關于煤柱錨桿巷道支護設計的研究

摘 要:在煤礦開采過程中，為保證增大回收率，部分巷道需要在煤柱中掘進。這些巷道兩邊為采空區(qū)，支護方式的合理選擇，對掘進施工質量及施工進度影響較大。為提高巷道掘進施工質量及施工速度，在不改變掘進方法、不增添新設備、不增加施工人員的前提下，通過分析圍巖強度、圍巖結構、地應力及錨固性能測試，提出了合理的錨桿支護設計，在施工的應用中取得了明顯的效果。新陽煤業(yè)在新102材料巷進行了實地試驗，并做好了詳細的監(jiān)測及記錄在巷道兩幫壓力控制上取得了良好的效果，值得推廣。

關鍵詞:煤柱 錨桿 支護 研究

中圖分類號:TD353文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0048-04

1 工作面地質概況

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年至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。新102工作面地面標高為+865m～+980m，煤層標高為+580m～+680m，平均埋深約為292m左右，工作面開采太原組10～11#煤合并層，局部開采9#～10#～11#煤合并層，煤層總厚平均7.2m，屬復雜結構煤層，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的標志層，底板留設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，此時新102運輸巷正好處于工作面保護煤柱應力峰值影響的范圍內，故巷道壓力很大，巷道維護困難。

1.3 巷道圍巖條件

新102工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示，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，致密堅硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤，直接底為0.3m的碳質泥巖和0.53m的灰色粘土泥巖，下方為7.41m厚的黑色及灰色泥巖。

1.4 地質構造

工作面地質結構簡單，煤巖層基本為單斜構造區(qū)。煤巖層產(chǎn)狀為走向北西，傾向北東，另外根據(jù)相鄰新104工作面知，掘進至切眼附近時，將揭露2條正斷層，斷層落差不大，預計對掘進不會造成較大影響。

1.5 水文地質條件

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，對本工作面掘進有一定影響;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，對掘進支護有一定影響。下伏含水層為奧陶紀石灰?guī)r含水層，其水量豐富，水位標高低于煤層底板標高，故在掘進期間必須準備好足夠的排水設施，堅持“有掘必探”的原則，對其進行探放水工作，確保安全生產(chǎn)。

工作面最大涌水量為50m3/h，正常涌水量為10～30m3/h。

1.6 瓦斯及煤塵特點

新陽礦井屬低瓦斯礦井，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個月。煤塵具有強烈爆炸性，爆炸指數(shù)9#煤為18.32%，10#煤為18.7%，11#煤為18.44%。

1.7 粘結強度測試

采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。測試應采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設計錨固深度上進行三組拉拔試驗。粘結強度滿足設計要求后方可在井下施工中采用。

2 巷道支護形式和參數(shù)選擇原則

針對新陽煤礦新一采區(qū)新102工作面10#～11#煤合并層地質及生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿支護的作用，提出以下設計原則有以下幾點。

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

(2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù)，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力;另一方面，通過托板、鋼帶等構件實現(xiàn)錨桿預應力的擴散，擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

(3)“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應力、全長錨固)，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。

(4)臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應大于臨界值。

(5)相互匹配原則。錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。

(6)可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。

(7)在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

3 設計原則

3.1 支護參數(shù)確定原則

(1)支護設計確保支護安全，避免在服務期間進行維修或僅進行局部維修。(2)支護參數(shù)和支護材料規(guī)格具有較好的適應性和施工可行性，由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護合理性考慮，可能出現(xiàn)多種支護參數(shù)和支護材料規(guī)格，但這將不利于巷道施工和管理。所以，盡可能采用統(tǒng)一的支護參數(shù)和材料規(guī)格。(3)支護設計要在保證支護質量的同時有利于提高巷道掘進速度。(4)在滿足前三項原則的前提下，做到經(jīng)濟合理。

3.2 支護參數(shù)確定的依據(jù)

(1)已掘巷道現(xiàn)有支護狀況和礦壓觀測數(shù)據(jù)。(2)理論分析及數(shù)值計算成果。(3)新一采區(qū)工作面詳細地質資料。(4)現(xiàn)有科技成果和工程實踐經(jīng)驗。

4 新102工作面材料順槽初始設計

考慮到新102工作面運輸巷正好處于煤柱應力峰值影響范圍內，由于運輸巷斷面較大，礦方?jīng)Q定將新102工作面兩巷位置進行互相調整，將斷面較小的材料巷布置在煤柱應力影響范圍內，根據(jù)掘進過程中設備尺寸，通風要求和巷道圍巖變形預留量，設計新一采區(qū)新102工作面材料巷掘進斷面尺寸:巷道斷面呈矩形，寬4.3m，高3.0m，掘進斷面積12.9m2。巷道采用樹脂加長錨固錨桿錨索組合支護系統(tǒng)。

4.1 頂板支護

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

錨固方式:樹脂加長錨固，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。

W鋼帶規(guī)格:采用W鋼帶護頂，鋼帶規(guī)格:厚度3mm，寬280mm，長度4200mm。

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

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

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

錨桿布置:錨桿排距900mm，每排4根錨桿，間距1000mm。

錨桿預緊力矩:≥300N·m。

錨索:錨索形式和規(guī)格:錨索材料為17.8mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度5300mm，鉆孔直徑28mm，采用一支K2335和兩支M2360低粘度樹脂藥卷錨固，錨固長度1600mm;

錨索托盤:采用300mm×300mm×16mm高強度托板及配套鎖具。

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在巷道中間打設一根錨索，錨索均垂直頂板巖層打設。

錨索預緊力:200kN～250kN。

4.2 兩幫支護

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

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

W護板規(guī)格:采用W鋼護板護幫，鋼帶厚度3mm，寬280mm，長度400mm。

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

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

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。

錨桿預緊力矩:≥300N·m。

新一采區(qū)新102工作面材料巷支護設計見圖3。

5 特殊條件處理措施

巷道每超寬500mm時，補打一根單體錨桿，超寬1000mm時，補打一根錨索。當巷道超高500mm～1000mm時，應該在距正常巷幫底部位置補打一根單體錨桿，高頂距離較長時，應該補打一根錨索，錨索規(guī)格為17.8-1×7-5300mm。如遇巷道頂板和兩幫不平、巷道淋水以及其它簡單地質構造時，適當縮小錨桿錨索排距，并保證施工質量;如遇巷道條件變化較大，應及時聯(lián)系生產(chǎn)技術部門并通知設計單位根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定此段巷道的支護方式及支護參數(shù)。

說明:錨桿預緊力是巷道支護的關健因素，必須及時施加預緊力，優(yōu)先保證錨桿施工質量，將錨桿外露長度不作為施工質量標準化的考核指標中，但必須控制好鉆孔深度，盡量保證錨桿外露長度不超過100mm。

6 支護材料

新一采區(qū)新102工作面兩巷支護材料見表1所列。

7 井下施工工藝和安全措施

井下施工是該項目的關鍵部分，所以必須按照設計要求，保證施工質量。

7.1 施工前的準備工作

(1)準備好試驗所需的一切材料、機具和礦壓觀測儀器，并保證質量。(2)對施工隊伍進行技術培訓，使其了解試驗目的，施工工藝和要求，掌握有關機具的操作，以便在井下施工中保證質量。

7.2 施工工藝和技術要求

施工工序包括掘進和支護兩大部分。巷道頂板支護的施工工藝流程為:掘進→打掉危巖出煤→臨時支護→鉆頂板中部錨桿孔→清孔→安裝樹脂藥卷和錨桿→用錨桿機攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間→停止攪拌并等待1min左右→鋪金屬網(wǎng)→上W鋼帶、托盤、螺母→擰緊螺母→從中向外依次安裝其它頂板錨桿。

幫錨桿施工工藝:鉆孔、清孔→安裝樹脂藥卷和錨桿→攪拌樹脂藥卷→等待1min左右→掛網(wǎng)→上鋼護板、螺母→擰緊螺母→依次安裝其它幫錨桿。

錨索施工工藝:定錨索孔位→用錨索鉆機鉆進錨索鉆孔→清孔→往鉆孔內放入樹脂藥卷→用錨索頭部頂住樹脂藥卷并送入孔底→升起錨索鉆機并用攪拌器聯(lián)接錨索鉆機和錨索尾部→轉動錨索鉆機攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為15s～30s)→停止攪拌等待規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為1min)后收縮錨桿機卸下攪拌器→等待15min→套上托板安裝錨具→用張拉設備張拉錨索直到預緊力為200kN以上。

7.2.1 技術要求

(1)掘進。要求按設計尺寸施工，保證成形質量。不得超挖或欠挖。巷道掘進尺寸與設計尺寸相差不得超過200mm。割煤完成后，應盡可能將浮煤清理干凈，特別是兩幫附近的浮煤，以防造成幫底腳錨桿安裝困難。

(2)臨時支護。采用前探梁進行臨時支護。

(3)安裝頂錨桿。錨桿應緊跟掘進頭及時支護，空頂距不得超過1.2m。當頂板比較破碎時，應適當縮小空頂范圍。錨桿孔采用單體風動錨桿機完成。先用1.2m的短釬桿，后換2.4m的長釬桿，采用28mm鉆頭。鉆孔時錨桿機升起，使鉆頭頂在頂板對應的位置，然后開動錨桿機進行鉆孔。孔深要求為2100±30mm，并保證鉆孔垂直巖面。鉆頭鉆到預定孔深后下縮錨桿機，同時清孔，清除煤粉和泥漿。放入樹脂藥卷。錨桿桿尾通過安裝器與錨桿機機頭聯(lián)接，桿端插入已裝好樹脂藥卷的鉆孔中，升起錨桿機，將孔口處的藥卷送入孔底。利用錨桿機攪拌樹脂藥卷。樹脂藥卷攪拌是錨桿安裝中的關鍵工序，攪拌時間按廠家要求嚴格控制。同時要求攪拌過程連續(xù)進行，中途不得間斷。停止攪拌后等待1min左右。利用錨桿鉆機擰緊螺母，之后使用扭矩倍增器或者風動扳手，使錨桿預緊力矩應達到“300N·m”以上。錨桿排距誤差不得超過設計值±50mm。

(4)安裝幫錨桿。幫錨桿安裝應緊跟迎頭，最大空幫距離不得超過2.4m。當煤幫斜茬發(fā)育，容易造成片幫時，幫錨桿必須緊跟迎頭及時打設，不得出現(xiàn)空幫現(xiàn)象，以防片幫造成錨桿外露太長，報廢錨桿。錨桿間排距誤差不得超過設計值50mm。兩幫孔深要求2100mm±30mm，并保證鉆孔角度。采用鉆機攪拌，之后使用扭矩倍增器或者風動扳手，使錨桿預緊力矩應達到“300N·m”以上。其它技術要求同頂板錨桿。

(5)安裝錨索。錨索應緊跟掘進工作面安裝，可以不與錨桿同步安裝，但是滯后時間不超過1個班的作業(yè)時間。頂板錨索孔深控制在5950mm～6050mm內。安裝樹脂藥卷，先放入1個K2335快速樹脂藥卷，然后放入2個M2360慢速樹脂藥卷。插入錨索將樹脂藥卷推至孔底。錨索下端用專用攪拌器與錨索鉆機相連，開機攪拌。先慢后快，待錨索全部插入鉆孔后，采用全速旋轉攪拌規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為15s～30s)。停止攪拌后等待規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為1min)，收縮錨桿機，卸下攪拌器。攪拌后錨索外露長度應控制在300mm以內。張拉錨索:等待15min后裝上托板、錨具，用張拉千斤頂張拉錨索至設計預緊力(>200kN)，之后卸下千斤頂。錨索間距誤差不得超過設計值±50mm。

7.2.2 安全技術措施

(1)須定期進行井下錨桿錨固力拉拔試驗，拉拔試驗時錨固力不得低于桿體的屈服載荷(125kN)，每次數(shù)量不少于3根。如果發(fā)現(xiàn)錨桿實際錨固力與設計值相差較大，必須對錨固參數(shù)進行調整和修改。

(2)為了保證施工質量，須對錨桿錨固力進行抽檢(10%的比例)，抽檢指標為錨桿錨固力不得低于125kN。發(fā)現(xiàn)不合格錨桿，應在其周圍補打錨桿。

(3)掘進時形成的巷幫超寬或片幫超寬時，應及時處理，可采用補打單體錨桿的方法進行補強。

(4)巷道地質條件發(fā)生變化時，應根據(jù)變化程度，調整支護參數(shù)或采取應急措施及時處理，如采用掛網(wǎng)和補打錨索加固。

(5)試驗過程中，每隔50m在頂板安裝一個離層指示儀，觀測圍巖移動情況。一旦發(fā)生異常現(xiàn)象，觀測人員應立即報告有關領導，以便采取相應措施。

(6)金屬網(wǎng)的鋪設、連接要求:網(wǎng)與網(wǎng)之間的壓接寬度100mm，要求每勾必掛。

(7)張拉錨索時，每次使用要兩人協(xié)作，張拉油缸應與鋼絞線保持在同一軸線上，加壓后，工具錨卡住鋼絞線方能松手，并用8#鐵絲將千斤頂綁在頂網(wǎng)上。操作人員要避開張拉缸軸線方向，以保證安全。

(8)張拉時，發(fā)現(xiàn)不合格錨索，必須在其附近300mm的范圍內補打合格錨索。

8 結語

現(xiàn)有的錨桿支護設計方法很多，如基于以往經(jīng)驗和圍巖分類的經(jīng)驗設計法，基于某種假說和解析計算的理論設計法，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎的監(jiān)控設計法。大量實踐經(jīng)驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復雜性和多變性的特點，因而達不到理想的設計效果。只有采用包括試驗點調查和地質力學評估、初始設計、井下監(jiān)測和信息反饋、修正設計和日常監(jiān)測的動態(tài)信息設計方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學的設計方法。其中試驗點調查包括圍巖強度、圍巖結構、地應力及錨固性能測試等內容，在此基礎上進行地質力學評估，為初始設計提供可靠的參數(shù)。初始設計采用井下實測和經(jīng)驗法相結合的方法進行，根據(jù)井下實測數(shù)據(jù)和已有經(jīng)驗確定出比較合理的初始設計。然后將初始設計實施于井下，并進行詳細的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果驗證或修正初始設計。正常施工后還要進行日常監(jiān)測，保證巷道安全。