基于自然平衡拱的巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用與研究

秦香果 孫曉東

(1.山西煤炭管理干部學(xué)院 煤礦安全工程系，山西 太原030006；2.山西長沁煤焦有限公司 安全培訓(xùn)中心，山西 長治046512)

0 引言

某礦于1958年建井，1960年12月投產(chǎn)，經(jīng)過兩次改擴(kuò)建后，礦井生產(chǎn)能力已由建井初期的90萬t/a提升到300萬t/a，并于1996年由原煤炭工業(yè)部正式命名為全國首批六個(gè)現(xiàn)代化大型礦井之一，為國家提供了大量的優(yōu)質(zhì)無煙煤，有力地支援了社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)。

近兩年，由于井田內(nèi)3#煤層已近枯竭，9#煤層也進(jìn)行了大部開采，所剩資源有限。為了充分發(fā)揮礦井現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施的最大潛力和充分利用資源，現(xiàn)需要將一些當(dāng)初未采的部分3#煤層煤柱進(jìn)行回收。該3#煤層煤柱工作面四周均有已掘巷道和已采空的工作面，采用以往的架棚支護(hù)技術(shù)巷道變形嚴(yán)重，給安全工作帶來了很大困難，并且回采時(shí)巷修工作量大，增加了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)需要。據(jù)此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及生產(chǎn)條件，結(jié)合理論分析計(jì)算及專家經(jīng)驗(yàn)，為該礦3#煤層提出了有效的錨桿支護(hù)方案，解決被采空區(qū)包圍的煤柱工作面巷道支護(hù)難題，為礦井充分回收資源創(chuàng)造良好條件。

現(xiàn)以3#煤層某煤柱工作面為例，以自然平衡理論為依托，以錨、帶、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)為保障，研究該礦3#煤層中錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。

1 某煤柱工作面概況

1.1 某煤柱工作面井上下位置關(guān)系

井上：上寺河以北，二仙掌以南，老毛溝以東，石城溝以西。地面標(biāo)高為：850～905m。

井下：原11301煤柱以南，西一進(jìn)風(fēng)巷以北（已掘），北二進(jìn)風(fēng)巷以西（已掘），礦界以東。工作面標(biāo)高為：671～710m。

1.2 煤層頂?shù)装迩闆r

老頂：細(xì)粒砂巖，厚度5.0m，灰色，中厚層狀，石英為主，含云母片。直接頂：泥巖，厚度2.6m，灰黑色，致密，平坦?fàn)顢嗫冢参锘雾敚禾抠|(zhì)泥巖，厚度0～0.4m，黑色，不穩(wěn)定，隨采掘脫落。直接底：細(xì)沙質(zhì)泥巖，厚度2.3m，深灰色，含植物化石，具層理。老底：砂質(zhì)泥巖，厚度5.6m，深灰色，致密，平坦?fàn)顢嗫冢参锘痆1]。

1.3 工作面設(shè)計(jì)長度

該工作面走向長207.325米，傾斜長度53.730米。

1.4 水文地質(zhì)及構(gòu)造情況

該工作面地質(zhì)條件比較簡單，涌水主要來自上覆巖層裂隙水及鄰近工作面采空區(qū)積水，預(yù)計(jì)該面掘進(jìn)時(shí)，正常涌水量5～15m3/h左右，最大涌水量25m3/h左右；回采時(shí)，正常涌水量15～25m3/h左右，最大涌水量45m3/h左右；位于背斜一翼，總體呈單斜構(gòu)造，煤層傾角4°～16°，平均10°左右。

1.5 煤層

該面所處位置煤層特別松軟，平均煤厚為5.6m，煤層傾角平均為10°左右，黑灰色，厚層狀，含炭質(zhì)和黃鐵礦，產(chǎn)豐富的植物化石。

2 錨桿支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

由于3#煤層煤體松軟，節(jié)理發(fā)育差，采用普通錨桿支護(hù)理論很難達(dá)到理想效果，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和設(shè)計(jì)人員的分析研究，決定采用自然平衡拱原理作為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，通過巷道圍巖層間的關(guān)系來確定巷道支護(hù)的錨桿參數(shù)。平衡拱理論認(rèn)為，煤礦巷道在開掘以后，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關(guān)系被破壞，因此巷道圍巖就向自由空間移動(dòng)從而形成自然平衡拱[2]，如圖1所示。

圖1 自然平衡拱理論模型圖

2.1 巷道整體壓力計(jì)算[3]

2.1.1 煤幫破碎深度C

式中h—巷道高度，取3.1m；θ—似摩擦角，θ=tg-1f；

f—煤的普氏硬度系數(shù)，取1.25。

計(jì)算得煤幫破碎深度C=1.1

2.1.2 自然平衡拱高度b

計(jì)算得自然平衡拱的高度b=2.68

2.1.3 巷道頂板壓力Qd

式中γ—頂板巖（煤）層容重，取25kN/m3

計(jì)算得巷道的頂板壓力Qd＝32.27kN/m

2.1.4 巷道側(cè)幫壓力Qc

2.2 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

2.2.1 頂板支護(hù)用錨桿的長度L

式中L1—錨桿外露部分的長度，取0.50m；

L2—錨桿的有效長度，m；

L3—錨桿錨固段的長度，一般端錨時(shí)取0.30m~0.40m；

按錨桿處于最危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)的工況進(jìn)行計(jì)算，也就是巷道的圍巖出現(xiàn)了松動(dòng)的破碎帶（破碎帶的高度為1.48m），此時(shí)就要求錨桿的有效長度L2應(yīng)該比破碎帶的高度b大。

綜合考慮各類因素，最終確定頂板錨桿的長度L為2.4m。

2.2.2 頂錨桿的間、排距S

根據(jù)每根錨桿的錨固力確定巷道錨桿支護(hù)的間、排距：

式中K—錨桿安全系數(shù)，一般取K=1.5；

Q—錨桿錨固力，kN。

計(jì)算得頂錨桿的間、排距S=0.95m，綜合考慮取S=1.0m。

2.2.3 幫錨桿長度LB

式中 LT—托盤厚度，取LT=0.02m；

β—錨桿與水平線的夾角；

L1—錨桿外露托盤的長度，取L1=0.08m；

L4—錨桿錨固穩(wěn)定煤體的長度，取L4=0.2m。

計(jì)算得幫錨桿的長度LB=2.4m

2.2.4 每米巷道幫錨桿根數(shù)N

式中 K—錨桿安全系數(shù)，取1.5；

Kp—巷道圍巖增載系數(shù)，取1.5；

TB—幫錨桿錨固力，按4kN計(jì)算；

計(jì)算得每米巷道幫錨桿的根數(shù)N=3.6，取N=4。

2.3 巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上理論計(jì)算確定的參數(shù)，綜合考慮該礦實(shí)際情況，在理論計(jì)算所得參數(shù)的基礎(chǔ)上增加適當(dāng)?shù)腻^索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，最終確定3#煤層工作面順槽錨桿支護(hù)的參數(shù)為(錨桿支護(hù)布置情況如圖2所示)：

頂錨桿選用強(qiáng)力錨桿，強(qiáng)力錨桿為左旋無縱筋的螺紋鋼筋，材質(zhì)是BHR500，錨桿的桿體直徑為22mm，錨桿長2400mm，錨桿桿尾的螺紋規(guī)格為M24[4]。錨桿的錨固選用加長錨固，配合兩支低粘度的樹脂錨固劑，規(guī)格分別為MSK2335和MSZ2360，錨固長度為1300mm，錨桿孔的直徑為28mm。鋼帶采用SB-14-80-4100-5的鋼梁，上面套規(guī)格為200mm×200mm×10mm的高強(qiáng)度拱形托板，并配合使用球形墊圈和塑料減摩墊片，同時(shí)加掛規(guī)格為5000mm×1100mm的金屬網(wǎng)護(hù)頂。錨桿的排距和間距均取1000mm。

頂板采用錨桿支護(hù)以后，還應(yīng)增加適當(dāng)?shù)腻^索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。加強(qiáng)錨索選用單根鋼絞線，鋼絞線的直徑為22mm，長度為8300mm。錨索的錨固方式也為加長錨固，與錨桿錨固所不同的是，錨索錨固采用三支低粘度的錨固劑，其中一支慢速的錨固劑規(guī)格為MSK2335，另外兩支快速的錨固劑規(guī)格為MSZ2360。錨索呈矩形布置，縱向排距為2000mm，橫向間距為1700mm，同時(shí)配套使用規(guī)格為300mm×300mm×16mm的高強(qiáng)度可調(diào)心托板及專用鎖具，錨索安裝過程中使用錨索漲力器以保證預(yù)緊力為250kN。

幫錨桿的材質(zhì)、規(guī)格、錨固方式及錨固劑的選用均與頂錨桿相同，所不同的是以下參數(shù)：幫錨桿的鉆孔直徑為30mm，錨固長度為1208mm，同時(shí)使用規(guī)格為280mm×400mm×4mm的W鋼帶托盤，并配合規(guī)格為150mm×150mm×10mm的拱型高強(qiáng)度托盤加球形墊圈和塑料減摩墊片，兩幫加掛規(guī)格為3000mm×1100mm的金屬網(wǎng)護(hù)幫。幫錨桿的排距為1000mm，間距為800mm，呈矩形布置。

圖2 3#煤層錨桿支護(hù)布置圖

3 錨桿支護(hù)施工

3.1 巷道施工

采用EBH-120型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工，并嚴(yán)格執(zhí)行掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程，保證成形質(zhì)量，未經(jīng)允許任何人不得隨意改動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)，施工過程中出現(xiàn)意外情況，立即向工程技術(shù)人員匯報(bào)，確保安全生產(chǎn)，保證支護(hù)質(zhì)量。

3.2 錨桿安裝操作要求

由于該礦首次在3#煤層使用錨桿支護(hù)，故制定了詳細(xì)的安裝要求。錨桿應(yīng)緊跟掘進(jìn)頭及時(shí)支護(hù)，最大空頂距單排掘進(jìn)不得超過1400mm，最小控頂距不得超過400mm。頂錨桿孔使用單體錨桿鉆機(jī)完成，鉆孔時(shí)，先用1200mm的短鉆桿破巖，然后用2400mm的長鉆桿打孔，錨桿的孔深要求為2290mm～2320mm。在鉆孔的過程中應(yīng)注意鉆孔的角度，當(dāng)鉆到預(yù)定的孔深后應(yīng)下縮單體錨桿鉆機(jī)，然后清除煤粉和泥漿。兩幫錨桿采用專用幫錨桿鉆機(jī)，一次成孔，孔深要求2290mm～2320mm，最后使用風(fēng)動(dòng)力矩扳手?jǐn)Q緊，使擰緊力矩達(dá)到300N·m。

4 錨桿支護(hù)的技術(shù)效果

3#煤層煤巷采用錨桿護(hù)后，有效控制了巷道中圍巖的離層和結(jié)構(gòu)面的變形，顯著改善了圍巖的受力狀況，保持了圍巖的完整性與穩(wěn)定性，巷道變形情況得到了有效控制。采用錨桿支護(hù)后，巷道的頂板基本沒有下沉，兩幫縮近量也控制在規(guī)定的50mm范圍之內(nèi)，滿足了工作面的回采需要。

5 結(jié)論

5.1 該礦3#煤節(jié)理發(fā)育差，使用普通棚式支護(hù)無法滿足開采要求，巷道掘成后，巷道變形嚴(yán)重，給開采帶來很大困難

5.2 基于自然平衡拱理論的支護(hù)模型，優(yōu)化了3#煤層的支護(hù)強(qiáng)度，合理的控制了頂板的下移量和兩幫的縮進(jìn)量，確保了巷道的安全

5.3 在3#煤層中采用錨桿支護(hù)，減少了巷修工作量，降低了成本提高了單進(jìn)，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度

［1］申勝利.古書院礦北三煤柱工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].煤，2011，20(6)：21-73.

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［4］秦海忠.碎脹煤層復(fù)用留巷支護(hù)技術(shù)[J].山西煤炭，2011，31(6)：27-30.

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