可調心拱形托片在大斷面巷道掘進過程中的應用

白 宙

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033600)

·試驗研究·

可調心拱形托片在大斷面巷道掘進過程中的應用

白 宙

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033600)

對斜溝煤礦18209大斷面掘進巷道開展地質力學測試，并分析了地應力分布規律。應用新型支護材料，并通過新舊支護方案的對比，得出新型支護方案解決了錨桿、錨索各構件合理配套問題，從而為斜溝煤礦掘進巷道提供科學合理的支護方案，顯著提高了巷道圍巖支護強度，減少了掘進時期及后期維護材料消耗，對斜溝煤礦節支降耗具有重要意義。

大斷面巷道；可調心拱形托片；調心球墊；減震墊片；支護強度；節支降耗

斜溝煤礦位于山西省興縣以北50 km處的魏家灘鎮，井田走向近南北，傾向西。作為山西西山晉興能源有限責任公司的1 500萬噸級特大型現代化礦井，隨著采區及工作面數量的增加，要求掘送的巷道數量和長度都明顯增加，雖然該礦經過多年的努力探索，支護設計基本能夠滿足現有安全生產需要，但部分巷道在掘進及回采時礦壓顯現強烈，圍巖變形加大，部分巷道出現錨桿(索)斷裂、鋼帶被切段等現象，加大了巷道支護難度。通過在斜溝煤礦應用可調心拱形托片等新型材料，解決了錨桿(索)合理配套問題，改善了支護受力狀態，提高了巷道圍巖支護強度，減少了掘進及后期維護材料消耗。

1 應用巷道基本條件

18209材料巷位于斜溝煤礦12采區，巷道掘進斷面寬5 200 mm×高3 800 mm，全長3 016 m，埋深473 m，直接頂為平均厚度3.97 m的泥巖，基本頂為平均厚度13.78 m的粗粒砂巖，巷道沿8#煤層頂板掘進，平均煤厚5.66 m，平均傾角為10.6°.

2 地質力學測試及分析

地質力學測試孔布置在12采區8#煤層中，測點鉆孔深度19.1 m. 經窺視儀觀察，巷道頂板為7.3 m泥巖，完整性好，節理裂隙發育程度低。經地應力測試，得出所測區域最大水平主應力為11.54 MPa.根據地應力場與巷道布置理論，最佳布置為巷道軸向與最大水平主應力方向垂直，而18209材料巷沿正北向南方向布置，最大水平主應力方向為北偏西35.4°，最大水平主應力對巷道變形影響較大，影響最大位置見圖1.

圖1 與最大主應力呈一定角度時巷道的破壞狀況圖

由圖1可知，18209材料巷類型屬于B類，巷道下幫的頂、底及幫部受到的影響最大，且巷道表面風化后，巷道的變形量會持續增大。因此，必須加強巷道圍巖的控制，而圍巖的強度、應力和支護參數是決定巷道穩定的主要因素，所以應從以下3方面來提升支護強度：

1) 頂部使用高強度錨桿可提供較大的支護阻力，通過提高錨桿(索)預緊力，減小巷道深部圍巖強度弱化速度，減小圍巖塑性區及破碎區的范圍，從而減少圍巖變形量。

2) 通過對兩幫及底角加強支護，可有效阻止破碎區圍巖的碎脹變形，從而使兩幫有效支撐頂板，防止頂板下沉。

3) 該礦錨桿、錨索、鋼帶混合使用，且布置在同一排，由于錨桿承載能力遠低于錨索，因此整體支護作用不協調，僅錨索承載，錨桿失效，且錨索為與鋼帶配套，選用小托片置于鋼帶槽內，當施加預緊力時，構件面積小，預緊力不能有效擴散，容易將鋼帶剪斷，所以錨桿、錨索應錯排布置。

3 新舊支護方案對比

3.1 新型支護材料實驗

1) 錨桿托板。原錨桿托板與新型錨桿托板對比

圖見圖2，對兩種錨桿托板進行承載力檢測對比得到曲線圖，見圖3.

圖2 錨桿托板對比圖

從實驗結果可以看出，原托板承載力約為215 kN，

圖3 不同結構錨桿托板承載力檢測對比曲線圖

新型可調心托板承載力約為412 kN. 采用新型錨桿托板一方面可提高托板力學性能，另一方面還能降低材料成本。

2) 調心球墊及減摩墊片。調心球墊能夠和錨桿托板組成可調心結構，在錨桿承受偏心載荷作用時，調節桿體受力方向與受力狀態。經過可調心拱形托板配尼龍墊片的預緊力矩轉化試驗得出曲線圖，見圖4.

圖4 不同減摩措施下預緊力矩轉換效率曲線圖

通過試驗可以看出，扭矩為180 N·m時，采用尼龍墊片和高強度平墊，錨桿獲得預緊力分別為37.5 kN和40 kN，而無減摩措施下僅為30.1 kN，采用減摩墊片后明顯提高了錨桿扭矩同軸向力的轉化效率。

3) 錨索托片。新型的錨索托片為300 mm×300 mm×14 mm的可調心拱形托片配調心球墊。通過試驗，托片加載位移曲線見圖5. 不同張拉載荷下錨索預緊力變化曲線見圖6.

圖5 錨索托片加載位移曲線圖

圖6 不同張拉載荷下錨索預緊力變化曲線圖

由圖5可以看出，新型托片的承載力可達 700 kN以上，達到最大載荷時拱部收縮量高達24.1 mm，采用新型托片可以對錨索的承載起到緩沖作用，同時節省材料。

而該礦要求錨索預緊力為120 kN，當油泵油表顯示為120 kN時，錨索獲得實際載荷僅為72.58 kN，損失達39.52%，因此在實際操作過程中，應采用“超張拉”來彌補預緊力損失，保證錨索充分發揮支護作用。

3.2 支護方案對比

1) 原支護方案。

a) 頂錨桿采用d22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×1 000 mm，托板采用150 mm×150 mm×14 mm鋼托板，幫錨桿均采用d22 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，所有錨桿采用一支MSCK2380和一支MSZ2380樹脂錨固劑，頂錨桿預緊力矩180 N·m，幫錨桿預緊力矩70 N·m.

b) 頂錨索采用d21.6 mm×5 500 mm鋼絞線配150 mm×150 mm×20 mm鋼托板及配套鎖具，采用“二一二一”間隔布置，間排距3 200 mm×1 000 mm，所有錨索均采用一支MSCK2380和兩支MSZ2380樹脂錨固劑，錨索預緊力120 kN.

c) 鋼帶采用規格為寬250 mm×厚3 mm的“W”型鋼帶，長度為5 000 mm.

d) 頂部金屬網采用10#鐵絲編制的規格為6 200 mm×1 100 mm的菱形金屬網，網孔規格50 mm×50 mm，幫部不設計金屬網。

2) 新型材料支護方案。

a) 頂錨桿采用d22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm，采用高強錨桿螺母M24×3配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托板采用150 mm×150 mm×10 mm可調心拱型托板，所有頂錨桿采用一支MSCK2380和一支MSZ2380樹脂錨固劑，預緊力矩300 N·m.

b) 煤柱側幫錨桿采用d22 mm×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，預緊力矩為180 N·m；工作面側幫錨桿采用d20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，預緊力矩為70 N·m，所有幫錨桿均采用一支MSZ2380樹脂錨固劑。

c) 頂錨索采用d21.6 mm×5 500 mm鋼絞線配300 mm×300 mm×14 mm型可調心拱形托片及配套鎖具，采用兩根矩形布置，間排距1 800 mm×2 000 mm，所有頂錨索均采用一支MSCK2380和兩支MSZ2380樹脂錨固劑錨固，錨索預緊力為200 kN.

d) 鋼帶采用規格為寬250 mm×厚3 mm的“W”型鋼帶，長度為4 700 mm.

e) 頂、幫金屬網采用10#鐵絲編制網孔規格50 mm×50 mm的菱形金屬網，頂網規格為6 200 mm×1 100 mm，幫網規格為3 000 mm×1 100 mm.原支護方案與新型材料支護方案對比圖見圖7.

圖7 支護方案對比圖

3) 經濟技術指標比較。

材料巷支護材料成本對比情況見表1.

表1 材料巷支護材料成本對比表

根據計算結果，18209材料巷原支護方案所用材料直接成本大約2 373.1元/m，采用新方案所用材料直接成本大約2 106.7元/m，可以看出材料巷新支護方案的每米成本價格要比原支護方案節約266.4元。

4) 應用效果比較。經現場實踐應用對比，發現原錨桿托板拱高較低，承載能力弱，受力較大時容易造成托板外翻，支護失效，且孔口直徑偏小，錨桿容易受到剪、扭、彎等綜合應力作用而發生破斷。尤其部分托板加工不平整，當錨桿受力較大時，托板剪斷鋼帶，孔口也沒有倒角和調心球墊，托板與螺母呈線性接觸，不利于錨桿桿體受力的傳遞，無法起到調節錨桿偏心的作用，錨桿容易偏載，造成螺紋段彎曲破斷。高強度可調心拱形托板強度高，可吸收一定變形，在錨桿破斷前一般不會出現托板脆性破裂或被壓成反拱型，始終能夠保證錨桿發揮其效能，且孔口設倒角，能夠與調心球墊相匹配，調節錨桿的受力角度，減小錨桿因偏載而使桿體受到綜合應力作用。

原設計錨索托片承載能力差，當錨索預應力和承受的載荷比較大時，平托板四周易翹起，托板承載顯著降低，甚至將托板壓穿，使錨索失效，且無法調心的構造只適用于錨索垂直巷道表面布置，如果巷道表面不夠平整則容易造成錨索偏載，嚴重時甚至將錨索切斷。而新型可調心拱形托片不僅能夠在現有基礎上將錨索托板的厚度降低，調節錨索受力狀態，且支護效果更好。

4 結 語

在使用新型支護材料及支護方案后巷道掘進中基本沒有再出現錨桿(索)斷裂、鋼帶被剪斷等現象，同時新型支護方案在幫部補充了金屬網，加強了巷道幫部圍巖的控制，從而使兩幫有效支撐頂板，防止頂板下沉。由于斜溝煤礦工作面順槽長度均大于2 000 m，以18209材料巷為例，新型支護方案通過減少每延米材料消耗量，使掘進材料費用總計減少約803 462.4元，因此可調心拱形托片等新型材料不僅使支護效果顯著提高，而且減少了材料消耗，降低了掘進時期及后期巷道維護材料費用。

Key words Large cross section roadway; Adjustable arch supporting pieces; Ball shaped gasket ; Shock absorber; Support strength; Save on expense and energy

Extra-thickcoalseam;Smallpillarminingface;Goaf;Grounddrilling;Undergroundnitrogeninjection

Application of Adjustable Arch Supporting Pieces in Large Cross Section Roadway Excavation

BAI Zhou

Geological mechanics tests are carried out on No.18209 roadway with large-section in XieGou ditch coal mine, and the law of geostress distribution is analyzed. The new support scheme is used to solve the problem during supporting, by comparison the traditional scheme of which the bolts and cables are usually hard to be perfectly matched, provides a scientific and reasonable support scheme for the roadway excavation in the coal mine. The application improves the support strength of roadway surrounding rock, and reduces the material consumption and maintenance cost, which is of great significance for the production.

2016-12-27

白 宙(1989—)，男，山西興縣人，2012年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦采掘生產管理工作

(E-mail)535397765@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)02-0011-04