四井五區(qū)5-2S一片順槽錨桿錨索支護初始設(shè)計

陳仕清 CHEN Shi-qing

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）公司五家煤礦，赤峰 024076）

（Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry（Group）Company，Chifeng 024076，China）

四井五區(qū)5-2S一片順槽錨桿錨索支護初始設(shè)計

陳仕清 CHEN Shi-qing

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）公司五家煤礦，赤峰 024076）

（Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry（Group）Company，Chifeng 024076，China）

本設(shè)計是內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司五家煤礦四井五區(qū)5-2S一片順槽錨桿錨索支護初始設(shè)計。在對錨桿進行支護的過程中，采用動態(tài)信息支護設(shè)計法進行相應(yīng)的處理。通常情況下，設(shè)計步驟主要涉及：調(diào)查試驗點、評估地質(zhì)力學(xué)，初始設(shè)計，綜合監(jiān)測和信息反饋，以及對設(shè)計進行修正和日常監(jiān)測等。本文在詳細調(diào)查試驗地點和評估地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合積累的設(shè)計經(jīng)驗，提出初始設(shè)計，主要包括支護形式和參數(shù)、支護材料、井下施工工藝和安全措施、礦壓監(jiān)測等相關(guān)的內(nèi)容。該設(shè)計實施于井下后，還應(yīng)得到礦壓監(jiān)測的驗證或修改。

五家煤礦；五區(qū)5-2S一片；順槽；支護設(shè)計；動態(tài)信息設(shè)計

0 引言

平煤集團五家煤礦是我國典型的軟巖礦井。由于該礦在侏羅紀煤系地層進行開采，在一定程度上使得煤層及頂?shù)装鍘r層膠結(jié)比較差，在特性方面主要表現(xiàn)為：強度低、松散破碎、易風(fēng)化、易崩解、遇水膨脹等，進而在一定程度上增加了支護礦井采準巷道的難度，普遍存在底臌、片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，在服務(wù)期內(nèi)，使得大部分巷道需要進行多次的翻修，回采工作的正常推進受到嚴重影響，由此造成巨額的經(jīng)濟損失，更是對現(xiàn)場作業(yè)人員的安全構(gòu)成巨大威脅。

1 錨桿支護設(shè)計方法介紹

現(xiàn)有的錨桿支護設(shè)計方法很多。受巷道圍巖復(fù)雜性、多變性的影響制約，通常情況下，采用任何一種單獨方法都不能滿足相應(yīng)的要求，進而影響和制約了設(shè)計效果。為了使井下巷道符合圍巖特性，通常情況下采用的設(shè)計方法包括：試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測和信息反饋、修正設(shè)計和日常監(jiān)測的動態(tài)信息設(shè)計方法。

2 試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估

對于五家煤礦四井五區(qū)來說，其5-2S一片工作面位于五區(qū)南翼，在220石門進入回風(fēng)巷，在180石門進入運輸巷；工作面走向長度、傾斜寬、可采長分別為560m、156m、460m。設(shè)計回風(fēng)巷長585m（含15m調(diào)車場），坡度0°～7°。運輸巷 539m，坡度 0°～5°，切眼 156m，坡度 15°。

五家煤礦四井五區(qū)5-2S一片工作面開采5-2#煤層，該煤層上覆5-1#煤層已采。兩煤層間距非常小，本工作面范圍內(nèi)5-2#煤底板距5-1#煤底板最近僅6m左右，最遠也只有9m左右。5-2#煤層最小厚度、最大厚度、平均厚度分別為3.66m、7.00m、5.99m，含數(shù)層夾矸。煤層傾角15-16°，平均15.5°。5-2號煤層單軸抗壓強度為4.8MPa，層理、節(jié)理較發(fā)育，煤層自然發(fā)火期1-3個月。直接底為砂質(zhì)泥巖，單軸抗壓強度為23.5MPa，具有膨脹性。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造 屬于單斜構(gòu)造煤層，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單。

2.2 水文地質(zhì)情況 水文地質(zhì)條件簡單，水源主要是頂部5-1采空區(qū)積水，預(yù)計最大涌水量5m3/h。

2.3 地應(yīng)力 根據(jù)遼寧工程技術(shù)大學(xué)采用應(yīng)力解除法地應(yīng)力測試結(jié)果，五家煤礦四井五采區(qū)的最大主應(yīng)力σ1=14.0MPa，方位角 220.28°，傾角-10.73°；σ2=11.2MPa，方位角49.50°，傾角97.22°；最小主應(yīng)力σ3=7.6MPa，方位角129.91°，傾角-4.24°。

2.4 粘結(jié)強度測試 采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強度。

3 選擇巷道支護形式和參數(shù)的原則

①一次支護原則。為了避免二次或多次支護，因此在支護錨桿的過程中，通常通過一次支護就能對圍巖變形進行有效的控制。

②高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。

③高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。

④臨界支護強度與剛度原則。

⑤相互匹配原則。

⑥可操作性原則。

4 錨桿支護參數(shù)選取

4.1 錨桿預(yù)應(yīng)力 通常情況下，預(yù)應(yīng)力作用一項決定性參數(shù)，在一定程度上制約著錨桿支護系統(tǒng)。在選擇預(yù)應(yīng)力的過程中，通常依據(jù)的原則是：在錨固區(qū)不能明顯出現(xiàn)離層和拉應(yīng)力區(qū)。通常情況下，在桿體屈服強度的30-50%是錨桿預(yù)應(yīng)力比較合理的取值范圍。

4.2 錨桿長度 壓應(yīng)力區(qū)范圍與厚度隨著錨桿長度增加而增大，這時錨桿的作用范圍就會相應(yīng)的擴大。因此，為了形成有效的支護系統(tǒng)，實現(xiàn)良好的支護效果，需要錨桿長度與錨桿預(yù)應(yīng)力、強度相互匹配。

4.3 錨桿密度 對于單根錨桿來說，在一定預(yù)應(yīng)力的作用下，類似錐形的壓應(yīng)力分布區(qū)域逐漸在其周圍形成，如果錨桿之間的距離過大，那么就會導(dǎo)致單根錨桿形成的錐形壓應(yīng)力區(qū)域彼此獨立，進而不能形成整體的支護結(jié)構(gòu)。隨著錨桿之間距離的縮小，單根錨桿形成的錐形壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加，進而在一定程度上連成一體，形成整體的支護結(jié)構(gòu)。通過鞏固和強化錨桿的預(yù)應(yīng)力，進而擴大錨桿之間的距離，降低錨桿的支護密度。

4.4 錨固方式 由于錨固方式不同，進而在一定程度上使得錨桿附加應(yīng)力場分布存在較大的差異。與端部錨固相比，通常情況下，全長錨固與加長錨固的錨固效果要差。通過施加預(yù)應(yīng)力，樹脂藥卷后固化等，在一定程度上提高全長錨固擴散效果、強化錨固錨桿預(yù)應(yīng)力。

4.5 錨桿角度 應(yīng)力場分布受到頂板角錨桿角度的影響和制約。通過垂直的方式對頂板角錨桿進行布置。如果對施工需要的角度進行考慮，那么最大角度應(yīng)該控制在10°。對于錨索來說，上述錨桿支護參數(shù)分析同樣適用。通常情況下，如果錨索的直徑越大、強度越高、長度越大，那么施加的預(yù)應(yīng)力就會相應(yīng)地增加。與低預(yù)應(yīng)力的長錨索支護相比，高預(yù)應(yīng)力的短錨索支護效果要好。

4.6 鋼帶的作用 在錨固過程中，錨桿的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力起著重要的作用。在預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)中，護表構(gòu)件發(fā)揮著重要的作用。在一定程度上鋼帶有助于擴散錨桿預(yù)應(yīng)力，同時顯著提高錨桿之間圍巖的支護作用，改善支護系統(tǒng)的整體支護效果。

4.7 錨索的作用 錨索的作用通常情況下表現(xiàn)在：一方面連接錨桿支護形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖，次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在一定程度上得到提高，同時可以調(diào)動深部圍巖的承載能力，在一定程度上使大范圍內(nèi)的巖體進行共同的承載；另一方面對錨索施加較強的預(yù)緊力，同時提供有效的壓應(yīng)力，在一定程度上與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)共同構(gòu)成骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且能夠保持圍巖的完整性，同時降低了圍巖強度。

5 四井五區(qū)5-2S一片工作面順槽支護初始方案

5.1 設(shè)計原則

5.1.1 支護參數(shù)確定的原則 ①支護設(shè)計確保支護安全。②支護參數(shù)和支護材料規(guī)格具有較好的適應(yīng)性和施工可行性。③在確保支護質(zhì)量的前提下，支護設(shè)計要有利于提高巷道掘進速度；④做到經(jīng)濟合理。

5.1.2 確定支護參數(shù)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現(xiàn)有科技成果和工程實踐經(jīng)驗；③五區(qū)5-2S一片工作面詳細的地質(zhì)資料以及地質(zhì)力學(xué)測試數(shù)據(jù)。

5.2 設(shè)計巷道支護斷面 相關(guān)設(shè)備的尺寸在掘進過程中需要重點考慮，同時預(yù)留巷道圍巖變形量，同時滿足通風(fēng)要求，對五家煤礦四井五區(qū)5-2S一片工作面回風(fēng)巷掘進斷面尺寸為：巷道斷面呈直墻半圓拱形，寬3.8m，墻高1.2m，掘進斷面積為10.23m2；設(shè)計運輸巷掘進斷面尺寸如下：巷道斷面呈直墻半圓拱形，寬4.8m，墻高1.2m，掘進斷面積14.8m2。

5.3 回風(fēng)巷錨桿錨索支護參數(shù) 回風(fēng)巷支護布置如圖1所示。

圖1 回風(fēng)順槽錨桿錨索支護圖

5.3.1 頂板支護

①錨桿。

錨桿的形式和規(guī)格：通常情況下，采用22#左旋無縱筋螺紋鋼筋設(shè)計桿體，極限拉斷力和屈服力分別為186kN、126kN，延伸率18%，長度為2.4m，桿尾螺紋為M24，其長度為150mm。

錨固方式：通過采用樹脂進行全長錨固，并且采用三支低粘度錨固劑，其規(guī)格分別為一支為K2550，其余為M2575。其鉆孔直徑30mm。

W護板規(guī)格：通過采用W鋼護板進行護頂處理，鋼帶規(guī)格：厚、寬、長分別為 4mm、280mm、450mm。

錨桿配件：采用M24×3的高強錨桿螺母，同時配合高強托板調(diào)心球墊，以及相應(yīng)的尼龍墊圈，采用拱型高強度托盤，規(guī)格150×150×10mm，承載能力高于180kN。

錨桿角度：打設(shè)過程中全部與巖面垂直。

網(wǎng)片規(guī)格：采用鋼筋網(wǎng)護頂進行處理，網(wǎng)孔和網(wǎng)片的規(guī)格分別為 100×100mm、3000×1000mm。

錨桿布置：錨桿排距和間距分別為900mm、850mm，同時每排設(shè)置7根錨桿。

錨桿預(yù)緊力（扭矩）：≥400N.m。

②錨索。

錨索形式和規(guī)格：選用φ22mm，1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為錨索材料，極限破斷拉力為550kN，延伸率7%，長度4300 mm或者3300 mm，鉆孔直徑30mm，采用樹脂藥卷錨固，其規(guī)格為K2550和Z2575，并且低粘度，錨固長度控制在1350mm。

采用規(guī)格為300mm×300mm×16mm，并且高強度可調(diào)心托板及配套鎖具設(shè)置相應(yīng)的錨索托盤。

錨索布置：每600mm設(shè)置1根錨索，間距控制在1275mm，同時與頂板巖層相互垂直。

錨索預(yù)緊力控制在200～250kN。

5.3.2 支護巷幫 錨桿形式和規(guī)格：長度為2.4m，桿尾螺紋及長度分別為M24、150mm，22#左旋無縱筋螺紋鋼筋設(shè)置桿體。

錨固方式：采用三支低粘度錨固劑，通過樹脂進行全長錨固，錨固劑的規(guī)格為一支K2550，另兩支為M2575。

W護板規(guī)格：護幫采用W鋼護板進行處理，鋼帶厚、寬、長分別為4mm、280mm、450mm。

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24×3，在一定程度上配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，采用拱型高強度托盤，規(guī)格150mm×150mm×10mm，承載能力大于180kN。

錨桿布置：錨桿間距、排距分別控制在600mm、900mm，每排每幫設(shè)置2根錨桿。

錨桿角度：在打設(shè)過程中，需要與巷幫相互垂直。

錨桿預(yù)緊力（扭矩）：≥400N.m。

5.4 運輸巷錨桿錨索支護參數(shù) 運輸巷支護布置如圖2所示。

5.4.1 頂板支護

①錨桿。

錨桿形式和規(guī)格：采用長度2.4m，極限拉斷力186kN，屈服力為126kN，延伸率18%，以及22#左旋無縱筋螺紋鋼筋對桿體進行處理。桿尾螺紋及長度分別為M24、150mm。

錨固方式：采用一支規(guī)格為K2550，另兩支規(guī)格為M2575。三支低粘度錨固劑，通過樹脂進行全長錨固，鉆孔直徑為30mm。

圖2 運輸順槽錨桿錨索支護圖

W護板規(guī)格：護頂采用W鋼護板進行處理，鋼帶厚、寬、長分別為4mm、280mm、450mm。

錨桿配件：采用規(guī)格為M24×3的高強錨桿螺母，與高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈相互配合，采用規(guī)格為150mm×150mm×10mm，承載能力不低于30t的拱型高強度托盤。

錨桿角度：打設(shè)過程中全部與巖面垂直。

錨桿預(yù)緊力：≥400Nm。

②錨索。

錨索形式和規(guī)格：選用φ22mm，1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為錨索材料，極限破斷拉力為550kN，延伸率7%左右，長度4300(3300)mm，鉆孔直徑30mm。

錨索托盤：采用高強度可調(diào)心托板及配套鎖具。

錨索布置：每1800mm打3根錨索，錨索間距1260mm。

錨索預(yù)緊力：200～250kN。

5.4.2 巷幫支護

錨桿形式和規(guī)格：選用長度2.4m，極限拉斷力186kN，屈服力為126kN，延伸率18%，其22#左旋無縱筋螺紋鋼筋對桿體進行處理。

錨固方式：樹脂全長錨固，采用一支規(guī)格為K2550，另兩支規(guī)格為M2575三支低粘度錨固劑。

W護板規(guī)格：采用W鋼護板護幫，鋼帶厚度4mm，寬280mm，長度450mm。

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈。

網(wǎng)片規(guī)格：護幫采用菱形金屬網(wǎng)處理，網(wǎng)孔、網(wǎng)片規(guī)格為 60×60mm、2000×1300mm。

錨桿布置：錨桿間距、排距分別為600mm、900mm，每排每幫設(shè)置2根錨桿。

錨桿角度：垂直巷幫打設(shè)。

錨桿預(yù)緊力：≥400Nm。

6 井下施工工藝

6.1 巷道頂板支護的施工工藝流程

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1分鐘左右鋪鋼筋網(wǎng)擰緊螺母到設(shè)計預(yù)緊力從中向外依次安裝其它頂板錨桿。

6.2 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1分鐘左右掛網(wǎng)上鋼護板、托盤、調(diào)心球墊、減摩墊片、螺母擰緊螺母到設(shè)計預(yù)緊力依次安裝其它幫錨桿。

[1]陳俊,董偉.錨索支護技術(shù)在口孜東煤礦的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2010(04).

[2]楊紅旗,王振.綜采面切眼錨網(wǎng)、錨索支護技術(shù)及施工工藝[J].價值工程,2011(13).

[3]宋榮普.愛民溫都煤礦軟巖巷道支護技術(shù)研究及應(yīng)用[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

The Fourth Well Fifth District 5-2SFirst Piece Crossheading Bolt Anchor Supporting Initial Design

The design is the initial design of fourth well fifth district 5-2Sfirst piece crossheading bolt anchor supporting in Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry (Group)Company.In the process of supporting bolt,using dynamic information support design method to carry on appropriate treatment.Typically,the major steps involved in the design:survey test points,geomechanical assessment,initial design,integrated monitoring and information feedback,as well as the amendments and daily monitoring to the design.On the basis of detailing the test site and evaluating the geomechanical parameters,combined with the accumulation of design experience,this paper proposes initial design,which includes supporting form and parameters,supporting materials,underground construction techniques and safety measures,mine pressure monitoring and other related content.This design should be verified or modified of pressure monitoring after implemented in the underground.

Wujia coal mine；the fifth district 5-2Sfirst piece；crossheading；support design；dynamic information design

陳仕清（1970-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，中級（采礦工程師），平莊煤業(yè)（集團）正處級，研究方向為煤礦井巷支護。

TD353

A

1006-4311（2014）11-0105-03