长度为5400mm，型号为SKP17.8-1/1860-5400。
锚索托盘：托盘规格为：长×宽×厚=300mm×300mm×16mm。
锚索角度：均与巷帮垂直打注。
锚索布置：与锚杆同排布置，每隔一排替代顶板第2和第4根锚杆，排距为2400mm，间距为2400mm。
锚索锚固方式：采用三支锚固剂加固所选用的锚索：MSK2335型1支（快速），MSZ2360型2支（中速）。先放入快速锚固剂，后放入中速锚固剂。直径30mm，深度5.05～5.15m的钻孔中，锚固长度要大于等于1.40mm，且外露长度一般为0.15～0.25m。锚索设计锚固力150kN，相应的预紧力大于等于140kN。根据使用的张拉机具，张拉时由于力的损耗，需张拉至28MPa。
网片：采用10#铁丝编织而成的金属菱形网护顶，网孔规格为70mm×70mm。网片规格1350mm×5800mm，型号为LW10/70-1.35×5.8。
网片联接方式：相邻网片互相搭接，搭接长度不小于0.1m。搭接部位每隔0.1～0.15m使用双股16#镀锌铅丝扎紧，扎结至少3圈。
(2)胶带顺槽两帮支护优化方案
两帮支护采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每帮5根锚杆。
锚杆：采用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22mm，长度为2400mm，型号为MSGLW-500/22-2400。
锚杆托盘：高强度碟型托盘，托盘规格为：长×宽×厚=150mm×150mm×10mm。
锚杆角度：帮部最上部锚杆向上倾斜不大于10°，最下部锚杆向下倾斜不大于10°，其余锚杆均与巷帮垂直打注。
W钢带护板：规格为BHW-280-4-400-1，最上一根和最下一根锚杆锚杆不使用W钢带护板。锚杆易超长时，可使用两块相同规格的锚杆托盘支垫。
锚杆布置：锚杆排距为1200mm，间距为950mm。最上部一根锚杆锚杆距顶300mm，最下部一根锚杆距上部锚杆700～1000mm、距底板不大于700mm。若起锚高度超过700mm，则必须补打锚杆。
锚固方式：锚杆为树脂加长锚固，采用MSK2335型快速锚固剂和MSZ2360型中速锚固剂各一支。先放入快速锚固剂，后放入中速锚固剂。直径30mm，深度2.31～2.34m的钻孔中，锚固长度要大于等于1.20m，锚索设计锚固力150kN，相应的预紧力大于等于400N·m。
网片：煤柱侧帮使用网孔和网片规格分别为70mm×70mm，1.35m×4.60m的10#金属菱形网片支护巷帮，型号为LW10/70-1.35×4.6。非煤柱侧（回采侧帮）采用塑料编织网片护帮，网片和网孔规格分别为4.60m×1.35m和50mm×50mm。
网片联接方式：采用搭接法连接，搭接长度不小于100mm。搭接后网片之间采用双股16#镀锌铅丝捆扎，金属菱形网之间、金属菱形网和塑料网之间每隔100～150mm捆扎一道，塑料网之间每隔100mm捆扎一道，扭结不少于3圈。
支护断面与参数，见图2。
图2 13111胶带运槽支护平、剖面图
(3)原方案与优化方案支护成本对比
优化后的支护方案成本与原支护成本对比，见表1。优化方案具有以下优点：
表1 13111胶带顺槽巷原方案与优化方案支护成本对比
①根据顶板特征，以高强锚杆替代19股锚索，钻孔长度减少36.5%；
②以高强锚杆替代锚索，材料直接成本及运输成本减少37%；
③顶板预应力降低；
④安装时间降低；
⑤以全长锚固取替加长锚固，维护了围岩的整体性。
通过对比分析还可以发现，优化后的支护方案：帮部最上部锚杆向上有倾斜不大于10°，最下部锚杆向下倾斜不大于10°的倾角（原来均垂直顶板），可以有效防止顶角和底角部位的变形和破坏。另外，锚杆布置间距由1200mm减小为950mm，新增加了快速锚固剂，提高了对巷道的支护强度和支护速度。
(1)锚杆长度的理论计算
①按加固拱理论计算[5]：
式中：B—巷道荒断面宽度；
N—围岩稳定性影响系数，取1.2；
则：L=1.2×(1.1+5.6/10)=1.992m。
而Lb=托盘盘高+螺母厚度+锚杆外露长度+钢筋梯子厚度+网厚度=10+30+50+10+3=103mm=0.103m。
而：L=1.992+0.103=2.095m。
②按冒落拱高度计算锚杆长度：
按普氏理论计算冒落拱高度H可以用式（2）计算[6]：
式中：B—巷道荒断面宽度，取5.6m；
h—巷道荒断面高度，取4.5m；
f顶—顶板岩石普氏硬度系数，取4；
φ帮—帮煤体的内摩擦角，取35°。
通过计算得：
H=1.29m。
锚杆长度应伸到冒落拱外稳定岩层内0.5以上，则：
由以上计算验证，长2.4m、直径22mm的高强锚杆符合要求。
(2)锚杆间排距的验算
①按加固拱理论：
②根据锚固力等于或大于被悬吊软弱岩层重量的原则可以用下式（3）计算[7]：
式中：Q—锚杆锚固力，Q=150kN；
K—安全系数，取2；
H—软岩厚度，m；
γ—岩石容重，取2.61t/m3。
根据以上计算，13111巷道锚杆排距取1200mm，间距为1200mm，均符合要求。
(3)锚网支护强度的验算
13111顶板支护的强度验算为：
根据式（4），满足该式即支护强度满足安全要求，则：
式中：P1—单根锚杆的锚固力，取15t；
P2—单根锚索的锚固力，取15t；
γ—岩石容重，取2.61t/m3；
H—冒落拱高度，取1.5m；
B—巷道宽度，m。
上述计算结果表明，13111采用锚杆+锚索联合支护的形式，其对顶板压力的安全系数为3.62≥2；
符合支护强度要求。
针对晋能控股煤业集团某矿1311工作面胶带顺槽的支护方案进行了优化，优化后方案以高强锚杆替代19股锚索，钻孔长度减少了36.5%；
材料直接成本及运输成本减少了37%。经理论验收，优化后的支护强度满足巷道安全使用要求。
