Research on the reasonable supporting parameters of the roadway driving along the floor of special thick and soft coal seam

Sun Zhancheng 

(Wajinwan Colliery Company for Datong Mine Group of Shanxi, Datong, Shanxi 037042, China)

Abstract: In order to ensure safety driving of roadway along the floor of special thick and soft coal seam, the reasonable support parameters were determined by using bolt, anchor coupling support mechanism and establishing finite element analysis model, based on the surrounding characteristic of roadway driving along the 5 # thick soft seam floor of WA Jin-wan mine. The results showed that when the safety coefficient SF is larger than 1.2, the roof surrounding rock is in safe zone, roof bolt length should be 2000mm at least in order that bolt can reach the stable layer outside the loose broken zone；when bolt installation stress reaches 6t,the roof abscission layer are closed completely；the quick high prestressed “bird nest” cable can increase the tensile strength and have better supporting effect；reasonable surface control measure can play an important role in the supporting effect.

Keywords: weak stratum, development roadway, anchor arm or anchor wire supporting , prestressed anchor cable; coupling support 

在原巖應(yīng)力和掘進引起的附加應(yīng)力的共同作用下，軟巖巷道圍巖呈現(xiàn)出變形較大、破壞嚴(yán)重等特點。當(dāng)巷道圍巖變形超過錨桿、錨索的可延伸長度時，將導(dǎo)致整個支護體系的失穩(wěn)，同時，由于巷道圍巖本身較軟，支護時容易發(fā)生漏頂和局部冒落現(xiàn)象，因此，軟巖巷道支護一直是許多采礦工作者研究的對象^[1-3]。

1．開拓巷道概況

同煤集團挖金灣煤業(yè)公司虎龍溝煤礦5^#煤層厚度在30.23～32.56m之間，平均為31.40m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下部煤層較硬，上部煤層較軟，受火成巖的侵入使煤層破壞較為嚴(yán)重。虎龍溝煤礦開拓巷道（軌道大巷和運輸大巷）斷面形狀為矩形，尺寸4400  mm×3500 mm，均沿5^#煤層底板掘進。最初開拓巷道設(shè)計采用錨桿支護，錨桿規(guī)格Φ18 mm×2200mm，屈服強度8.7 t，應(yīng)用后巷道圍巖破壞嚴(yán)重，支護效果較差。后設(shè)計采用強度較大的全錨索支護，錨索規(guī)格Φ15.24 mm×5000mm和Φ15.24 mm×12000mm，間排距為1000 mm×1000mm。然而，現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，由于頂煤較為破碎，開拓巷道沿底板掘進時極易出現(xiàn)頂煤破碎漏頂現(xiàn)象，錨索的錨固力很難達到最大抗拉噸位，同時，巷道成形差，掘進速度慢，導(dǎo)致支護成本明顯增大。

因此，根據(jù)5^#煤層底板軟巖開拓巷道的特點，現(xiàn)場采用了大巷起底留薄層煤作為巷道頂板的掘進方式，并針對開拓巷道圍巖較軟的特點，根據(jù)錨桿錨索耦合支護機理，結(jié)合有限元數(shù)值計算，設(shè)計了合理的軟巖開拓巷道支護形式和支護參數(shù)，確保了底板軟巖開拓巷道的順利掘進。

2軟巖開拓巷道合理支護參數(shù)

2.1 錨桿支護參數(shù)設(shè)計

2.1．1 錨桿長度

錨桿的合理長度應(yīng)至少保證錨桿錨固到松散破碎范圍外一定深度。采用摩爾庫侖準(zhǔn)則作為圍巖破壞的準(zhǔn)則，定義巖石破壞準(zhǔn)則的摩爾庫侖安全系數(shù)（Safety Factor）為[4-6]：                       

         (1)

式中：—最大主應(yīng)力，Pa；

           —巖石單軸抗壓強度，Pa；

          —最小主應(yīng)力，Pa；

          —內(nèi)摩擦角。

根據(jù)虎龍溝煤礦5^#煤層的地質(zhì)賦存條件和底板軟巖開拓巷道的圍巖特征，建立有限元數(shù)值計算模型，求出底板軟巖開拓巷道圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的分布特征，代入式（1）內(nèi)可以計算出摩爾庫侖安全系數(shù)，其分布特征如圖1所示。

                                                                                                                  

 圖1 摩爾庫侖安全系數(shù)分布

從圖中可知，5#煤層底板軟巖開拓巷道圍巖松散破碎范圍分為三個部分：

①破碎區(qū)(SF≤1）：最大深度在1.2m左右。

②穩(wěn)定區(qū)(1<SF<1.2)：考慮開拓巷道的長期穩(wěn)定性，此區(qū)域仍不屬于安全區(qū)，其最大深度達到1.6m左右。

③安全穩(wěn)定區(qū)(SF≥1.2)：為了錨固到松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層中，頂板錨桿的長度應(yīng)至少為2.0m，巷道兩幫的錨桿長度至少為1.8m。

因此，根據(jù)圍巖松散破碎圈的分布特征，頂板錨桿的長度應(yīng)至少為2.0m，以確保至少400mm的錨桿能錨固在穩(wěn)定的圍巖中。

2.1．2 錨桿安裝應(yīng)力

當(dāng)錨桿安裝時施加載荷既可以壓實浮煤浮矸，保證錨桿系統(tǒng)早期及時支護，控制巷道圍巖早期變形，同時，也可以消除拉應(yīng)力和減少頂板離層，從而保證頂板的穩(wěn)定。建立錨桿安裝載荷有限元模型，設(shè)計錨桿長度2.0m，頂板錨桿每排5根，錨桿排距為1.0m，施加不同安裝載荷時，底板軟巖開拓巷道圍巖的應(yīng)力分布和變形情況，如圖2所示。

                                                                                                                                             （a）1.0 t                        （b）3.0 t                      （c）6.0 t  

       圖2 不同安裝載荷時巷道圍巖應(yīng)力分布和變形圖 

圖2（a）為安裝載荷1.0 t時的應(yīng)力分布和變形圖。從圖中可知，巷道頂板有較大的拉應(yīng)力分布區(qū)，即頂板不穩(wěn)定區(qū)。同時，通過放大模型，可以發(fā)現(xiàn)在頂板1.2m的范圍內(nèi)有多處位置發(fā)生離層。

圖2（b）為安裝載荷3.0t時的應(yīng)力分布和變形圖。從圖中可知，盡管拉應(yīng)力區(qū)有所降低，但巷道頂板仍有較大的拉應(yīng)力分布區(qū)。對模型放大可知，當(dāng)安裝載荷 增大到3.0t時，在300mm和600mm深處的頂板離層發(fā)生閉合，但900mm、1200mm深處頂板的離層仍然存在。

圖2（c）為安裝載荷6.0t時的應(yīng)力分布和變形圖。從圖中可知，頂板拉應(yīng)力區(qū)全部消除，對模型放大可知，當(dāng)安裝載荷 增加到6t時，所有頂板離層都發(fā)生閉合。

因此，根據(jù)有限元數(shù)值模型分析，提高安裝載荷 可以減小或消除軟巖開拓巷道頂板中的拉應(yīng)力區(qū)，控制頂板巖層中的離層，從而取得最佳的支護效果。同時，確定挖金灣煤業(yè)公司虎龍溝煤礦5#煤層底板軟巖開拓巷道最小錨桿安裝載荷 為6t。

2.2 錨索支護參數(shù)設(shè)計

為了解決軟巖條件下錨索錨固力較小的問題，現(xiàn)場確定選用快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索

快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索主要在錨索桿體中設(shè)計有數(shù)個“鳥窩”，其大小一般比鉆孔直徑小2mm，不僅可以保證錨索在孔內(nèi)對中，使樹脂在錨索周圍均勻分布，同時，“鳥窩”可以均勻攪拌樹脂，使樹脂充滿中空的“鳥窩”，并和錨索成為一整體，從而增加錨索的拉拔強度[7、8]。

為了保證錨索能錨固到頂板穩(wěn)定的圍巖中，確定快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索長度為8m，直徑為15.24mm，屈服強度大于1860MPa，安裝載荷不低于8t，抗拉載荷大于36t，采用“五花”布置，錨索排距為1m，每套錨索采用3支K2350的快速樹脂藥卷。

2.3 表面支護設(shè)計

由于開拓巷道沿5^#煤層底板掘進，頂煤較為破碎，因此軟巖巷道表面控制對于充分發(fā)揮錨桿、錨索支護系統(tǒng)的作用非常重要。表面控制主要包括鋼帶、金屬網(wǎng)和托盤等。

鋼帶將錨桿聯(lián)結(jié)成一整體，并具有較好的表面控制效果。現(xiàn)場采用W型高強材料鋼帶，寬度為270 mm，厚度為2.5 mm。對于高強Φ22mm的錨桿桿體，托盤規(guī)格尺寸不小于150  mm ×150 mm×8 mm，托盤承載強度不小于15 t，錨索托盤尺寸不小于300 mm×300 mm×10 mm，承載強度不小于32t。

此外，為提高巷道幫部的支護效果，同時考慮巷道支護成本，5#煤層?xùn)|軌道大巷兩幫采用普強型號為Φ16 mm ×1800mm的扭矩應(yīng)力錨桿，錨桿的屈服強度大于8t，抗拉強度大于11t，幫錨桿的安裝載荷 大于2t，安裝扭矩大于100N·m。錨桿托盤規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm×5.5mm與270 mm ×300 mm × 2.50 mm的鋼帶托盤配合使用，既可以適應(yīng)錨桿的強度要求，又增加了錨桿的護幫效果。軌道大巷支護系統(tǒng)平面圖和剖面圖見圖4。

3 現(xiàn)場支護效果

(a)平面圖

(b)剖面圖

圖4 5#煤層軌道巷道支護系統(tǒng)圖

與原錨桿、全錨索支護設(shè)計相比，錨桿配合高預(yù)應(yīng)力錨索使用，支護效果有了明顯改進。

(1)提高了巷道掘進速度，單進由原來的每天3m提高到每天7m。

(2)降低了巷道綜合支護成本，綜合成本由原來的每米5000元降低到每米3000元。

(3)縮短了臨時支護時間，提高了臨時支護效果，實現(xiàn)了錨桿主動支護、及時支護的核心理念，為實現(xiàn)巷道沿底板安全掘進提供了保障。

(4)通過對錨桿的安裝載荷 、扭矩應(yīng)力、錨桿錨固力、錨固劑性能、錨索安裝性能等實際技術(shù)參數(shù)進行井下工業(yè)測試，取得了較好的效果，不僅提高了支護質(zhì)量，也改善了工人作業(yè)環(huán)境。

4結(jié)束語

由于挖金灣煤業(yè)公司虎龍溝煤礦5#煤層煤質(zhì)松軟，開拓巷道沿煤層底板掘進時圍巖難以控制，極易發(fā)生漏頂事故。針對特厚軟煤層沿底掘進開拓巷道難于支護的特點，采用錨桿主動支護，設(shè)計了合理的錨桿支護長度和錨桿安裝載荷 ，配合預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索，同時，選擇了合理的巷道表面支護方式，不僅保證了開拓巷道的順利掘進，同時，加快了開拓大巷的掘進速度，降低了軟巖巷道的支護成本，減輕了工作人員的勞動強度，現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的效果。