常村煤礦N3皮帶上山原支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)估及優(yōu)化

李洪濤，吳建星

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 200108；2．山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046104；3．天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

常村煤礦N3皮帶上山原支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)估及優(yōu)化

李洪濤1，2，吳建星3

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 200108；2．山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046104；3．天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

常村煤礦N3皮帶上山由于原支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，造成巷道變形量較大，掘進(jìn)速度較慢等，嚴(yán)重影響巷道及礦井的安全生產(chǎn)。本文在對(duì)N3皮帶上山充分調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)資料的基礎(chǔ)上，依據(jù)強(qiáng)力一次支護(hù)原則，采用理論分析、數(shù)值模擬手段并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)提出了優(yōu)化方案，并進(jìn)行了表面位移監(jiān)測(cè)，得出兩幫最大移近量為16 mm，頂板最大下沉量為14 mm，巷道變形量減小85%，支護(hù)效果明顯。通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益分析表明，新支護(hù)方案每米支護(hù)材料費(fèi)用減少744．48元，成本節(jié)約26%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

錨桿支護(hù)；支護(hù)評(píng)估；高預(yù)應(yīng)力；強(qiáng)力錨桿

支護(hù)設(shè)計(jì)是巷道錨桿支護(hù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)越性和保證巷道的安全具有十分重要的意義［1-2］。支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，將會(huì)造成支護(hù)材料的浪費(fèi)和掘進(jìn)速度的降低；支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，巷道圍巖發(fā)生離層破壞及變形，容易發(fā)生冒頂事故，影響礦井安全生產(chǎn)。

常村煤礦位于山西省屯留縣境內(nèi)，是潞安集團(tuán)的一個(gè)特大型現(xiàn)代化礦井，主要開(kāi)采3＃煤層。3＃煤層位于山西組的中下部，總厚度為5．7～6．47 m，平均厚度6．42 m：含夾矸1層，平均厚度0．2 m，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單煤層。N3皮帶上山采用錨桿支護(hù)，原始支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工后，出現(xiàn)一些影響巷道安全高效快速生產(chǎn)的問(wèn)題，必須對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與地質(zhì)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為N3皮帶上山，主要用于N3采區(qū)輔助運(yùn)輸及進(jìn)風(fēng)行人，沿3＃煤層底板掘進(jìn)，東至采區(qū)邊界，南臨N3采區(qū)新設(shè)計(jì)的N3采區(qū)軌道上山（未掘），西接N翼皮帶巷，北臨N3采區(qū)1＃回風(fēng)上山（正在掘進(jìn)）。設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 641 m，N3皮帶上山與N3軌道上山及N3采區(qū)1＃回風(fēng)上山之間凈煤柱均為50 m。巷道布置平面圖見(jiàn)圖1。3＃煤層平均厚度為6．42 m，直接頂為平均1．15 m的泥巖，老頂為3．43 m的中砂巖，直接底板為平均0．95 m的細(xì)砂巖。煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖見(jiàn)圖2。

圖1 常村煤礦N3皮帶上山布置示意圖

圖2 頂板綜合柱狀圖

N3皮帶上山總的構(gòu)造形態(tài)為背斜構(gòu)造，呈東西走向，從開(kāi)口處到1 098 m處，可能會(huì)揭露KF4斷層，該斷層預(yù)計(jì)落差為0～4 m，同時(shí)在施工中還將會(huì)受到煤質(zhì)松軟、瓦斯、煤塵、頂板淋水影響。

2 原始支護(hù)方案

N3皮帶上山采用矩形斷面掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為5．0 m×3．2 m，凈斷面16 m2，已掘進(jìn)800余m，已掘進(jìn)巷道采用的支護(hù)方式為讓壓錨桿支護(hù)。支護(hù)方案由礦方采用類比法進(jìn)行確定，具體支護(hù)參數(shù)如下：錨桿型號(hào)NMG-2224，桿體材質(zhì)為500＃鋼，長(zhǎng)度2．4 m，錨桿間距900 mm，排距1 000 mm。頂錨桿采用2支CK2350錨固劑錨固，除頂角錨桿安設(shè)角度與垂線成20°外偏角，其它頂錨桿均垂直安設(shè)；幫錨桿采用2支規(guī)格為Z2350中速樹(shù)脂錨固劑錨固，除幫角錨桿與垂線成10°外偏角打設(shè)，其它幫錨桿垂直煤墻打設(shè)。采用雙鋼筋托梁護(hù)頂護(hù)幫，規(guī)格分別為：d16×4 800× 130-900（mm）和d14×2 900×120-900（mm）。錨桿預(yù)緊扭矩要求300 Nm。同時(shí)，五花錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，采用直徑為17．8 mm，長(zhǎng)度為8 300 mm的錨索，錨索間距2 100 mm，排距1 000 mm。錨索初始預(yù)緊力為100 kN。初始支護(hù)圖見(jiàn)圖3。

圖3 N3皮帶上山原始支護(hù)方案

3 初始支護(hù)評(píng)估分析

3．1 原支護(hù)參數(shù)評(píng)估

對(duì)常村煤礦N3皮帶上山原支護(hù)情況進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)存在以下不足：

1）支護(hù)設(shè)計(jì)中，僅依靠工程類比法和經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，支護(hù)參數(shù)缺乏科學(xué)依據(jù)。

2）現(xiàn)井下錨桿采用的是500＃鋼材，錨桿桿體強(qiáng)度相對(duì)較大，但對(duì)錨桿鋼材的沖擊吸收功參數(shù)不明。建議采用的錨桿鋼材的沖擊吸收功要大于40 J。

3）現(xiàn)在采用的為d17．8 mm的錨索，延伸率4%。由于鉆孔直徑為d28 mm，因此，錨索存在“三徑”不匹配的問(wèn)題，而且由于錨索強(qiáng)度較小，延伸率較低，強(qiáng)度與錨桿強(qiáng)度不匹配。

4）錨索五花布置，錨索打設(shè)過(guò)密。由于錨索長(zhǎng)度較大，為8．3 m，影響施工速度。

5）現(xiàn)采用的為雙鋼筋梯梁，由于鋼筋梯梁的護(hù)頂護(hù)幫面積較小，應(yīng)力傳遞能力較差，施加較大的預(yù)緊力后梯梁的雙筋容易壓入到煤體中，破壞煤體，且強(qiáng)度與500＃鋼錨桿不相匹配。

6）角錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)逐步分離，疊加區(qū)域越來(lái)越小。當(dāng)頂板角錨桿角度達(dá)到15°，兩個(gè)壓應(yīng)力區(qū)明顯分離，幫部底角錨桿下傾，煤粉排出困難，錨桿容易失效。

3．2 原始支護(hù)效果分析

采用原支護(hù)方案時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工中發(fā)生巷道兩幫移近最大量為436 mm，頂板最大下沉量為38 mm，并且部分錨桿及錨索發(fā)生破斷。其原因主要為：

1）原支護(hù)設(shè)計(jì)中存在以上不足，只簡(jiǎn)單通過(guò)提高支護(hù)密度及材料強(qiáng)度來(lái)提高支護(hù)強(qiáng)度，不重視提高支護(hù)剛度，造成巷道產(chǎn)生變形及破壞。

2）原支護(hù)中采用的錨桿沖擊吸收功不足，造成錨桿發(fā)生沖擊破壞，發(fā)生支護(hù)失效，引起巷道發(fā)生變

形破壞。

4 支護(hù)方案優(yōu)化

4．1 優(yōu)化原則及依據(jù)

針對(duì)原支護(hù)方案中存在的不足，首先進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，在地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)與生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)理論，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)踐，提出初始支護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。

4．2 優(yōu)化后支護(hù)方案

錨桿桿體材質(zhì)為SMG 500＃鋼，直徑為22 mm，長(zhǎng)度2．4 m，沖擊吸收功不低于40 J，頂幫錨桿間距分別為1 100 mm和1 200 mm，排距均1 000 mm。錨桿使用1支K2335和1支Z2360的樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固。頂錨桿垂直頂板打設(shè)，幫錨桿垂直巷幫打設(shè)。采用W鋼帶護(hù)頂，規(guī)格為：W280×4×4800-1100-5，W鋼護(hù)板護(hù)幫，規(guī)格為：W280×4×450。錨桿預(yù)緊扭矩均要求400 Nm。同時(shí)，每?jī)膳佩^桿打設(shè)兩根強(qiáng)力錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，錨索間距為2 200 mm，排距為1 800 mm。錨桿材料為22 mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6 300 mm，鉆孔直徑30 mm，采用1支K2335和2支Z2360樹(shù)脂藥卷錨固。錨索預(yù)緊力為250 kN。優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖4。

4．3 優(yōu)化后支護(hù)效果

采用優(yōu)化方案后，巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖5。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，兩幫最大移近量為16 mm，頂板最大下沉量為14 mm，巷道變形量減小85%，支護(hù)效果非常明顯。此外，巷道中未發(fā)生錨桿錨索破斷現(xiàn)象。主要原因?yàn)椋?）高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)在提高支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)施加較高預(yù)緊力，并采用護(hù)表構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到圍巖中，提高了整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的剛度，發(fā)揮了錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)作用，防止離層破碎的發(fā)生，保證圍巖的完整性。2）支護(hù)材料中錨桿具有較大沖擊吸收功，有效減少了錨桿破斷現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)采用的強(qiáng)力錨索延伸率較大，強(qiáng)度較高，防止了錨索發(fā)生破斷。

圖5 N3皮帶上山優(yōu)化后表面位移監(jiān)測(cè)曲線

5 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益對(duì)比分析

1）由于優(yōu)化后，每排錨桿打設(shè)減小3根，錨索打設(shè)減小1．5根，將會(huì)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)支護(hù)材料核算，原設(shè)計(jì)支護(hù)形式每米巷道支護(hù)材料費(fèi)用為2 880．14元，而優(yōu)化后支護(hù)形式每米巷道支護(hù)材料費(fèi)用為2 135．66元，與原設(shè)計(jì)支護(hù)形式相比，每米支護(hù)材料費(fèi)用減少744．48元，成本節(jié)約26%。

2）采用優(yōu)化支護(hù)系統(tǒng)后，顯著提高了支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度，在保證巷道安全前提下，減少了錨桿支護(hù)密度，提高了掘進(jìn)速度，不但產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來(lái)了明顯的社會(huì)效益。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：a）顯著提高了掘進(jìn)速度，有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。b）通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度和剛度，有效控制圍巖的變形，顯著提高了巷道支護(hù)的可靠性，從而大大降低了錨桿支護(hù)發(fā)生冒頂事故的可能性，提高了工人作業(yè)環(huán)境的安全性。c）優(yōu)化采用的方法、支護(hù)理論及技術(shù)等同時(shí)適用于其他類似條件的巷道支護(hù)，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

6 主要結(jié)論

1）常村煤礦N3皮帶上山原支護(hù)方案采用類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，只簡(jiǎn)單增加支護(hù)強(qiáng)度和密度，未增加支護(hù)剛度，產(chǎn)生巷道變形，錨桿錨索破斷，掘進(jìn)速度低下，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

2）依據(jù)優(yōu)化原則對(duì)N3皮帶上山支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案在保證巷道安全的前提下，通過(guò)增加支護(hù)系

統(tǒng)剛度來(lái)降低支護(hù)密度，提高支護(hù)效果。

3）支護(hù)方案優(yōu)化后進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，兩幫最大移近量為16 mm，頂板最大下沉量為14 mm，巷道變形減小85%。表明優(yōu)化后的強(qiáng)力一次支護(hù)系統(tǒng)能夠有效控制巷道變形。

4）優(yōu)化后的強(qiáng)力一次支護(hù)系統(tǒng)與原讓壓支護(hù)系統(tǒng)相比，經(jīng)濟(jì)效益明顯，支護(hù)材料成本節(jié)約26%，同時(shí)具有顯著的社會(huì)效益和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng)．預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（7）：721-726．

［2］吳擁政．錨桿桿體的受力狀態(tài)及支護(hù)作用研究［D］．北京：煤炭科學(xué)研究總院碩士學(xué)位論文，2009．

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［6］吳建星．錨桿托板的力學(xué)性能研究［D］．北京：煤炭科學(xué)研究總院碩士學(xué)位論文，2009．

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Evaluation and Optimization on Original Supporting Design of N3 Belt Rise Heading in Changcun Coal Mine

Li Hong-tao，Wu Jian-xing

The original supporting design of N3 belt rise heading in Changcun coal mine was unreasonable，caused larger deformation of roadway，slower driving speed and etc．，seriously affected production safety of the roadway and the coal mine．In this paper，based on adequately surveying field data of the N3 belt rise heading and according to the high strength first supporting principles，using theoretical analysis，numerical simulation and combined with on-site experience，puts forward the optimization program and carries out surface displacement monitoring，obtains the maximum convergence displacement between two sides is16mm，the roof subsidence is14mm，the roadway deformation reduced 85%．Supporting effect was very obvious．Through analyzing the economic benefits shows that the new support program per meter supporting material costs decreased 744．48 yuan，saves costs26%．The new support program has obvious economic benefits．

Bolt support；Supporting evaluation；High pretensioned stress；High strength bolt

TD353+．6

B

1672-0652（2013）05-0011-04

2013-03-06

李洪濤（1981—），男，吉林洮南人，2010年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在職碩士研究生，工程師，主要從事井下生產(chǎn)技術(shù)管理工作（E-mail）308196472＠qq．com