松軟厚煤層支護技術

劉新坤 王愛國 宋廣成

（通化礦務局 吉林省白山市 134300）

松軟厚煤層支護技術

劉新坤 王愛國 宋廣成

（通化礦務局 吉林省白山市 134300）

臨江市永安煤業(yè)有限責任公司為了解決松軟厚煤層的支護問題，會同遼寧工程技術大學共同選擇了錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護設計，并對現(xiàn)場的實際支護參數(shù)進行了測定，分析巷道表面位移、離層等礦壓數(shù)據(jù)，總結出錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護這一項成功的支護技術。

松軟厚煤層掘進；聯(lián)合支護；錨桿；錨索；金屬網；鋼筋梯

1 概況及自然條件

臨江市永安煤業(yè)有限責任公司+100東二石門區(qū)，位于三采區(qū)+100～+160東部，東起F5號斷層，西至采區(qū)邊界，下起+100標高，上至+160標高，平均走向長360 m，平均傾斜長145 m。該區(qū)地表標高為+790～+800，垂深640 m。該區(qū)地質構造比較簡單，區(qū)內沒有大的斷層，經+160控制有一走向斷層，落差2 m～3 m。原采區(qū)控制有一斜切逆斷層，落差3 m。該區(qū)煤層為3層煤，分上下2層，中間以黃砂巖為界。黃砂巖厚度為0.1 m～0.5 m，平均0.3 m。煤層結構復雜，黃砂巖上煤層中有2～3層夾石，以下有3～4層夾石，夾石累計厚度1.64 m；煤層總厚度累計最大8.6 m，最小5.5 m，平均7.0 m；煤層傾角最大29°，最小21°，平均25°。頂?shù)装迩闆r見圖1。

圖1 綜合柱狀圖

煤層易冒落，遇水膨脹，有底臌現(xiàn)象。巷道壓力大，巷道穩(wěn)定性屬Ⅲ、Ⅳ類。該區(qū)巷道均沿煤層底板掘送。在+100東二石門掘送集中上山，其斷面為拱形，寬4 m，高3.2 m?；夭擅嫔?、下順槽均在集中上山開口。圖2為綜采工作面設計平面圖及剖面圖（見圖 2）。

圖2 綜采工作面設計平面及剖面

2 支護設計與參數(shù)

由遼寧工程技術大學在我公司進行的礦井煤層物理力學性質測定結果，應用工程類比法確定我公司煤巷錨桿支護參數(shù)的初始設計。其理論依據(jù)主要是錨桿支護的組合梁和懸吊理論，其設計過程采用了動態(tài)信息法。針對巷道的維護特點，經過初始設計、施工監(jiān)測、信息反饋和多次修正，確定了巷道的錨桿支護設計和參數(shù)。

巷道按照回采工藝和設備布置要求，其形狀尺寸及支護設計見圖3。

圖3 支護斷面示意及斷面展開

2.1 工作面巷道錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯聯(lián)合支護初始數(shù)據(jù)

①錨桿采用等強度螺紋鋼，錨桿直徑18 mm。

②錨桿長度L=2.0 m。

③錨桿間排距確定，間距e=0.6 m，排距i=0.8 m。

④鋼筋梯選擇：直徑Φ=12 mm，梯寬B=100 mm。

⑤金屬網為8號鐵線編織的菱形網，網格尺寸50 mm×50 mm。

⑥錨索選擇：直徑Φ=15.4 mm，錨索有效長度L=6 m，排距1.6 m。

⑦木墊板選擇：木質選擇楊木或柳木，尺寸為200 mm×300 mm×50 mm。

⑧錨桿托盤采用150 mm×150 mm×8 mm球冠托盤。

2.2 錨桿支護方式的理論驗算

2.2.1錨桿長度計算

按懸吊理論計算錨桿參數(shù)。

式中：L——錨桿長度，m；

H——冒落拱高度，m；

K——安全系數(shù)，一般取K=2；

L1——錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經驗

取0.4 m；

L2——錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.15 m。

式中：B——巷道開掘寬度，取4.0 m；

f——巖石堅固性系數(shù)，砂巖取3。

則L=2×0.67+0.4+0.15=1.89 m，現(xiàn)使用的錨桿長度為2.0 m，可以滿足支護要求。

2.2.2 錨桿間距及排距計算

設間排距均為a，

式中：a——錨桿間排距，m；

Q——錨桿設計錨固力，50 kN/根；

H——錨桿有效長度，取2.0 m；

r——被懸吊砂巖的重力密度，取25 kN/m3；

K——安全系數(shù)，一般取K=1.5.

經過上述計算，錨桿間排距取0.6 m×0.8 m能滿足對頂板支護的需要。

2.2.3 錨桿直徑確定

式中：d——錨桿桿體直徑，mm；

Q——錨固力，由拉拔試驗確定，kN；

δt——桿體材料抗拉強度，MPa。

d=35.52× (50/200)1/2=17.76 mm，取18 mm。

現(xiàn)使用的錨桿直徑為18 mm，可以滿足支護要求。

2.2.4錨索間距計算

式中：L——錨索間距，m；

n——錨索排數(shù)，取1；

F2——錨索極限承載力，取230 kN；

B——巷道最大冒落寬度，取4.0 m；

H——巷道最大冒落高度，取2.0 m；

r——巖體容重，25 kN/m3；

F1——錨桿錨固力，50 kN；

L1——錨桿排距，0.8 m；

φ——錨桿與巷道頂板的夾角，90°。

經上述計算，錨索間距1.2 m，排距、直徑、長度取經驗數(shù)分別為3.2 m(1.6 m、0.8 m)、15.4 mm和6 m，可以滿足支護的要求，錨索必須打至穩(wěn)定巖層內。

3 施工技術要求

為保證巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性，應在最短時間內及時安設錨桿、錨索，保證其受力均衡。針對煤體松軟的不利因素采取了縮小循環(huán)進尺，每掘進一排錨桿的排距即進行支護，使頂部支護緊跟迎頭。為保證錨桿、錨索的有效錨固力，必須按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的角度、深度安設錨桿、錨索，并做到三徑匹配，不得隨意改變參數(shù)。錨桿用1卷K2335型、1卷Z2335型、1卷M2335型樹脂錨固劑錨固。錨桿預緊力20 kN，安裝2 d～3 d后必須進行二次加扭。錨索用1卷K2335型、2卷Z2335型、1卷M2335型樹脂錨固劑錨固，以保證錨固效果，打注后滯后24 h拉緊，錨索預緊力60 kN～70 kN。鋼筋梯在使用時確保錨桿托盤切實接觸鋼筋梯、金屬網和圍巖。

4 礦壓監(jiān)測

4.1 巷道變形

巷道內每隔30 m設置一個測站，此區(qū)共設14組測點，采用十字布點法布置觀測點。由于煤層埋藏深度大，礦山壓力顯著，巷道變形嚴重。第1個月最為明顯，其中兩幫移近速率為6.3 mm/d～8.1 mm/d，頂板下沉速率為3.1 mm/d～3.5 mm/d，穩(wěn)定期兩幫移近速率為 1.3 mm/d～2.4 mm/d，頂板下沉速率為0.5 mm/d～1.6 mm/d。巷道變形兩幫移近量最大400 mm，最小259 mm；頂板下沉量最大188 mm，最小135 mm；底臌量最大313 mm，最小225 mm。見圖4、圖5。

圖4 巷道收斂曲線

圖5 頂板下沉曲線

4.2 頂板離層

采用DLY-4型頂板離層指示儀，對頂板離層進行觀測，此區(qū)共設離層儀10個。離層儀每隔30 m～50 m安裝1個，深度為6 m。觀測結果表明，在此區(qū)內由于煤層松軟、遇水膨脹等原因，頂板離層明顯，第1個月尤為嚴重。淺層離層速率為2.2 mm/d～2.57 mm/d，深層離層速率為 2.5 mm/d～4.82 mm/d。在穩(wěn)定期內，淺層離層速率為0.55 mm/d～1.34 mm/d，深層離層速率為0.63 mm/d～1.13 mm/d。觀測頂板離層量深部最大達到270 mm，淺部最大達到220 mm，未超過設計允許值。見圖6。

圖6 頂板離層曲線

4.3 巷道壓力

采用Y-100型壓力盒監(jiān)測錨桿、錨索受力狀況，巷道內每隔30 m～50 m安裝1組（3個）與離層儀交錯布置，此區(qū)共設10組觀測點。通過觀測，頂板錨桿的工作阻力最大100 kN，兩幫錨桿的工作阻力最大140 kN，沒有出現(xiàn)壓力值達到錨桿屈服強度的現(xiàn)象。見圖7。

圖7 巷道壓力曲線

5 錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護費用

采用錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護每m巷道（S=12.24 m2）總費用為657+1 657.97=2 314.97元/m，人工及費用見表1，材料及費用見表2。

表1 錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護每m巷道人工費用

表2 錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護每m巷道材料費用

6 U型鋼棚支護費用

采用U型鋼棚支護每m巷道（S=12.24 m2）總費用為 3 726.8+2 270.7×2=8 268.2元/m。

U型棚支護總費用為658.3+3 068.5=3 726.8元/m，人工及費用見表3，材料及費用見第29頁表4。

表3 U型棚支護人工及費用

翻修一次U型棚總費用為330+1 940.7=2 270.7元/m，人工及費用見第29頁表5，材料及費用見第29頁表6。

7 經濟效益對比

采用U型鋼棚支護時，棚距0.8 m/架，架棚總費用3 726.8元/m，每5個月需翻修一次巷道，翻修費用為2 270.7元/m。

表4 U型棚支護材料及費用

表5 翻修一次U型棚人工及費用

表6 翻修一次U型棚材料及費用

+100東二石門區(qū)采區(qū)服務年限為15個月，采區(qū)巷道總長度1 020 m，采用架棚支護時每m巷道總費用8 268.2元，采用錨網支護時每m巷道總費用2 556.1元。目前+100東二石門區(qū)采區(qū)支護狀況良好，圍巖穩(wěn)定，經過技術經濟比較，采用錨網聯(lián)合支護共節(jié)約巷道支護費用5 826 342元。

8 總結

根據(jù)監(jiān)測結果，未修改設計前與修改設計后巷道收斂情況對比見表7、表8。

礦壓監(jiān)測綜合結果表明，錨桿工作阻力達到125 kN，頂板下沉到120 mm，頂板離層到130 mm后，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。壓力圖形分析及現(xiàn)場實際觀察，巷道兩幫相對位移大于頂、底板相對位移且兩幫壓力大于頂板壓力。為此我們對原設計進行了修改，把錨桿長度由原2 000 mm長改為2 200 mm，頂板錨索由原五花形布置改為一字形，每排共打3根，排距1 600 mm，間距1 200 mm（從巷道中心向兩側布置）。

表7 未修改設計前巷道收斂情況 mm

表8 修改設計后巷道收斂情況 mm

根據(jù)監(jiān)測結果，臨江市永安煤業(yè)有限責任公司巷道施工證明，松軟厚煤層采用錨桿、錨索、金屬網、鋼筋梯聯(lián)合支護是可行的，與以往巷道其他支護相比，不僅改善了巷道維護狀況，降低了支護成本，而且擴大了有效利用空間，巷道基本不需要翻修，具有很好的支護效果，滿足于實際生產的支護要求。

Supporting Technology of Soft Thick Coal Seams

Liu Xinkun Wang Aiguo Song Guangcheng

In order to solve the supporting problems of soft thick seam,YongAn Coal Industry Co.,Ltd.,together with Liaoning Technical University,analyzed the anchor,anchor rope,metal mesh,steel ladder joint support design,measured the actual supporting parameters,and analyze laneway surface displacement,absciss layer and other mine pressure data,summarize a successful joint support technology of anchor,anchor rope,metal mesh,steel ladder.

soft thick coal seam tunneling；anchor；anchor rope；metal mesh；steel ladder

TD353

A

1000-4866（2011）03-0025-05

劉新坤，男，1972年9月出生，1993年7月遼源煤校（采煤專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在通化礦務局生產技術處工作，工程師。

王愛國，男，1967年11月出生，1993年7月通化礦務局職工中專（采煤專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在臨江市永安煤業(yè)有限責任公司工作，助理工程師。

宋廣成，男，1977年9月出生，2010年7月遼寧工程技術大學（采礦技術專業(yè)）畢業(yè)，現(xiàn)在臨江市永安煤業(yè)有限責任公司工作，技術員。

2011-06-16

2011-07-07