霍爾辛赫礦井大斷面煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)研究

張軍鵬

（山煤國際霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600）

霍爾辛赫礦井大斷面煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)研究

張軍鵬

（山煤國際霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600）

為解決霍爾辛赫礦井大斷面煤巷錨桿支護(hù)體系的存在問題，先從理論上分析現(xiàn)存問題的原因，并找出關(guān)鍵因素：錨桿（索）的預(yù)應(yīng)力在支護(hù)系統(tǒng)中起關(guān)鍵性作用。采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，分析錨桿預(yù)緊力、長度、間距、錨固方式、角度、鋼帶、及錨索預(yù)緊力的不同應(yīng)力效果。在霍爾辛赫開拓巷道和3201首采工作面巷道進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)及對錨桿（索）受力進(jìn)行監(jiān)測，得出高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)（錨桿預(yù)緊扭矩400N·m、錨索預(yù)緊力300kN）可有效提高支護(hù)效果，能有效控制圍巖變形。

錨桿支護(hù)；加長錨固；強(qiáng)力支護(hù)；聯(lián)合支護(hù)

1 霍爾辛赫井田的概述

霍爾辛赫井田屬沁水煤田，地處長治市長子縣，面積71.3946km2，開采3號煤層，平均厚度5.65m。設(shè)計(jì)能力300mt/a，服務(wù)年限60.3a，屬基建轉(zhuǎn)生產(chǎn)礦井。根據(jù)開采煤層賦存特點(diǎn)、頂?shù)装鍘r性，礦井巷道大部分沿煤層布置。由于地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道斷面較大、三叉口和四叉口處斷面更大、特點(diǎn)顯著，加之煤層較破碎，造成巷道支護(hù)困難，大多產(chǎn)生底臌現(xiàn)象。為公司巷道支護(hù)技術(shù)在高起點(diǎn)快速發(fā)展，為礦井高效、節(jié)約化生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件；須對大斷面煤巷的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面、系統(tǒng)、深入的研究和試驗(yàn)，提高巷道支護(hù)效果，降低支護(hù)成本，從而促進(jìn)礦井快速高效建設(shè)和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，具有十分重要的意義。

2 大斷面煤巷錨網(wǎng)支護(hù)的因素探析

錨網(wǎng)支護(hù)受到圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等許多因素影響，因而找到影響錨網(wǎng)支護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)，就成為有效提高錨網(wǎng)的及時(shí)支護(hù)能力、改善巷道支護(hù)效果的重中之重?；魻栃梁盏V井雖用過錨網(wǎng)支護(hù)等多種支護(hù)方式，但在圍巖地質(zhì)條件差的地段，巷道的錨網(wǎng)支護(hù)效果并不好，巷道變形劇烈、破壞區(qū)域較大、錨網(wǎng)及時(shí)支護(hù)的特征沒能發(fā)揮出來，具體表現(xiàn)：（1）錨桿施工時(shí)的預(yù)應(yīng)力較小，又形成被動(dòng)支護(hù)，不能有效及時(shí)控制巷道巖層間早期的離層、錯(cuò)動(dòng)、裂隙，導(dǎo)致圍巖的整體性和強(qiáng)度大大降低、巷道圍巖出現(xiàn)較大變形。（2）錨網(wǎng)支護(hù)的組合構(gòu)件（如：托梁、托盤等）強(qiáng)度不足，故在巷道圍巖應(yīng)力集中的破碎地段的這些組合構(gòu)件常有被拉脫、剪斷的狀況，應(yīng)力更大時(shí)托盤會(huì)被壓翻卷或者出現(xiàn)局部裂隙破碎。（3）錨網(wǎng)支護(hù)的護(hù)表構(gòu)件，例如：金屬網(wǎng)等力學(xué)特性與支護(hù)用錨桿的強(qiáng)度不匹配，致使錨桿（索）間的圍巖鼓大、突出、變形明顯；一方面很大影響錨網(wǎng)的支護(hù)效果，二方面使得巷道斷面變小、而致不能有效使用。

從因素分析可知［1-3］，增強(qiáng)錨網(wǎng)支護(hù)整體的強(qiáng)度是重中之重，主要途徑有三條：（1）給錨桿（索）施加強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力，并通過組合構(gòu)件（如：托板、鋼帶等）實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散。（2）改端部錨固為加長錨固，使錨桿桿體對巷道圍巖的離層、錯(cuò)動(dòng)十分敏感，起到及時(shí)抑制巷道圍巖的錯(cuò)動(dòng)、離層。（3）采用先進(jìn)的錨桿緊固施工器具，使得施工中能給錨桿施加高強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力。

3 支護(hù)參數(shù)對支護(hù)效果的數(shù)值模擬分析

采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，在零原巖應(yīng)力場條件下，分析錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)施加的應(yīng)力場分布特征與影響因素，得出以下結(jié)果：（1）給錨桿施加高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力條件下，支護(hù)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力區(qū)域相互連接，形成范圍很廣的有效壓應(yīng)力區(qū)、布滿整個(gè)頂板，錨桿主動(dòng)支護(hù)的效果得到很好體現(xiàn)，見圖1。

圖1 不同預(yù)緊力時(shí)的錨桿支護(hù)附加應(yīng)力場分布

（2）在預(yù)緊力一定的條件下，隨著錨桿長度的增加，預(yù)緊力對圍巖的支護(hù)壓應(yīng)力越來越不明顯，主動(dòng)支護(hù)的效果性越差。因此，錨桿越長施加的預(yù)緊力應(yīng)越大。（3）在預(yù)緊力一定的條件下，隨著排排錨桿間距的縮減，形成的支護(hù)壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠攏、相互重疊，形成交互的整體結(jié)構(gòu)，預(yù)緊力及主動(dòng)支護(hù)效果擴(kuò)展到絕大部分錨網(wǎng)支護(hù)區(qū)域；當(dāng)排排錨桿數(shù)量增加到某個(gè)臨界點(diǎn)后，再增加錨桿數(shù)量，對錨網(wǎng)支護(hù)有效壓應(yīng)力區(qū)的擴(kuò)展作用不顯著。（4）在預(yù)緊力一定的條件下，端部錨固時(shí)，錨桿支護(hù)形成的有效壓應(yīng)力區(qū)的厚度較大，形成類似“葫蘆”狀的壓應(yīng)力分布區(qū)；加長錨固時(shí)，形成的有效壓應(yīng)力區(qū)的厚度較小，形成類似“錐體”狀的壓應(yīng)力分布區(qū)。因此，在僅考慮錨桿預(yù)應(yīng)力時(shí)，加長錨固的效果低于端部錨固。擴(kuò)散加長錨固預(yù)應(yīng)力效果的可靠途徑是先施加預(yù)應(yīng)力、錨固劑后固化，形成類似于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的特征結(jié)構(gòu)，見圖2。（5）近水平煤層巷道中，頂板角部錨桿最大角度不應(yīng)超過5°，最好垂直布置。（6）增加鋼帶可使錨桿相互形成整體，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)展，顯著提高錨桿對圍巖的整體效果。（7）當(dāng)給錨索的預(yù)緊力達(dá)到300kN時(shí)，錨索尾部附近形成的壓應(yīng)力值達(dá)到0.5mPa，在錨索自由段長度范圍內(nèi)，形成了相互連接、相互疊加的壓應(yīng)力區(qū)，使錨索預(yù)應(yīng)力對圍巖的主動(dòng)支護(hù)作用越明顯；同時(shí)，錨索間形成骨架式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，錨索對圍巖的支護(hù)作用更加顯現(xiàn)，見圖3。

圖2 不同錨固方式錨桿的支護(hù)附加應(yīng)力場

圖3 不同錨索預(yù)緊力的支護(hù)附加應(yīng)力場分布

4 大斷面煤巷的錨桿支護(hù)試驗(yàn)

4.1 霍爾辛赫開拓時(shí)大斷面巷道

（1）地質(zhì)及生產(chǎn)條件。開拓大巷采用“三進(jìn)兩回”布置，中間為主運(yùn)大巷，兩側(cè)為東西輔運(yùn)大巷和東西回風(fēng)大巷，巷道間距60m。東輔運(yùn)大巷現(xiàn)掘進(jìn)長度650m，沿3號煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)、平均厚度5.65m，煤質(zhì)松軟。煤層偽頂是平均0.28m的泥巖，直接頂是平均11.96m的砂質(zhì)泥巖，老頂是平均7.86m的中粒砂巖。直接底板為平均1.18m的泥巖，老底為平均3.36m的細(xì)粒砂巖。從開拓地質(zhì)條件看，受到陷落柱、斷層、褶曲等構(gòu)造應(yīng)力的影響，表現(xiàn)為高應(yīng)力條件下的深井軟煤層開采。

（2）支護(hù)方案：東輔運(yùn)大巷的凈斷面5m×5.25m，掘進(jìn)斷面5.2m×5.6m，采用上下臺階兩次掘進(jìn)方法。參照設(shè)計(jì)并經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算分析，選用加長預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)，頂板錨桿桿體選用MSG500號Φ22mm螺紋鋼、長度2.4m，錨桿排距900mm，每排6根，間距900mm；使用2支低粘度樹脂藥卷加長錨固，規(guī)格為Z2360和K2335；使用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護(hù)頂，鋼帶寬度80mm、長度4900mm；使用6號鋼筋焊接的金屬網(wǎng)護(hù)頂，規(guī)格2000mm×1000mm；錨索選用Φ22mm，1×19股高強(qiáng)度鋼絞線，長度7300mm。每排錨桿間打2根錨索，錨索排距1800mm，間距1800mm。巷幫錨桿形式和規(guī)格同頂錨桿，錨桿排距900mm，每排7根，上臺階間距850mm、下臺階間距800mm；使用1支低粘度樹脂藥卷錨固，規(guī)格為Z2360；采用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護(hù)幫，鋼帶寬度80mm，上臺階長度2950mm，下臺階長度2800mm；使用6號鋼筋焊接的金屬網(wǎng)護(hù)頂，規(guī)格2000mm×1000mm；巷幫錨索材質(zhì)同頂錨索，長度5300mm。每排錨桿間打4根錨索，排距1800mm，上臺階間距1000mm、下臺階間距1200mm。錨桿預(yù)緊扭矩都為400N·m，錨索預(yù)緊力都為300kN。巷道支護(hù)布置見圖4。

圖4 東西輔運(yùn)大巷支護(hù)簡圖

（3）礦壓監(jiān)測：使用錨桿測力計(jì)和測力錨桿，對加長預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)錨桿實(shí)際受力狀況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如下：巷道剛開始掘進(jìn)期間，兩幫移近量40mm，頂?shù)装逡平?0mm，巷道變形量不大。巷道掘進(jìn)累計(jì)4m～15m時(shí)，錨桿的受力變化較大，之后趨于穩(wěn)定。錨桿受力沿長度方向不均勻分布，孔口處最小，在距孔口700m～950mm處受力最大；950mm至錨固端各部位受力基本保持不變。從礦壓監(jiān)測結(jié)果看出，加長預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的效果優(yōu)良，可有效控制圍巖變形。

4.2 霍爾辛赫3201工作面大斷面巷道

（1）地質(zhì)及生產(chǎn)條件。3201工作面為首采工作面，切眼全長200m，沿3號煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均厚度5.52m，煤質(zhì)松軟。3號煤層偽頂是平均0.38m的泥巖，直接頂是平均8.96m的砂質(zhì)泥巖，老頂是平均5.86m的中粒砂巖。直接底板為平均0.98m的泥巖，老底為平均3.36m的細(xì)粒砂巖。從掘進(jìn)地質(zhì)條件看，受到陷落柱、斷層、褶曲等構(gòu)造應(yīng)力的影響，表現(xiàn)為高應(yīng)力條件下的深井軟煤層開采。

（2）支護(hù)方案：3201工作面開切眼的支護(hù)斷面7.5m×2.95m，使用內(nèi)外側(cè)幫兩次掘進(jìn)方法。參照設(shè)計(jì)并經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算分析，選用加長預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)。頂板錨桿桿體選用MSG500號Φ22mm螺紋鋼，長度2.4m。錨桿排距900mm，每排10根，外側(cè)幫間距900mm、內(nèi)側(cè)幫間距800mm。使用2支低粘度樹脂藥卷加長錨固，規(guī)格為Z2360和K2335。采用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護(hù)頂，鋼帶寬度80mm，外側(cè)幫長度4000mm，內(nèi)側(cè)幫長度3500mm。采用16號鐵絲編制的菱形網(wǎng)護(hù)頂，錨索材料Φ22mm，1×19股高強(qiáng)度鋼絞線，長度7300mm。每兩排錨桿間打6根錨索，內(nèi)外側(cè)都為三花布置，錨索排距900mm，外側(cè)幫間距1800mm、內(nèi)側(cè)幫間距1600mm。外側(cè)巷幫錨桿形式和規(guī)格同頂錨桿，內(nèi)測幫錨桿采用玻璃鋼錨桿，桿體直徑20mm，長度2.0m，使用2支低粘度樹脂藥卷錨固，規(guī)格為Z2360和K2335。采用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護(hù)幫，鋼帶寬度80mm，長度2800mm。外側(cè)幫采用金屬網(wǎng)護(hù)幫，內(nèi)側(cè)幫采用高分子塑料網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格2900mm×1000mm。錨桿排距900mm，每排4根，間距800mm。錨桿預(yù)緊扭矩都為400N·m，錨索預(yù)緊力都為300kN。巷道支護(hù)布置示意圖，見圖5。

圖5 3201開切眼支護(hù)簡圖

（3）礦壓監(jiān)測：3201切眼錨桿受力見圖6，從監(jiān)測結(jié)果得出，錨桿初始預(yù)緊扭矩400N·m時(shí)，錨桿初始預(yù)緊力42kN～100kN之間，此后錨桿受力基本穩(wěn)定，說明錨桿初始預(yù)緊力設(shè)計(jì)合理，能很好控制巷道圍巖，防止圍巖離層、破碎擴(kuò)容的發(fā)生，保持其完整性，充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)作用。其中錨桿受力最大為100kN，低于錨桿破斷載荷，說明錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)合理。3201切眼錨索受力見圖7，從圖得出，錨索初始預(yù)緊力為280kN和300kN，此后由于受到掘進(jìn)動(dòng)壓的影響，錨索逐漸增加，最后錨索受力始終保持在300kN左右，說明錨索初始預(yù)緊力300kN設(shè)計(jì)基本合理，能夠很好控制頂板離層、變形破碎的發(fā)生，充分發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用，防止頂板垮落冒頂事故發(fā)生。

圖7 3201切眼錨索受力監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

（1）研究發(fā)現(xiàn)，霍爾辛赫大斷面煤巷變形破壞形式主要表現(xiàn)為：兩幫內(nèi)擠、片落；平頂巷道頂板彎曲下沉、斷裂；底板底臌。（2）針對霍爾辛赫大斷面煤巷圍巖變形特征，使用高預(yù)應(yīng)力、高剛度、高強(qiáng)度錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)，可實(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。（3）數(shù)值模擬分析得出，霍爾辛赫大斷面煤巷應(yīng)加強(qiáng)頂板和兩幫支護(hù)，防止頂板垮落和兩幫片幫現(xiàn)象發(fā)生。（4）通過霍爾辛赫首采工作面開切眼等煤巷現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)表明，高預(yù)應(yīng)力、高剛度、高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)能夠抵抗礦井大斷面煤巷的各種壓力顯現(xiàn)，支護(hù)效果明顯，巷道兩幫位移量和頂板下沉量最大僅為10mm，能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要，試驗(yàn)效果良好。

[1] 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2] 吳擁政.全長預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011,39（11）:27-30.

[3] 山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究[R]，山西：山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，2010.

Anchor Nets Support Technology in Large Section Coal Roadways of Huoerxinhemine

ZHANG Jun-peng
(Shanxi International Huoerxinhe Coal Co.,Changzhi Shanxi 046600)

To solve the problems of bolt supporting system in the large section roadways of Huoerxinhemine,we analyzed the causes and found out that the prestress of bolt(anchor)was the key in the system.Statistical simulation was used to study the bolt preload,lengths,intervals,anchoring patterns,angles,steel belts,and stress effects of anchor preload.Though industrial testing andmonitoring of bolt and anchor stress,a high prestress intensive bolt-anchor support system was established with 400N·m bolt pre-torque and 333KN anchor preload,which could improve the supporting effect and control the surrounding rocks deformation effectively.

bolt support;extended anchor;intensive support;combined support

TD353

A

1672-5050（2012）10-0046-04

2012-07-09

張軍鵬（1981—），男，山西陽城人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

樊 敏