巷道支護技術在王坪煤礦的應用

劉超元

(大同煤礦集團朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 朔州 038300)

0 引言

目前被認可的巷道支護理論主要包括：懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論、松動圈支護理論等。通過前期多學科交叉綜合的研究手段，采用現場調查及物探、力學試驗和理論歸納分析相結合的方法，針對王坪煤礦現場情況和已測得的基本數據進行合理利用。以巷道圍巖控制效果好、工人工作環境可靠和經濟低能耗為出發點選用組合拱理論和巷道圍巖松動圈理論聯合分析王坪煤礦巷道支護情況并進行合理設計[1-3]。最終確定支護方案為頂板采用螺紋鋼等強樹脂錨桿、錨索、金屬網進行支護，兩幫采用螺紋鋼、金屬網進行支護。王坪煤礦某煤層平均煤厚為7.5 m。煤質疏松，煤層上下覆巖多為泥巖，煤層適合開采。該礦煤層覆巖情況見表1。該礦某巷道斷面形狀及尺寸設計見表2。

表1 煤層覆巖情況

表2 巷道斷面形狀及尺寸設計

1 錨桿錨索參數的確定

1.1 錨桿參數確定

頂錨桿長度：錨桿長度按公式(1)

L≥L1+L2+L3

(1)

式中：L1—錨桿的有效長度，m；L2—錨固外露長度，取0.08 m；L3—錨桿端部錨固長度，取0.87 m。

(2)

式中：B—巷道凈寬度，3.7 m；K—安全系數，取4；γ—圍巖容重，為24.5 kN/m3；h—直接頂厚度，取1.0 m；σt—巖層抗拉強度，取1.8 MPa；σx—巖層原始水平應力，取4.5 MPa；ζ—與巖層層數有關系數，取0.7。經計算得：L1=1.06 m；則L≥2.01 m。

幫錨桿參數計算：幫部煤體非有效承載區寬度參照式(3)、(4)

(3)

式中：f—煤體普氏系數，取2；B—巷道寬度，取3.7 m。故有式(4)

l=l1+l2+l3

(4)

式中：l1—幫部煤體非有效承載區寬度，m；l2—幫錨桿錨穩定煤體中長度，取0.45 m；l3—幫錨桿外露部分長度，取0.08 m。經計算得：l1≥1.17；則l≥1.70 m。

錨桿間距：按組合梁理論計算錨桿間距，參照式(5)

(5)

錨桿直徑：錨桿直徑按公式(6)

(6)

式中：Q—錨桿錨固力，取85 kN；σt—桿體抗拉強度，設計為4×105Pa。經計算得，d≥16.47 mm。

理論計算的支護參數：錨桿長度≥2.01 m；錨桿直徑≥16.47 mm；錨桿間距≤1.31 m。煤幫錨桿的支護參數：幫錨桿長度≥1.70 m；錨桿直徑≥16.47 mm；錨桿間距≤1.31 m。

1.2 錨索參數計算

為了加強錨固體的強度，采用預應力錨索做加強支護，選用φ=17.8 mm且最低破斷載荷為345 kN的低松弛、高強度鋼絞線，并對錨索參數進行如下計算[4]。

錨索錨固長度：錨索錨固長度La應符合式(7)

(7)

式中：K—安全系數，取K=4；d1—錨索鋼絞線直徑，取17.8 mm；fs—鋼絞線抗拉強度，取1 850 MPa；fc—錨索與錨固劑的粘合強度，取10 MPa。則La≥3.29 m。

錨索長度：錨索長度按公式(8)

L≥La+Lb+Lc+Ld

(8)

式中：L—錨索總長度，m；La—錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，m；Lb—需要懸吊的不穩定的巖層厚度，取≥0.5 m；Lc—安裝、金屬網、托盤及錨具的厚度，取0.06 m；Ld—需要外露的漲拉長度，取0.15 m。經計算得，L≥4.0 m。故錨索長度≥4.0 m，且錨索按垂直巷道頂板布置。

2 支護形式的實際應用

經過系統的理論計算，結合王坪煤礦的自身情況與多年支護經驗確定錨桿支護間排距為1 000 mm×1 000 mm；外帶鐵托板規格為250 mm×250 mm×10 mm；金屬網規格為5 400 mm×1 200 mm。故確定的最終巷道支護平斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護平斷面圖

盤區探巷運料聯絡巷掘進、盤區探巷回風聯絡巷掘進、盤區探巷沿煤層頂板掘進時，則采用長度為2 500 mm的錨桿(外帶鐵托板)和長度為4 200 mm的錨索(外帶鐵托板)結合金屬網聯合支護，錨索支護呈三花布置。巷道兩幫在距頂板高度為500 mm處各打3排長度為2 000 mm的螺紋鋼錨桿(外帶鐵托板)并于長度為4 200 mm的錨索(外帶鐵托板)及金屬網聯合支護，此時，金屬網應壓在鐵托板下面，錨索支護呈三花布置。

盤區探巷沿煤層底板掘進時，頂板支護需長度2 500 mm的錨桿(外帶鐵托板)及規格3 500 mm×220 mm×3 mm的鋼帶；當頂板煤層較破碎時應適當增加錨索長度，錨索支護呈五花布置。巷道兩幫在距頂板高度為500 mm處各打3排長度為2 000 mm的螺紋鋼錨桿(外帶鐵托板)并于適當長度的錨索(外帶鐵托板)及金屬網聯合支護，此時，金屬網應壓在鐵托板下面。

同時，礦壓觀測采用KGE30B型頂板離層儀、LSZ-200型錨桿拉力儀與MQ18-300/63型錨索拉力儀分別對頂板離層量、錨桿、錨索進行檢測，且可對支護質量進行動態監測[5-8]。其一，頂板離層量觀測時要求巷道中KGE30B型頂板離層儀每間隔100 m安置1個，且距工作面迎頭不得超過20 m。深部基點深度應位于錨索錨固末端處，淺部基點深度應位于錨桿錨固末端處，離層儀的初始讀數值應為0 mm。其二，錨桿、錨索、錨固力檢測時要求巷道中每300根均分為100組進行檢測，選用儀器為LSZ-200型錨桿拉力儀、MQ18-300/63型錨索拉力儀。檢測過程中要注意觀測記錄數據并歸納存檔。

3 支護要求

根據相關質量標準，針對王坪煤礦盤區探巷運料聯絡巷、盤區探巷回風聯絡巷、盤區探巷的巷道中線到任一幫距離的最大允許誤差范圍為0～+100 mm；腰線至頂底板距離的最大允許誤差范圍為0～+100 mm；無腰線測全高度最大允許誤差范圍為-50～+200 mm。

3.1 錨桿要求

該礦盤區采用長2 500 mm的φ18 mm錨桿對其頂底板進行支護。錨桿支護間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿間、排距最大允許誤差為±100 mm。桿體為左旋無縱筋螺紋鋼加工而成，為了保證桿體尾部螺紋部分的破斷力不低于桿體破斷力的90%，故尾部螺紋采用滾絲工藝加工。錨桿外露螺母外允許范圍為10～30 mm。同時，鉆孔打設時要注意中間的錨桿鉆孔垂直頂板打設，即中間錨桿布置方向應盡量與巷道輪廓線或巖層主要層理面垂直，兩邊的錨桿與頂板夾角不小于75°，與頂板法線夾角不小于15°。托板安裝應緊貼壁面，避免出現滑動、松動的情況發生，其與頂板接觸面積不小于60%。同時，螺母必須擰緊。如若出現不合格的錨桿必須及時對其進行重支。錨桿的抗拔力設計值為85 kN，錨桿的預緊扭矩不得小于200 N·m。

3.2 錨索要求

該礦盤區采用長度為4 200 mm，φ=17.8 mm的錨索進行配套使用。錨索間排距為2 000 mm×1 300 mm。中間錨索要垂直巷道圍巖打設，兩側錨索與圍巖夾角不小于75°。錨索安裝鐵托板后，其外露長度應在托板外150～250 mm范圍內，錨索預緊力范圍在80～96 kN間(即20.2～24 MPa間)，錨固力不低于200 kN，錨索漲緊器型號為MQ-250/63。同時，保證幫錨桿距頂板高度為500 mm。

3.3 鋪掛金屬網

在鋪掛金屬網前，一定要認真仔細的確定好巷道頂板穩定情況，嚴格執行敲幫問頂制度，在保證不會出現問題的情況下進行施工。要求金屬網鋪平、鋪展，緊貼頂幫。一般巷道的頂角幫網與頂網不得搭接，必須鋪設整體金屬網。根據實際情況如在施工過程中需要金屬網合理搭接時，應特別注意網與網搭接是否牢固，兩者應該孔孔相連，壓茬連接，綁扎牢固，壓茬長度為200 mm。同時，使用扭結2股的14#鐵絲交錯布置于間隔為200 mm的固定點上。為了保證金屬網綁扎牢固。扭結接頭采用雙絲雙扣雙排加固。綁死扭結不少于3圈。鋪設過程中為了避免錨網與巖面脫離，出現網兜的現象。故使用錨桿托板時必須將網壓緊、壓平，螺帽擰緊，嚴禁松動，錨網支護必須緊跟迎頭。支護時必須有專人在現場監護，嚴格按規定要求操作。

3.4 錨桿錨索安裝

打鉆孔：打鉆孔時使用MQT-130/3.2型手持氣動式風鉆配備麻花鉆桿和雙翼煤鉆頭，錨桿機嚴禁干打眼，必須帶水作業。錨桿眼深度須與錨桿長度相匹配，眼深誤差控制在0～20 mm。且錨桿眼打設深度必須比使用的錨桿長度多出80 mm以上。打眼時須有專人監護，并保證臨時支護的穩定和安全。

裝藥卷：安裝藥卷前要對已鉆好的所有錨桿眼通過壓風的方法進行掃孔，保證清除孔內的巖渣和積水。同時，裝藥前還需再次檢查錨桿孔的深度和角度是否符合要求、錨桿構件是否齊全以及待裝藥卷是否硬化、過期或損壞等，并按設計要求將藥卷裝入孔內。錨固劑的環形壁厚應控制在4～10 mm。

插入錨桿桿體：將錨桿桿體套上托板并帶上螺母后，通過連接套把桿尾與錨桿機頭進行連接，而后將桿端插入已裝好藥卷的巖孔內，利用錨桿桿體推送孔口處的藥卷直至藥卷接觸到孔底為止，然后啟動錨桿機攪拌藥卷。

安裝托盤及螺母：安裝托盤及螺母時嚴禁用錘擊或風錘攪拌的方法安裝錨桿。過程中必須使用專用錨桿安裝機具，充分攪拌混合錨固劑。同時采用快速安裝工藝，使攪拌固劑、上托盤、擰緊螺母一次性完成。

4 結論

(1)巷道斷面變形量較小且兩幫無明顯偏移，頂板位移量與兩幫位移量均在200 mm以內。

(2)總體支護效果較好，并未出現漏頂竄矸現象，大大減小了安全隱患。

(3)采用上述支護技術不僅減少了工人的勞動強度和工程量，更加快了巷道的掘進速度，具有良好的經濟效益。