松軟厚煤層支護(hù)技術(shù)

劉新坤 王愛(ài)國(guó) 宋廣成

（通化礦務(wù)局 吉林省白山市 134300）

松軟厚煤層支護(hù)技術(shù)

劉新坤 王愛(ài)國(guó) 宋廣成

（通化礦務(wù)局 吉林省白山市 134300）

臨江市永安煤業(yè)有限責(zé)任公司為了解決松軟厚煤層的支護(hù)問(wèn)題，會(huì)同遼寧工程技術(shù)大學(xué)共同選擇了錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，分析巷道表面位移、離層等礦壓數(shù)據(jù)，總結(jié)出錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)這一項(xiàng)成功的支護(hù)技術(shù)。

松軟厚煤層掘進(jìn)；聯(lián)合支護(hù)；錨桿；錨索；金屬網(wǎng)；鋼筋梯

1 概況及自然條件

臨江市永安煤業(yè)有限責(zé)任公司+100東二石門區(qū)，位于三采區(qū)+100～+160東部，東起F5號(hào)斷層，西至采區(qū)邊界，下起+100標(biāo)高，上至+160標(biāo)高，平均走向長(zhǎng)360 m，平均傾斜長(zhǎng)145 m。該區(qū)地表標(biāo)高為+790～+800，垂深640 m。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，區(qū)內(nèi)沒(méi)有大的斷層，經(jīng)+160控制有一走向斷層，落差2 m～3 m。原采區(qū)控制有一斜切逆斷層，落差3 m。該區(qū)煤層為3層煤，分上下2層，中間以黃砂巖為界。黃砂巖厚度為0.1 m～0.5 m，平均0.3 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，黃砂巖上煤層中有2～3層夾石，以下有3～4層夾石，夾石累計(jì)厚度1.64 m；煤層總厚度累計(jì)最大8.6 m，最小5.5 m，平均7.0 m；煤層傾角最大29°，最小21°，平均25°。頂?shù)装迩闆r見(jiàn)圖1。

圖1 綜合柱狀圖

煤層易冒落，遇水膨脹，有底臌現(xiàn)象。巷道壓力大，巷道穩(wěn)定性屬Ⅲ、Ⅳ類。該區(qū)巷道均沿煤層底板掘送。在+100東二石門掘送集中上山，其斷面為拱形，寬4 m，高3.2 m。回采面上、下順槽均在集中上山開(kāi)口。圖2為綜采工作面設(shè)計(jì)平面圖及剖面圖（見(jiàn)圖 2）。

圖2 綜采工作面設(shè)計(jì)平面及剖面

2 支護(hù)設(shè)計(jì)與參數(shù)

由遼寧工程技術(shù)大學(xué)在我公司進(jìn)行的礦井煤層物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)果，應(yīng)用工程類比法確定我公司煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)的初始設(shè)計(jì)。其理論依據(jù)主要是錨桿支護(hù)的組合梁和懸吊理論，其設(shè)計(jì)過(guò)程采用了動(dòng)態(tài)信息法。針對(duì)巷道的維護(hù)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)初始設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測(cè)、信息反饋和多次修正，確定了巷道的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和參數(shù)。

巷道按照回采工藝和設(shè)備布置要求，其形狀尺寸及支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 支護(hù)斷面示意及斷面展開(kāi)

2.1 工作面巷道錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)初始數(shù)據(jù)

①錨桿采用等強(qiáng)度螺紋鋼，錨桿直徑18 mm。

②錨桿長(zhǎng)度L=2.0 m。

③錨桿間排距確定，間距e=0.6 m，排距i=0.8 m。

④鋼筋梯選擇：直徑Φ=12 mm，梯寬B=100 mm。

⑤金屬網(wǎng)為8號(hào)鐵線編織的菱形網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸50 mm×50 mm。

⑥錨索選擇：直徑Φ=15.4 mm，錨索有效長(zhǎng)度L=6 m，排距1.6 m。

⑦木墊板選擇：木質(zhì)選擇楊木或柳木，尺寸為200 mm×300 mm×50 mm。

⑧錨桿托盤采用150 mm×150 mm×8 mm球冠托盤。

2.2 錨桿支護(hù)方式的理論驗(yàn)算

2.2.1錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

按懸吊理論計(jì)算錨桿參數(shù)。

式中：L——錨桿長(zhǎng)度，m；

H——冒落拱高度，m；

K——安全系數(shù)，一般取K=2；

L1——錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)

取0.4 m；

L2——錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，一般取0.15 m。

式中：B——巷道開(kāi)掘?qū)挾龋?.0 m；

f——巖石堅(jiān)固性系數(shù)，砂巖取3。

則L=2×0.67+0.4+0.15=1.89 m，現(xiàn)使用的錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，可以滿足支護(hù)要求。

2.2.2 錨桿間距及排距計(jì)算

設(shè)間排距均為a，

式中：a——錨桿間排距，m；

Q——錨桿設(shè)計(jì)錨固力，50 kN/根；

H——錨桿有效長(zhǎng)度，取2.0 m；

r——被懸吊砂巖的重力密度，取25 kN/m3；

K——安全系數(shù)，一般取K=1.5.

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，錨桿間排距取0.6 m×0.8 m能滿足對(duì)頂板支護(hù)的需要。

2.2.3 錨桿直徑確定

式中：d——錨桿桿體直徑，mm；

Q——錨固力，由拉拔試驗(yàn)確定，kN；

δt——桿體材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

d=35.52× (50/200)1/2=17.76 mm，取18 mm。

現(xiàn)使用的錨桿直徑為18 mm，可以滿足支護(hù)要求。

2.2.4錨索間距計(jì)算

式中：L——錨索間距，m；

n——錨索排數(shù)，取1；

F2——錨索極限承載力，取230 kN；

B——巷道最大冒落寬度，取4.0 m；

H——巷道最大冒落高度，取2.0 m；

r——巖體容重，25 kN/m3；

F1——錨桿錨固力，50 kN；

L1——錨桿排距，0.8 m；

φ——錨桿與巷道頂板的夾角，90°。

經(jīng)上述計(jì)算，錨索間距1.2 m，排距、直徑、長(zhǎng)度取經(jīng)驗(yàn)數(shù)分別為3.2 m(1.6 m、0.8 m)、15.4 mm和6 m，可以滿足支護(hù)的要求，錨索必須打至穩(wěn)定巖層內(nèi)。

3 施工技術(shù)要求

為保證巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性，應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)及時(shí)安設(shè)錨桿、錨索，保證其受力均衡。針對(duì)煤體松軟的不利因素采取了縮小循環(huán)進(jìn)尺，每掘進(jìn)一排錨桿的排距即進(jìn)行支護(hù)，使頂部支護(hù)緊跟迎頭。為保證錨桿、錨索的有效錨固力，必須按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的角度、深度安設(shè)錨桿、錨索，并做到三徑匹配，不得隨意改變參數(shù)。錨桿用1卷K2335型、1卷Z2335型、1卷M2335型樹(shù)脂錨固劑錨固。錨桿預(yù)緊力20 kN，安裝2 d～3 d后必須進(jìn)行二次加扭。錨索用1卷K2335型、2卷Z2335型、1卷M2335型樹(shù)脂錨固劑錨固，以保證錨固效果，打注后滯后24 h拉緊，錨索預(yù)緊力60 kN～70 kN。鋼筋梯在使用時(shí)確保錨桿托盤切實(shí)接觸鋼筋梯、金屬網(wǎng)和圍巖。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

4.1 巷道變形

巷道內(nèi)每隔30 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，此區(qū)共設(shè)14組測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法布置觀測(cè)點(diǎn)。由于煤層埋藏深度大，礦山壓力顯著，巷道變形嚴(yán)重。第1個(gè)月最為明顯，其中兩幫移近速率為6.3 mm/d～8.1 mm/d，頂板下沉速率為3.1 mm/d～3.5 mm/d，穩(wěn)定期兩幫移近速率為 1.3 mm/d～2.4 mm/d，頂板下沉速率為0.5 mm/d～1.6 mm/d。巷道變形兩幫移近量最大400 mm，最小259 mm；頂板下沉量最大188 mm，最小135 mm；底臌量最大313 mm，最小225 mm。見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 巷道收斂曲線

圖5 頂板下沉曲線

4.2 頂板離層

采用DLY-4型頂板離層指示儀，對(duì)頂板離層進(jìn)行觀測(cè)，此區(qū)共設(shè)離層儀10個(gè)。離層儀每隔30 m～50 m安裝1個(gè)，深度為6 m。觀測(cè)結(jié)果表明，在此區(qū)內(nèi)由于煤層松軟、遇水膨脹等原因，頂板離層明顯，第1個(gè)月尤為嚴(yán)重。淺層離層速率為2.2 mm/d～2.57 mm/d，深層離層速率為 2.5 mm/d～4.82 mm/d。在穩(wěn)定期內(nèi)，淺層離層速率為0.55 mm/d～1.34 mm/d，深層離層速率為0.63 mm/d～1.13 mm/d。觀測(cè)頂板離層量深部最大達(dá)到270 mm，淺部最大達(dá)到220 mm，未超過(guò)設(shè)計(jì)允許值。見(jiàn)圖6。

圖6 頂板離層曲線

4.3 巷道壓力

采用Y-100型壓力盒監(jiān)測(cè)錨桿、錨索受力狀況，巷道內(nèi)每隔30 m～50 m安裝1組（3個(gè)）與離層儀交錯(cuò)布置，此區(qū)共設(shè)10組觀測(cè)點(diǎn)。通過(guò)觀測(cè)，頂板錨桿的工作阻力最大100 kN，兩幫錨桿的工作阻力最大140 kN，沒(méi)有出現(xiàn)壓力值達(dá)到錨桿屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象。見(jiàn)圖7。

圖7 巷道壓力曲線

5 錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)費(fèi)用

采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)每m巷道（S=12.24 m2）總費(fèi)用為657+1 657.97=2 314.97元/m，人工及費(fèi)用見(jiàn)表1，材料及費(fèi)用見(jiàn)表2。

表1 錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)每m巷道人工費(fèi)用

表2 錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)每m巷道材料費(fèi)用

6 U型鋼棚支護(hù)費(fèi)用

采用U型鋼棚支護(hù)每m巷道（S=12.24 m2）總費(fèi)用為 3 726.8+2 270.7×2=8 268.2元/m。

U型棚支護(hù)總費(fèi)用為658.3+3 068.5=3 726.8元/m，人工及費(fèi)用見(jiàn)表3，材料及費(fèi)用見(jiàn)第29頁(yè)表4。

表3 U型棚支護(hù)人工及費(fèi)用

翻修一次U型棚總費(fèi)用為330+1 940.7=2 270.7元/m，人工及費(fèi)用見(jiàn)第29頁(yè)表5，材料及費(fèi)用見(jiàn)第29頁(yè)表6。

7 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

采用U型鋼棚支護(hù)時(shí)，棚距0.8 m/架，架棚總費(fèi)用3 726.8元/m，每5個(gè)月需翻修一次巷道，翻修費(fèi)用為2 270.7元/m。

表4 U型棚支護(hù)材料及費(fèi)用

表5 翻修一次U型棚人工及費(fèi)用

表6 翻修一次U型棚材料及費(fèi)用

+100東二石門區(qū)采區(qū)服務(wù)年限為15個(gè)月，采區(qū)巷道總長(zhǎng)度1 020 m，采用架棚支護(hù)時(shí)每m巷道總費(fèi)用8 268.2元，采用錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)每m巷道總費(fèi)用2 556.1元。目前+100東二石門區(qū)采區(qū)支護(hù)狀況良好，圍巖穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)共節(jié)約巷道支護(hù)費(fèi)用5 826 342元。

8 總結(jié)

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，未修改設(shè)計(jì)前與修改設(shè)計(jì)后巷道收斂情況對(duì)比見(jiàn)表7、表8。

礦壓監(jiān)測(cè)綜合結(jié)果表明，錨桿工作阻力達(dá)到125 kN，頂板下沉到120 mm，頂板離層到130 mm后，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。壓力圖形分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，巷道兩幫相對(duì)位移大于頂、底板相對(duì)位移且兩幫壓力大于頂板壓力。為此我們對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，把錨桿長(zhǎng)度由原2 000 mm長(zhǎng)改為2 200 mm，頂板錨索由原五花形布置改為一字形，每排共打3根，排距1 600 mm，間距1 200 mm（從巷道中心向兩側(cè)布置）。

表7 未修改設(shè)計(jì)前巷道收斂情況 mm

表8 修改設(shè)計(jì)后巷道收斂情況 mm

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，臨江市永安煤業(yè)有限責(zé)任公司巷道施工證明，松軟厚煤層采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)是可行的，與以往巷道其他支護(hù)相比，不僅改善了巷道維護(hù)狀況，降低了支護(hù)成本，而且擴(kuò)大了有效利用空間，巷道基本不需要翻修，具有很好的支護(hù)效果，滿足于實(shí)際生產(chǎn)的支護(hù)要求。

Supporting Technology of Soft Thick Coal Seams

Liu Xinkun Wang Aiguo Song Guangcheng

In order to solve the supporting problems of soft thick seam,YongAn Coal Industry Co.,Ltd.,together with Liaoning Technical University,analyzed the anchor,anchor rope,metal mesh,steel ladder joint support design,measured the actual supporting parameters,and analyze laneway surface displacement,absciss layer and other mine pressure data,summarize a successful joint support technology of anchor,anchor rope,metal mesh,steel ladder.

soft thick coal seam tunneling；anchor；anchor rope；metal mesh；steel ladder

TD353

A

1000-4866（2011）03-0025-05

劉新坤，男，1972年9月出生，1993年7月遼源煤校（采煤專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在通化礦務(wù)局生產(chǎn)技術(shù)處工作，工程師。

王愛(ài)國(guó)，男，1967年11月出生，1993年7月通化礦務(wù)局職工中專（采煤專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在臨江市永安煤業(yè)有限責(zé)任公司工作，助理工程師。

宋廣成，男，1977年9月出生，2010年7月遼寧工程技術(shù)大學(xué)（采礦技術(shù)專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在臨江市永安煤業(yè)有限責(zé)任公司工作，技術(shù)員。

2011-06-16

2011-07-07