錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)在近距離煤層采空區(qū)下巷道中的應(yīng)用

李彥軍

（大同煤礦集團(tuán)公司 煤峪口礦，山西 大同 037041）

煤峪口礦井田開采的11號(hào)、12號(hào)層與14號(hào)層間距一般為5.5～9.36m，平均7.96m，屬于近距離煤層開采。上覆11號(hào)層為厚煤層（煤厚7m以上），采用上下分層開采方法均已開采；下面的14號(hào)層受上層采空區(qū)集中應(yīng)力影響，巷道一般壓力較大，一直采用U29型五節(jié)金屬拱支護(hù)，巷道支護(hù)成本接近每米3500元，支護(hù)費(fèi)用相當(dāng)高。

1 立項(xiàng)原因

煤峪口礦14號(hào)層307盤區(qū)5707巷上覆為11號(hào)層采空區(qū)，層間距8～11m，11號(hào)層采空區(qū)積水已由相鄰14號(hào)層307盤區(qū)2707巷排出；5707巷掘進(jìn)前期的掘進(jìn)期間巷道圍巖穩(wěn)定，故將其原設(shè)計(jì)U29五節(jié)拱棚聯(lián)合支護(hù)改變?yōu)殄^桿、錨索掛金屬網(wǎng)支護(hù)；掘進(jìn)斷面由原設(shè)計(jì)4.5 m×3.0m五節(jié)拱型斷面改變?yōu)?.3m×2.6m矩形斷面。

2 研究內(nèi)容

2.1 技術(shù)論證可行性

1）5707巷與上賦11號(hào)層的層間厚度8 m以上，目前圍巖狀況良好，直接頂為深灰色粉砂巖細(xì)粒砂巖、均厚3.2m；老頂為灰白色粗砂巖、灰黑色粉砂巖、均厚8.3 m；前期掘進(jìn)期間頂板無離層現(xiàn)象。

2）上賦空區(qū)內(nèi)原賦存積水12204m3，由于目前14號(hào)層2707巷以掘進(jìn)完畢，且2707巷低于現(xiàn)掘5707巷，大部分積水均由2707巷排出，目前5707巷頂板淋水少，且施工隊(duì)組按探放水措施要求施工放水孔積極排水。

3）14號(hào)層8707工作面煤層近水平展布，地質(zhì)構(gòu)造簡單，無大型斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造。

4）14號(hào)層8707工作面服務(wù)年限較短，僅為6個(gè)月。5707巷用途為行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等，故3.3m×2.6m矩形斷面完全能滿足需要。

2.2 支護(hù)參數(shù)的計(jì)算

1）采用解析法確定單體錨桿的支護(hù)參數(shù)

①錨桿長度L 的確定：L=l1+l2+l3.

式中：l1為錨桿外露長度，取100 mm；l2為有范圍、易調(diào)查，確定的易碎直接頂厚度，煤峪口礦14號(hào)層頂板圍巖屬于Ⅱ、Ⅲ類較穩(wěn)定或中等穩(wěn)定圍巖，取值范圍為400～1500mm。l3為深入穩(wěn)定巖層長度，按錨固粘結(jié)力（πdτcl3）等于桿體屈服或拉斷承載力而得算式：

式中：d 為錨桿直徑，20mm；σt為桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，φ20螺紋鋼錨桿設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度550MPa。τc為錨桿與樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度，螺紋鋼取5.0 MPa。所以錨桿長度L=l1+l2+l3=100+（400～1 500）+550=（1 050～2 150）mm，取值確定錨桿長度2000mm。

②按錨桿桿體承載力P 與錨固力Q 等強(qiáng)度原則，確定錨桿直徑d∶P=πd2σt/4=Q。d=1.13（Q/σt）0.5.

式中：Q 為按煤峪口礦現(xiàn)場錨固力拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取49 000 N；σt為錨桿桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，按普通低碳鋼抗拉強(qiáng)度，取值420MPa。

所以d=1.13（49000/（420×106））0.5=0.0124m=12.4 mm。錨桿直徑選擇為20mm大于12.4mm，可滿足支護(hù)需要。

③確定錨桿整體參數(shù)：綜合國內(nèi)某些單位采用的錨桿參數(shù)和國外關(guān)于錨桿參數(shù)的某些經(jīng)驗(yàn)規(guī)定，可按下式確定錨桿參數(shù)。錨桿長度：L＝N（1.1＋B/10）。

式中：B 為巷道或硐室跨度，5707巷取3.5m。N 為圍巖穩(wěn)定性影響系數(shù)，規(guī)定如下：Ⅱ類(穩(wěn)定性較好)圍巖，N=0.9；Ⅲ類和(中等穩(wěn)定)圍巖，N=1.0；Ⅳ類(穩(wěn)定性較差)圍巖，N=1.1；Ⅴ類(不穩(wěn)定)圍巖，N=1.2。根據(jù)頂板現(xiàn)狀分析，提高支護(hù)的安全系數(shù)，選用Ⅳ類穩(wěn)定性較差圍巖N=1.1時(shí)，則：L5707=N（1.1+B/10）=1.1（1.1+3.5/10）=1.595m.

④按懸吊理論計(jì)算錨桿整體參數(shù)：若用錨桿把不穩(wěn)定的軟弱巖層懸吊在堅(jiān)固巖體上，按懸吊理論計(jì)算，見圖1。

圖1 懸吊理論計(jì)算錨桿整體參數(shù)

錨桿長度：L=KH＋L1＋L2.

錨桿間距：根據(jù)錨桿的錨固力應(yīng)等于或大于被懸吊軟弱巖層重量的原則確定，即有Q≥KHD2·γ。則有

式中：Q 為錨固力，t，根據(jù)現(xiàn)場拉撥試驗(yàn)，取5t；γ 為軟弱巖層平均容重，t/m3，查表取2.05t/m3；K 為安全系數(shù)，取K=2；H 為冒落高度，取H=1.1。

故取錨桿間距D 為0.9～1.0m。通過驗(yàn)算，14號(hào)層5707巷選擇φ20螺紋鋼錨桿，配合金屬網(wǎng)支護(hù)煤層頂板，可滿足支護(hù)需要；選擇錨桿排間距小于等于1.0m 可滿足正常條件下頂板支護(hù)的需要。

2）錨索參數(shù)的設(shè)計(jì)

①錨索長度的確定：為了加強(qiáng)錨固體的強(qiáng)度，減少頂板冒落，采用預(yù)應(yīng)力錨索作加強(qiáng)支護(hù)。采用低松弛、高強(qiáng)度鋼絞線，直徑17.8 mm，該鋼絞線的最低破斷載荷345kN，應(yīng)用懸吊理論計(jì)算，錨索長度：L=l1+l2+l3.

式中：L 為錨索長度；l1為錨索外露長度，取0.30 m；l2為巷道頂板潛在破壞范圍，取L2=2.01m；l3為錨索伸入老頂長度，可按l3=dσt/（4τc）計(jì)算。

式中：d 為錨索直徑，取17.8mm。σt為錨索鋼絞線的抗拉強(qiáng)度，345kN的破斷載荷作用在φ17.8mm的鋼絞線上，相當(dāng)于強(qiáng)度1387MPa，所以σt取1387MPa。τc為鋼絞線與樹脂粘結(jié)強(qiáng)度，取10MPa。代入數(shù)據(jù)L3=0.624m。

算得：L=0.3+2.01+0.624=2.934m。從計(jì)算結(jié)果與14號(hào)層307盤區(qū)8707面掘進(jìn)地質(zhì)說明書分析，直接頂為深灰色粉砂巖、細(xì)粒砂巖互層，厚度1.6～4.8 m，老頂為灰白色粗砂巖、灰黑色粉砂巖、厚度7.0～9.6m；選擇6m錨索支護(hù)5707巷，保證錨索錨固在老頂穩(wěn)定巖層中，可達(dá)到有效控制頂板。

②錨索排間距及抗拉拔力的確定：5707巷錨索根據(jù)我礦的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)確定為一排，間距為3 000 mm，在施工過程中錨索預(yù)緊時(shí)的預(yù)拉力必須達(dá)到80 kN之間。為防止巷道頂板巖層發(fā)生大面積整體垮落，采用φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線，將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于穩(wěn)定巖層中。校核錨索排、間距，冒落方式按最嚴(yán)重的冒落高度大于錨桿長度的整體冒落考慮。此時(shí)，依靠錨索發(fā)揮懸吊作用，在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用下式計(jì)算錨索排、間距：

式中：L 為錨索間距，m；B 為巷道最大冒落寬度，按5707巷取3.5m；H 為巷道冒落高度，按最嚴(yán)重冒落高度取2.0 m；γ 為巖體容重，25.6kN/m3；L1為錨桿排、間距，1.0m；F1為錨桿錨固力，49kN；F2為錨索極限承載力，取345kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；N 為錨索排數(shù)，取1。通過上述計(jì)算，得到5707錨索間距L＜4.08 m，5707巷選擇每3m一根錨索，符合此要求，所選錨索參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

③護(hù)幫錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)：為了保證5707巷掘進(jìn)與服務(wù)期間的安全，決定在5707巷兩幫由頂板下1 000mm處各施工一排護(hù)幫錨桿，兩幫頂板下1200m范圍內(nèi)掛金屬網(wǎng)。

2.3 安全措施

1）由施工單位每3m探一次層間距，若層間距小于6m，或遇頂板淋水加大、圍巖破碎等，應(yīng)按工作面實(shí)際情況及時(shí)制定專項(xiàng)措施。

2）掘進(jìn)及回采期間，如巷道礦壓顯現(xiàn)，頂板下沉200 mm、兩幫位移200 mm的情況下，可在礦壓顯現(xiàn)段補(bǔ)架U29特殊五節(jié)拱棚，提高支護(hù)強(qiáng)度，仍能保證該巷正常使用。

3 效益分析

1）簡化支護(hù)：按要求該巷改變支護(hù)后剩余長度866 m，按U29棚支護(hù)費(fèi)用每米3200元計(jì)算，可節(jié)約支護(hù)費(fèi)用約277萬元。

2）加快推進(jìn)速度：由于縮小巷道斷面，且簡化支護(hù)工藝，掘進(jìn)速度由原來4m/d，提高到6 m/d，預(yù)計(jì)可提前57 d竣工。

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