新陽(yáng)礦煤柱錨桿巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

張仰龍

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司，山西 介休 032000)

1 工作面地質(zhì)概況

1.1 工作面概況

新102工作面位于新一采區(qū)東翼，新102工作面北鄰南軌道上山保安煤柱，西鄰新104工作面(2006～2007年已回采9#、10#和11#煤層)，兩工作面間凈煤柱尺寸為30m，南至韓家灘保安煤柱。如圖1所示。

新102工作面地面標(biāo)高為+865～+980m，煤層標(biāo)高為+580～+680m，平均埋深約為292m左右，工作面開(kāi)采太原組10#～11#煤合并層，局部開(kāi)采9#～10#～11#煤合并層，煤層總厚平均7.2m，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤種為瘦煤，穩(wěn)定可采。

1.2 巷道布置方式

新102工作面開(kāi)采10#～11#煤合并層，由于合并層10#～11#煤直接底為粘土泥巖，遇水膨脹，故將新102工作兩巷沿煤層底板布置，頂板為0.1m的標(biāo)志層，底板留設(shè)300mm的浮煤。

新102工作面材料巷布置在新102工作面和新104工作面煤柱下方，如圖1所示，新102工作面材料巷距離上部902工作面煤層采空區(qū)凈煤柱尺寸約為8m，距離新104材料巷距離22m，，此時(shí)新102運(yùn)輸巷正好處于工作面保護(hù)煤柱應(yīng)力峰值影響的范圍內(nèi)，故巷道壓力很大，巷道維護(hù)困難。

1.3 巷道圍巖條件

根據(jù)礦方提供的資料，新102工作面煤層直接頂是2.0m厚的灰黑色石灰?guī)r，之上為1.75m的灰黑色泥巖，老頂為6.24m的深灰色石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤，直接底為0.3m的碳質(zhì)泥巖和0.53m的灰色粘土泥巖，下方為7.41m厚的黑色及灰色泥巖。

圖1 新102工作面概況示意圖

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤巖層為單斜構(gòu)造區(qū)。煤巖層產(chǎn)狀為走向北西，傾向北東。根據(jù)相鄰新104工作面知，掘進(jìn)至切眼附近時(shí)，將揭露2條正斷層，斷層落差不大，對(duì)掘進(jìn)不會(huì)造成較大影響。

1.5 水文地質(zhì)條件

工作面上覆含水層為K2、K3、K4三層灰?guī)r含水層，其水量較豐富，對(duì)本工作面掘進(jìn)有一定影響；新102工作面布置在已采902工作面下方，采空區(qū)可能存有一定積水，對(duì)掘進(jìn)支護(hù)有一定影響。下伏含水層為奧陶紀(jì)石灰?guī)r含水層，其水量豐富，水位標(biāo)高低于煤層底板標(biāo)高，故在掘進(jìn)期間必須準(zhǔn)備好足夠的排水設(shè)施，堅(jiān)持“有掘必探”的原則，對(duì)其進(jìn)行探放水工作，確保安全生產(chǎn)。

1.6 瓦斯及煤塵特點(diǎn)

新陽(yáng)礦井屬低瓦斯礦井，瓦斯涌出情況較少。工作面煤層具有發(fā)火傾向和自燃發(fā)火現(xiàn)象，發(fā)火期為4～6個(gè)月。煤塵具有強(qiáng)烈爆炸性，爆炸指數(shù)9#煤為18.32％，10#煤為18.7％，11#煤為18.44％。

1.7 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

采用錨桿拉拔計(jì)確定樹(shù)脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度。該測(cè)試工作必須在井下施工之前進(jìn)行完畢。測(cè)試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹(shù)脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計(jì)錨固深度上進(jìn)行三組拉拔試驗(yàn)。粘結(jié)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后方可在井下施工中采用。

2 巷道支護(hù)形式和參數(shù)選擇原則

針對(duì)新陽(yáng)煤礦新一采區(qū)新102工作面10#～11#煤合并層地質(zhì)及生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，提出以下設(shè)計(jì)原則：

2.1 一次支護(hù)原則

錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。一方面，這是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程，需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會(huì)受到顯著影響。

2.2 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則

預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

2.3 “三高一低”原則

即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、全長(zhǎng)錨固)，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。

2.4 臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則

錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)大于臨界值。

3 設(shè)計(jì)原則

3.1 支護(hù)參數(shù)確定原則

1) 支護(hù)設(shè)計(jì)確保支護(hù)安全，避免在服務(wù)期間進(jìn)行維修或僅進(jìn)行局部維修。

2) 支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格具有較好的適應(yīng)性和施工可行性，由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護(hù)合理性考慮，可能出現(xiàn)多種支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格，但這將不利于巷道施工和管理。所以，盡可能采用統(tǒng)一的支護(hù)參數(shù)和材料規(guī)格。

3) 支護(hù)設(shè)計(jì)要在保證支護(hù)質(zhì)量的同時(shí)有利于提高巷道掘進(jìn)速度。

4) 在滿足前三項(xiàng)原則的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)

1) 已掘巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況和礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2) 理論分析及數(shù)值計(jì)算成果。

3) 新一采區(qū)工作面詳細(xì)地質(zhì)資料。

4 新102工作面材料順槽初始設(shè)計(jì)

考慮到新102工作面運(yùn)輸巷正好處于煤柱應(yīng)力峰值影響范圍內(nèi)，由于運(yùn)輸巷斷面較大，礦方?jīng)Q定將新102工作面兩巷位置進(jìn)行互相調(diào)整，將斷面較小的材料巷布置在煤柱應(yīng)力影響范圍內(nèi)，根據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)新一采區(qū)新102工作面材料巷掘進(jìn)斷面尺寸：巷道斷面呈矩形，寬4.3m，高3.0m，掘進(jìn)斷面積12.9m2。

4.1 頂板支護(hù)

4.1.1 錨桿

錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.2m，桿尾螺紋為M24。

錨固方式：樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為M2360。鉆孔直徑為28 mm。

W鋼帶規(guī)格：采用W鋼帶護(hù)頂，鋼帶規(guī)格：厚度3mm，寬280mm，長(zhǎng)度4200mm。

錨桿配件：托盤(pán)采用高強(qiáng)度拱型托盤(pán)，規(guī)格為150mm×150mm×10mm。

錨桿角度：錨桿盡量全部垂直頂板安設(shè)，角錨桿由于靠近煤幫，現(xiàn)場(chǎng)操作存在一定困難，要求和頂板角度不超過(guò)10°。

網(wǎng)片規(guī)格：采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格4500mm×1100mm。

錨桿布置：錨桿排距900mm，每排4根錨桿，間距1000mm。

錨桿預(yù)緊力矩：≥300N·m。

4.1.2 錨索

錨索形式和規(guī)格：錨索材料為Φ17.8mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度5300mm，鉆孔直徑28mm，采用一支K2335和兩支M2360低粘度樹(shù)脂藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度1600mm；

錨索托盤(pán)：采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度托板及配套鎖具。

錨索布置：錨索采用“五花”布置，每900mm打2根錨索，錨索間距為2000mm，之后隔900mm在巷道中間打設(shè)一根錨索，錨索均垂直頂板巖層打設(shè)。

4.2 兩幫支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.2m，桿尾螺紋為M24。

錨固方式：樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用一支錨固劑，規(guī)格為M2360，鉆孔直徑為30mm。

W護(hù)板規(guī)格：采用W鋼護(hù)板護(hù)幫，鋼帶厚度3mm，寬280mm，長(zhǎng)度400mm。

錨桿配件：托盤(pán)采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，規(guī)格為150mm×150mm×10mm。

網(wǎng)片規(guī)格：采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格2900 mm×1000mm。

錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距800mm。

錨桿角度： 垂直巷幫打設(shè)。

錨桿預(yù)緊力矩：≥300N·m。

新一采區(qū)新102工作面材料巷支護(hù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

5 特殊條件處理措施

巷道每超寬500mm時(shí)，補(bǔ)打一根單體錨桿，超寬1000mm時(shí)，補(bǔ)打一根錨索。當(dāng)巷道超高500～1000mm時(shí)，應(yīng)在距正常巷幫底部位置補(bǔ)打一根單體錨桿，高頂距離較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)補(bǔ)打一根錨索，錨索規(guī)格為φ17.8-1×7-5300mm。如遇巷道頂板和兩幫不平、巷道淋水以及其它簡(jiǎn)單地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，適當(dāng)縮小錨桿錨索排距，并保證施工質(zhì)量；如遇巷道條件變化較大，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系生產(chǎn)技術(shù)部門(mén)并通知設(shè)計(jì)單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定巷道的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。

說(shuō)明：錨桿預(yù)緊力是巷道支護(hù)的關(guān)健因素，必須及時(shí)施加預(yù)緊力，優(yōu)先保證錨桿施工質(zhì)量，將錨桿外露長(zhǎng)度不作為施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的考核指標(biāo)中，但必須控制鉆孔深度，保證錨桿外露長(zhǎng)度不超過(guò)100mm。

6 支護(hù)材料

新一采區(qū)新102工作面兩巷支護(hù)材料見(jiàn)表1。

7 井下施工工藝和安全措施

井下施工是該項(xiàng)目的關(guān)鍵部分，所以必須按照設(shè)計(jì)要求，保證施工質(zhì)量。

7.1 施工前的準(zhǔn)備工作

1) 準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的一切材料、 機(jī)具和礦壓觀測(cè)儀器，并保證質(zhì)量。

圖2 新一采區(qū)新102工作面材料

表1 新一采區(qū)新102工作面運(yùn)輸巷支護(hù)材料清單

2) 對(duì)施工隊(duì)伍進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)， 使其了解試驗(yàn)?zāi)康?，施工工藝和要求，掌握有關(guān)機(jī)具的操作，以便在井下施工中保證質(zhì)量。

7.2 施工工藝和技術(shù)要求

施工工序包括掘進(jìn)和支護(hù)部分。巷道頂板支護(hù)的施工工藝流程：掘進(jìn)→打掉危巖出煤→臨時(shí)支護(hù)→鉆頂板中部錨桿孔→清孔→安裝樹(shù)脂藥卷和錨桿→用錨桿機(jī)攪拌樹(shù)脂藥卷至規(guī)定時(shí)間→停止攪拌并等待1分鐘左右→鋪金屬網(wǎng)→上W鋼帶、托盤(pán)、螺母→擰緊螺母→從中向外依次安裝其它頂板錨桿。

8 結(jié)論

現(xiàn)有的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法很多，如基于以往經(jīng)驗(yàn)和圍巖分類的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，基于某種假說(shuō)和解析計(jì)算的理論設(shè)計(jì)法，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計(jì)法。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，單獨(dú)采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn)，因而達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)效果。只有采用包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和已有經(jīng)驗(yàn)確定出比較合理的初始設(shè)計(jì)。然后將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下，并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證或修正初始設(shè)計(jì)。正常施工后還要進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，保證巷道安全。

[1]王勝康，李崇茂，孫玉亮.深部圍巖巷道支護(hù)技術(shù)[J].山西焦煤科技，2011(6):4-7.

[2]賀海峰.回采巷道錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].山東煤炭科技，2012(3):43-44.