風氧化帶錨網(wǎng)索支護技術的研究與應用

劉旦龍，鄧明亮，李光輝，魏垂勝

(1.河南煤業(yè)化工集團城郊煤礦，河南永城 476600;2.河南煤業(yè)化工集團車集煤礦，河南永城 476600)

風氧化帶錨網(wǎng)索支護技術的研究與應用

劉旦龍1，鄧明亮1，李光輝1，魏垂勝2

(1.河南煤業(yè)化工集團城郊煤礦，河南永城 476600;2.河南煤業(yè)化工集團車集煤礦，河南永城 476600)

城郊煤礦21205工作面膠帶巷掘進至通尺1100m時遭遇風氧化帶，通過“冒落拱”模型對巷道斷面進行了優(yōu)化，利用“懸吊理論”對支護參數(shù)進行了重新設計，同時通過加強監(jiān)控檢測等方法安全有效地通過了風氧化帶區(qū)，取得了很好的效果。

風氧化帶;錨網(wǎng)索;斷面優(yōu)化;冒落拱;懸吊理論

Technology of Anchored Cable Mesh Supporting in Oxidation Zone and Its Application

城郊煤礦是河南煤業(yè)化工集團永煤公司本部的5個現(xiàn)代化大型礦井之一，設計生產(chǎn)能力為5Mt/a。井田南北長約12km，東西寬約11km，北鄰陳四樓井田，面積103km2。井田地表高程大約為34m。礦井設計利用儲量為 725.76Mt，可采儲量402.29Mt，其中第一水平 188.30Mt，第二水平213.99Mt。

1 地質(zhì)概況

21205膠帶巷位于城郊煤礦12采區(qū)，該工作面西為21401工作面 (未采)，東為21204工作面(未采)，南鄰西北膠帶運輸巷保護煤柱，北至煤層露頭風氧化帶保護煤柱。設計長度1627.76m，巷道沿煤層掘進，煤層傾角最大為5°，最小為1°，平均為3°，煤厚3.18m;直接頂為泥巖，平均厚3.48m;基本頂為中粒沙巖，平均厚3.7m，屬穩(wěn)定巖層。設計巷道斷面為矩形，凈寬4.2m，毛斷面按巷高2.9m計算，凈斷面按巷高2.8m計算。巷道頂板采用錨網(wǎng)帶+錨索梁聯(lián)合支護，幫部采用錨網(wǎng)梯支護。

21205膠帶巷掘進至通尺1100m時，頂板0～7m段出現(xiàn)風化軟弱巖層，頂板巖石強度明顯降低，親水能力變強，軟化系數(shù)變低，支護非常困難，經(jīng)過取樣檢測，得到風化巖層實際力學參數(shù)見表1。

表1 21205膠帶巷風化巖層力學參數(shù)

2 技術應對措施

2.1 巷道斷面優(yōu)化

在原來的設計中巷道斷面的確定是根據(jù)“冒落拱”理論確定的。巖層原巖應力因巷道的開挖而被破壞，在達到新的應力平衡之前，巷道上覆巖層要產(chǎn)生滑移、離層、冒落等運動，這些運動勢必會對上部巖層產(chǎn)生一定的影響［1］。根據(jù)“冒落拱”高度的計算公式:

式中，B為巷道開掘?qū)挾?f為巖石堅固性系數(shù)。

在頂板條件穩(wěn)定時巖石堅固性系數(shù)f值為4，巷道開掘?qū)挾热?.4m，所以在原設計條件下“冒落拱”高度H=0.55m。

遇到風氧化帶后，經(jīng)實測頂板巖石堅固性系數(shù)下降至3.5。由于原來的錨桿長度及錨固力等參數(shù)都是由原設計里的“冒落拱”高度進行驗算，所以要保證支護質(zhì)量滿足要求，必須重新設計巷道寬度B，使冒落拱高度小于原來設計冒落拱高度。由式 (1)可以得到:

式中，f取遇到風氧化帶后的頂板巖石堅固性系數(shù);H為原設計冒落拱高度。代入得巷道寬度B=3.85m。

為了預留一定的安全系數(shù)，巷道寬度取3.6m。經(jīng)進一步驗算，優(yōu)化后的巷道斷面能滿足掘進及回采時巷道正常通風行人等需求。

2.2 支護參數(shù)優(yōu)化

通過現(xiàn)場實測，風氧化巖層頂部在距煤層上部5～7m的位置，整個風氧化巖層呈土黃色，強度很低，巖石物理力學性質(zhì)與正常巖層物理力學性質(zhì)相比結果見表1。錨桿及錨索的錨固段是否達到上部穩(wěn)定巖層中，錨固力是否能懸吊住下部不穩(wěn)定巖層是錨網(wǎng)索支護技術的關鍵。

在原設計中，巷道頂部采用錨網(wǎng)帶支護，錨桿選用20mm×2200mm高強錨桿，設計錨固力120kN，錨桿間排距為800mm×800mm，鋼帶選用長3600mm的BHW－220－2.75型鋼帶，鋼帶排距為800mm，頂板采用錨索梁加強支護，錨索梁沿巷道中心線布置2排 (巷道中心線偏左800mm布置一排，偏右800mm布置一排);每側錨索梁縱向間距為5000mm，錨索梁長度為3000mm，一梁三索。錨索使用 φ18.9mm鋼絞線，長度不低于7000mm，預緊力150kN。巷道斷面支護見圖1。

圖1 原巷道支護設計

低幫選用 φ16mm，長1800mm的樹脂錨桿，排距800mm，高幫錨桿及布置同頂錨桿。

遇到風氧化帶后，頂板錨桿無法有效地錨固到風氧化巖層上部的穩(wěn)定巖層中，錨桿將失去懸吊作用，僅僅起到組合梁加固拱的作用，支護強度不符合要求。按照懸吊理論對支護參數(shù)進行重新設計。

錨索的間距、排距計算 (按最大斷面計算)，設計令間距、排距均為a，則:

式中，a為錨索間、排距，m;Q為錨索設計錨固力，150kN/根;H為冒落拱高度，0.55m;r為被懸吊泥巖的重力密度，19.992kN/m3;K為安全系數(shù)，一般取2，考慮到頂板條件不好取較大值5。

通過以上計算，確定沿巷道中心線兩側各700mm布置兩排走向錨索梁，錨索梁成三花布置，梁長3000mm，一梁三索，分別在距兩端200mm及中間各鉆φ22mm的錨索孔。錨索梁縱向間距由5000mm縮短為900mm，錨索規(guī)格為 φ18.9mm×8000mm，錨索使用有效長度不低于7500mm，預緊力150kN，另在錨索梁及索具中間加200mm×100mm×10mm的墊片，保證錨索外露長度為50～100mm。錨索梁緊跟工作面迎頭。另外，為了保證頂板錨桿的組合加固效果，將錨桿間排距由原來設計的800mm×800mm優(yōu)化成750mm×750mm。優(yōu)化后巷道斷面支護見圖2。

圖2 優(yōu)化后巷道支護設計

2.3 加強監(jiān)控檢測

(1)監(jiān)測內(nèi)容 21205膠帶巷監(jiān)測主要內(nèi)容有:巷道表面位移、圍巖深部位移、頂板離層、錨桿錨固力、預緊力、錨索的預緊力等。

(2)監(jiān)測方法 巷道頂板離層量使用頂板離層儀進行監(jiān)測，在原設計中要求每隔50m安裝1個，遇到風氧化帶后要求每隔30m安裝1個，且讀數(shù)必須每隔3d觀測1次，當頂板下沉速度每天大于5mm時要求每天觀測。

巷道幫部位移量采用“十字測點”法監(jiān)測，在原設計中要求每隔50m設置1個觀測點，遇到風氧化帶后要求每隔30m設置1個觀測點，每隔3d觀測1次，有任何異常情況及時匯報處理。

2.4 監(jiān)控檢測效果

從2011年11月開始，歷經(jīng)兩個多月的跟蹤監(jiān)測，通過后期的的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以明顯地看出巷道的變形規(guī)律。大致可以將其分為掘進影響期、掘后穩(wěn)定期［2］。

掘進影響期巷道相對變形量較為明顯，頂板最大下沉速度達到7mm/d，距掘進工作面70～80m時巷道趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量80mm。頂板離層儀淺基點最大讀數(shù)為10mm，深基點無讀數(shù) (見圖3)。兩幫最大相對位移量為20mm。掘進穩(wěn)定期圍巖變形量顯著降低，并且保持微小的速度，不斷地產(chǎn)生蠕變。

圖3 頂板離層

3 結束語

城郊煤礦21205膠帶巷遇到風氧化帶后，通過合理優(yōu)化巷道斷面，增強改進支護參數(shù)同時加強監(jiān)護監(jiān)測，成功地控制住了頂板風氧化帶軟弱巖層，杜絕了冒頂事故。

［1］郭成志.風氧化帶內(nèi)頂板支護技術的研究［J］.能源技術與管理，2004，3(3):38－39.

［2］陳福林，林雪禮，范高賢.風氧化帶錨網(wǎng)梯支護監(jiān)測技術應用 ［J］.煤礦現(xiàn)代化 (S)，2006:125－126.

TD353

B

1006-6225(2012)03-0061-02

2012－03－01

劉旦龍 (1988－)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，助理工程師，城郊煤礦技術員。

［責任編輯王興庫］