受二次動(dòng)壓影響大斷面巷道強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)

郜建國(guó)

（山西焦煤集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 太原 030053）

受二次動(dòng)壓影響大斷面巷道強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)

郜建國(guó)

（山西焦煤集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 太原 030053）

針對(duì)12211軌道順槽受相鄰工作面和本工作面的強(qiáng)烈采動(dòng)影響，造成巷道圍巖變形、破壞嚴(yán)重的情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、工程類(lèi)比、理論分析及礦山壓力觀測(cè)相結(jié)合的研究方法，應(yīng)用強(qiáng)力錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶及錨索對(duì)巷道進(jìn)行組合支護(hù)，有效地控制了巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了煤巷安全高效掘進(jìn)，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二次動(dòng)壓；大斷面巷道；強(qiáng)力錨桿；支護(hù)

屯蘭礦南二盤(pán)區(qū)受二次動(dòng)壓影響的12211工作面運(yùn)輸順槽，由于受到比較強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，造成巷道圍巖變形、破壞嚴(yán)重，需要多次維修與翻修，支護(hù)費(fèi)用高，安全得不到保證。原巷道采用一般的錨桿支護(hù)技術(shù)已不能滿(mǎn)足安全、生產(chǎn)的要求。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、工程類(lèi)比、理論分析及礦山壓力觀測(cè)相結(jié)合的研究方法，應(yīng)用強(qiáng)力錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶及錨索對(duì)巷道進(jìn)行組合支護(hù)，有效地控制了巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了煤巷安全高效掘進(jìn)，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 支護(hù)方案

1.1 巷道圍巖條件

巷道斷面特性：南二盤(pán)區(qū)12211工作面運(yùn)輸順槽斷面形狀為矩形，凈寬4.2 m，凈高3.0 m，凈斷面積12.6m2。

圍巖條件：順槽布置在2號(hào)煤層中，沿煤頂掘進(jìn)。該工作面內(nèi)2號(hào)煤層與3號(hào)煤層合并，平均厚度為4.52m，普氏硬度f(wàn)=2，煤層結(jié)構(gòu)為3.11（0.67夾石）0.74m，夾石為泥巖。煤質(zhì)為焦煤。煤層傾向南東，傾角1°～8°，平均傾角為3°。

煤層直接頂為灰色細(xì)砂巖，質(zhì)較硬，普氏硬度f(wàn)=5，穩(wěn)定性差，屬?gòu)?fù)合頂板，厚度0～2.5m，偽頂為黑色泥巖，性脆，抗壓強(qiáng)度差，普氏硬度f(wàn)=3，厚度為0.5 m。老頂為灰白色粉砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，厚度為5.70m。

煤層直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度為0.85 m，普氏硬度f(wàn)=3。老底為淺灰色粉砂巖與細(xì)砂巖互層，厚度為4.50m。

該工作面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層整體呈一向南傾斜的向斜構(gòu)造，向斜軸位于工作面中部，東翼傾角1°～8°，西翼傾角1°～5°。有兩個(gè)小型斷層，斷層落差分別為2.0m和2.5m，都為正斷層，對(duì)掘進(jìn)和回采影響不大。

巷道沒(méi)有進(jìn)行過(guò)原巖應(yīng)力測(cè)量，但從井下實(shí)際情況分析，巷道壓力較大，特別是構(gòu)造應(yīng)力有可能占主導(dǎo)地位。此外，該巷道要受到兩次強(qiáng)烈的采動(dòng)影響，動(dòng)壓影響劇烈。

1.2 巷道錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)

1.2.1 支護(hù)材料及施工機(jī)具

a.支護(hù)材料。巷道設(shè)計(jì)選用了強(qiáng)力錨桿系列材料，包括強(qiáng)力錨桿桿體和附件，低粘度、高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固劑，強(qiáng)力W鋼帶。桿體為左旋無(wú)縱肋螺紋鋼筋，桿尾螺紋段采用滾壓工藝加工。

強(qiáng)力錨桿是指桿體破斷力在300 kN以上的錨桿。對(duì)于直徑22 mm的BHRB600型鋼筋，屈服力達(dá)235.6 kN，破斷力達(dá)311.6 kN；對(duì)于直徑25 mm的強(qiáng)力錨桿，屈服力達(dá)300 kN以上，破斷力達(dá)400 kN以上。

b.施工機(jī)具。巷道頂板采用MQT-120型氣動(dòng)錨桿（索）鉆機(jī)打錨桿（索）孔及攪拌樹(shù)脂錨固劑卷；巷幫采用大扭矩氣動(dòng)式鉆機(jī)打錨桿孔及攪拌樹(shù)脂錨固劑卷。錨桿預(yù)應(yīng)力應(yīng)達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%。根據(jù)換算關(guān)系，錨桿的預(yù)擰緊力矩應(yīng)達(dá)到300～600N·m，因此，選用了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)配套的錨桿張拉器，額定張拉力達(dá)120kN，實(shí)現(xiàn)了高預(yù)應(yīng)力。此外，由于錨索直徑和噸位的大幅度提高，要求施加的預(yù)緊力也明顯提高，選用了與強(qiáng)力錨索配套的錨索張拉設(shè)備。優(yōu)選大扭矩預(yù)緊扳手，確定最大扭矩在3000～4000N·m的預(yù)緊扳手能夠滿(mǎn)足錨桿螺母安裝扭矩500～800N·m的需要。

1.2.2 錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)

巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：頂板每排打設(shè)5根φ20×2 400 mm的錨桿，錨桿排距為900 mm；巷幫每排打設(shè)6根φ18×2 400 mm的錨桿。每1 800 m頂板布置三排錨索。頂板采用鋼筋托梁和金屬網(wǎng)護(hù)頂，巷幫采用塑料網(wǎng)護(hù)幫，并在采空區(qū)一側(cè)幫每1 800 mm打設(shè)一根錨索護(hù)幫，配合鋼筋托梁。

經(jīng)計(jì)算及數(shù)值分析，確定屯蘭礦12211軌道順槽采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。

a.頂板支護(hù)。錨桿形式和規(guī)格：桿體為25號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4 m，桿尾螺紋為M27；錨固方式：樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固，采用三支錨固劑，一支規(guī)格為K2835型，二支規(guī)格為Z2860型。鉆孔直徑為34 mm，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm；W鋼帶規(guī)格：W鋼帶寬度250 mm，厚度5 mm，長(zhǎng)度3.8 m；托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm；錨桿角度：靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度為與垂線(xiàn)成15°；網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護(hù)頂；錨桿布置：錨桿排距1.0 m，每排4根錨桿，間距1.2 m；錨索：?jiǎn)胃摻g線(xiàn)，φ17.8 mm，長(zhǎng)度6.3 m，加長(zhǎng)錨固，采用三支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，兩支規(guī)格為Z2360。錨索每排1根，排距為2.0 m；錨索托板：采用規(guī)格為300mm×300mm×16mm的鋼板。

b.巷幫支護(hù)。錨桿形式和規(guī)格：桿體為22號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.2 m，桿尾螺紋為M24；錨固方式：樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為K2335型，另一支規(guī)格為Z2360型。鉆孔直徑為30 mm，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm；W鋼帶規(guī)格：W鋼帶寬度250 mm，厚度3 mm，長(zhǎng)度2.6 m；錨桿角度：靠近頂?shù)装宓南飵湾^桿安設(shè)角度為與水平線(xiàn)成10°；網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護(hù)幫；錨桿布置：錨桿排距1.0m，每排3根錨桿，間距1.2m。

2 井下施工和礦壓監(jiān)測(cè)

2.1 井下施工工藝

施工工藝包括掘進(jìn)和支護(hù)兩大部分。

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)流程是：先從左上幫定位切割煤幫，直至底板。然后從左到右，從下向上切割破碎中間部分，再切割右?guī)停詈髮⑾锏垒喞M(jìn)行修整。

頂板支護(hù)的施工工藝流程為：掛鋼筋梯—臨時(shí)支護(hù)—鉆頂板中部錨桿孔、掛金屬網(wǎng)、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母—鉆頂板中旁錨桿孔、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母—臨時(shí)支護(hù)改位—鉆頂板邊錨桿孔、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母—鉆頂板邊斜（角）錨桿孔、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母。

兩幫的錨桿支護(hù)一般落后于工作面一定距離和破煤運(yùn)煤平行作業(yè)，施工步驟與頂板支護(hù)基本相同。

2.2 礦壓觀測(cè)

從2005年9月～2007年10月在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了巷道圍巖變形觀測(cè)。

a.監(jiān)測(cè)內(nèi)容。12211軌道順槽受相鄰工作面和本工作面的采動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力集中，變形較嚴(yán)重。為了及時(shí)掌握并對(duì)比兩種支護(hù)形式下巷道的變形情況，在順槽內(nèi)140m～900m之間共安設(shè)12組測(cè)站，每組測(cè)站包括一個(gè)在線(xiàn)頂板離層儀和一組表面位移測(cè)站。

b.監(jiān)測(cè)結(jié)果。在巷道前700m，測(cè)得頂板下沉量在166～257mm之間，兩幫位移量在101～487mm之間，巷道頂板和兩幫都有較大變形；在巷道700 m往后，測(cè)得頂板下沉量在10～85 mm之間，兩幫位移量在73～106mm之間，巷道頂板和兩幫變形基本都在100mm左右，巷道保持穩(wěn)定。

從以上礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿支護(hù)頂板不但控制了頂板的變形，還有效地控制了巷道兩幫的強(qiáng)烈變形。巷道兩幫收斂量在最大時(shí)為106mm，為巷道寬度的2.4%；在地質(zhì)條件較好區(qū)段，巷道兩幫收斂量為73 mm，為巷道寬度的1.6%；而采用的普通高強(qiáng)錨桿支護(hù)頂板時(shí)，巷道兩幫收斂量在最大時(shí)為487 mm，為巷道寬度的10.8%；在地質(zhì)條件較好的區(qū)段，巷道兩幫收斂為101 mm，為巷道寬度的2.3%。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 技術(shù)效果

12211工作面軌道順槽采用北京開(kāi)采所最新研制開(kāi)發(fā)的高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)，成功地對(duì)大斷面巷道進(jìn)行了支護(hù)。在錨桿排距放大到1 000 mm，間距放大到1 200 mm的情況下，巷道頂板和兩幫變形量顯著減小，并處于穩(wěn)定狀態(tài)，為工作面正常推進(jìn)創(chuàng)造了非常有利的條件，取得了顯著的技術(shù)效果。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

直接經(jīng)濟(jì)效益包括巷道支護(hù)材料費(fèi)用和巷道維護(hù)費(fèi)用。采用高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)，支護(hù)材料費(fèi)用明顯低于原高強(qiáng)錨桿支護(hù)。同等條件下（巷道斷面規(guī)格及圍巖類(lèi)別），錨桿支護(hù)材料費(fèi)用一般可比原有錨桿支護(hù)材料費(fèi)用低10%～20%。巷道斷面越大，高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)越性越明顯。經(jīng)計(jì)算原設(shè)計(jì)支護(hù)形式每米材料費(fèi)為1 891.06元，而采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)形式每米材料費(fèi)為1865.08元，每米節(jié)約支護(hù)材料費(fèi)用25.98元。巷道維修費(fèi)用如按新掘支護(hù)材料費(fèi)用的50%計(jì)算，維修費(fèi)用則高達(dá)945.53元。然而，新的錨桿支護(hù)形式少打一根錨索，可提高巷道掘進(jìn)速度；采用高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)，巷道變形量非常小，在服務(wù)年限內(nèi)基本不用維修。綜上所述，采用高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿每米巷道節(jié)省費(fèi)用971.51元。

間接經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。煤巷采用高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)后，不僅改善了工作面順槽支護(hù)狀況，避免了動(dòng)壓條件下巷道維修，為礦井工作面快速推進(jìn)創(chuàng)造了有利條件，減少了材料運(yùn)輸量。巷道掘進(jìn)速度仍保持在500m/月。工作面煤炭單產(chǎn)提高10%，年多產(chǎn)煤炭10余萬(wàn)t。

4 結(jié)論

針對(duì)屯蘭煤礦強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道條件，提出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)理論。其顯著的特點(diǎn)是大幅度提高錨桿支護(hù)的剛度與強(qiáng)度，采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。設(shè)計(jì)的原則是一次支護(hù)原則，避免多次維修；高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則；“三高一低”原則（即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度）；臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則及相互匹配原則。是一種非常適合屯蘭煤礦強(qiáng)烈動(dòng)壓條件下巷道圍巖條件的支護(hù)系統(tǒng)。

采用最新研制的支護(hù)材料。強(qiáng)力錨桿專(zhuān)用鋼材－左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，并專(zhuān)門(mén)配鋼，達(dá)到超高強(qiáng)度級(jí)別。鋼的牌號(hào)BHRB600，屈服強(qiáng)度為620MPa，破斷強(qiáng)度為800MPa。達(dá)到合理科學(xué)的匹配。同時(shí)，使用了φ18.6 mm的強(qiáng)力錨索及其配套的施工設(shè)備，其中錨索的破斷力可達(dá)40t，延伸率可達(dá)4.5%。

井下試驗(yàn)證明，高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)控制圍巖變形能力強(qiáng)，在臨近采空區(qū)還沒(méi)有穩(wěn)定的情況下掘進(jìn)巷道，有效地控制了圍巖強(qiáng)烈變形，巷道兩幫收斂量控制在300 mm以?xún)?nèi)，為巷道寬度的6.7%左右。同時(shí)頂板總離層量控制在50 mm以?xún)?nèi)，支護(hù)效果理想；而采用普通高強(qiáng)錨桿支護(hù)頂板時(shí)，巷道兩幫收斂量在最大時(shí)為487 mm，為巷道寬度的10.8%。

Abstract:No.12211 track transportation tunnel suffers the severe mining effects from its own and its adjacent working faces,so deformation of surrounding rocks and severe destruction are caused.On the basis of actual condition,the study adopts comprehensive research methods,including:field survey,engineering analogy,theoretical analysis and pressure observing.The integrated supporting with strength bolt,metallic mesh,steel strips and cables effectively controls the deformation,realizes the efficient driving,and gains prominent technical,economical and social benefits.

Keywords:secondary dynamic pressure;large-section roadway;strength bolt;supporting

編輯：劉新光

Strength Bolt Supporting Technology in Large-section Roadway under the Secondary Dynamic Pressure

GAO Jian-guo

（Technology Center of Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan Shanxi 030053,China）

TD672

A

1672-5050（2010）06-0061-03

2010-03-16

郜建國(guó)（1963—），男，山西長(zhǎng)治人，采煤工程師，從事煤礦支護(hù)技術(shù)研究及技術(shù)管理工作。