厚錨固板支護(hù)理論在三溝鑫都煤礦的實(shí)踐研究

張建斌

(1. 太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2. 山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

煤礦中的許多巷道尤其是煤巷的兩幫不僅強(qiáng)度低，大多還屬于裂隙體，甚至是破碎體，此時(shí)巷道圍巖的穩(wěn)定性狀況主要取決于兩幫巖體的變形、破壞等現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展[1,2]。傳統(tǒng)的棚子支護(hù)存在著支架結(jié)構(gòu)笨重、運(yùn)輸量大、安裝勞動(dòng)強(qiáng)度大、巷道斷面利用率低等缺點(diǎn)[3,4]，而且不適應(yīng)現(xiàn)代礦井大斷面巷道的穩(wěn)定性控制要求，更難以滿(mǎn)足大跨度開(kāi)切眼的支護(hù)要求。因此，揭示錨固支護(hù)的本質(zhì)機(jī)理、探索破碎圍巖條件下的錨固支護(hù)方法，是促進(jìn)大斷面巷道圍巖穩(wěn)定控制理論技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善的重要工作[5,6]。

本文運(yùn)用厚錨固板理論確定三溝鑫都煤礦巷道的錨固支護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了破碎兩幫錨固支護(hù)參數(shù)的定量確定，解決了錨固結(jié)構(gòu)適應(yīng)大斷面破碎圍巖巷道的支護(hù)難題，使錨固支護(hù)技術(shù)突破了創(chuàng)痛觀念，不受巷道兩幫破碎區(qū)域大小的限制均可成功運(yùn)用。

1 厚板錨固理論

根據(jù)裂隙巖體及破碎巖體的力學(xué)特征，破碎兩幫錨桿支護(hù)宜采用擠壓加固和整體錨固相結(jié)合的支護(hù)方式。即通過(guò)錨、網(wǎng)等作用使兩幫形成具有一定承載能力的擠壓加固體。懸吊理論認(rèn)為將巷道頂板較軟弱的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上，增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性。對(duì)于回采巷道經(jīng)常遇到的層狀巖體當(dāng)巷道開(kāi)掘后，直接頂因彎曲、變形與基本頂分離，如果錨桿及時(shí)將直接頂擠壓并懸吊在基本頂上，就能減小和限制直接頂?shù)南鲁梁碗x層，以達(dá)到支護(hù)的目的。由于兩幫破碎巖體的內(nèi)聚力很小或幾近喪失，故在其中形成的錨固體只能承受一定的擠壓和剪切作用，而不能承受明顯的拉伸作用。因此，兩幫錨固體應(yīng)具有“厚板”的形狀特征，即錨固體的厚度與寬度之比要大于薄板厚寬比的上限(如圖1所示)。

1—巷道；2—幫錨桿；3—錨固力壓縮區(qū)；4—錨固體；M—巷高；B—巷寬；t1—粘錨力積聚段長(zhǎng)度；t2—錨固端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度；t3—錨固體厚度；t4—錨尾端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度；t5—外露長(zhǎng)度圖1 厚板錨固結(jié)構(gòu)示意圖

2 工程概況

三溝鑫都煤礦2號(hào)煤層平均厚1.83 m，含0.2 m左右的泥巖夾矸，強(qiáng)度低、完整性差。其直接頂板為砂質(zhì)泥巖、砂巖，厚約2.0 m左右，屬半堅(jiān)硬級(jí)巖石，老頂為深灰色粉砂巖及砂巖，厚約10.0 m左右，巖石堅(jiān)硬，頂板巖石硬度系數(shù)f為2～4.2，一般不易冒落；底板為灰黑色或深灰色泥巖和粉砂巖，屬軟級(jí)至半堅(jiān)硬級(jí)巖石。

初采面開(kāi)切眼斷面特征：矩形斷面，掘進(jìn)斷面6.5 m×2.4 m =15.60 m2，凈斷面6.3 m×2.3 m=14.49 m2。

根據(jù)巖層條件分析，初采面開(kāi)切眼頂板穩(wěn)定性較好，底板為軟弱巖層，但由于埋深錢(qián)，應(yīng)力場(chǎng)水平低，所以底板穩(wěn)定性狀況也會(huì)處于較好狀態(tài)。而由于煤層強(qiáng)度低且破碎，選擇適宜的支護(hù)方式、確定恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)參數(shù)將是巷道穩(wěn)定性控制效果優(yōu)劣的關(guān)鍵。

3 初采面開(kāi)切眼錨固支護(hù)方案及參數(shù)

錨固支護(hù)參數(shù)主要包括錨固強(qiáng)度、錨桿間排距、錨桿長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度等。以下依據(jù)厚板錨固理論確定初采面開(kāi)切眼的各錨固參數(shù)。

3.1 開(kāi)切眼頂板支護(hù)參數(shù)

根據(jù)開(kāi)切眼的幾何形狀特征，頂板支護(hù)宜選用錨網(wǎng)支護(hù)方式：φ20左旋無(wú)筋螺紋鋼錨桿 + 菱形金屬網(wǎng) + φ15.24錨索。

1) 支護(hù)載荷分析

頂板載荷高度為：

式中，h——載荷高度，m；Σh——表面破裂層厚度，m；b——巷道跨度，m；k——兩幫支撐削弱系數(shù)；h0——巷道高度，m。

頂板載荷集度(單位面積的載荷)q為：

q=hγ=1.54×27=41.67 kPa

式中，γ——頂板容重，kN/m3。

2) 頂板錨桿間、排距

頂板錨桿的間、排距為：

式中：F——錨桿錨固力；K——安全系數(shù)。

3) 頂板錨桿錨固長(zhǎng)度的確定

根據(jù)頂板巖層錨固條件分析，錨固長(zhǎng)度應(yīng)不小于：

4) 頂板錨桿長(zhǎng)度

根據(jù)載荷體的厚度要求，跨度為6.5 m的開(kāi)切眼頂板錨桿最小長(zhǎng)度為：

l=l1+l2+l3=0.1+1.54+0.6=2.24 m

式中，l1——錨桿外露長(zhǎng)度，m；l2——載荷體高度，m；l3——深入穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的最小長(zhǎng)度，m。

5) 頂板錨索參數(shù)的確定

開(kāi)切眼軸線方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的頂板載荷為：

Q=h×b×γ=270 kN

每米所需錨索數(shù)量為：

n=0.8Q/T=1.44(根/m)

依據(jù)以上分析結(jié)合開(kāi)切眼斷面參數(shù)，頂板錨固參數(shù)確定如下。

頂板錨桿：

錨桿規(guī)格：φ20×2200;

最小錨固長(zhǎng)度：0.9 m;

間距：1.0 m;

排距：1.0 m;

設(shè)計(jì)錨固力：100 kN/根;

預(yù)緊力：50 kN/根(扭矩190 N·m);

頂板錨桿托盤(pán)：150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度鋼托盤(pán);

頂板錨索：

錨索規(guī)格：φ15.24×7000;

錨固長(zhǎng)度：1.2 m;

間距：1.6 m，排距：2.0 m;

設(shè)計(jì)錨固力：150 kN/根;

預(yù)緊力：100 kN/根;

頂板錨索托盤(pán)：200 mm×200 mm×15 mm。

3.2 開(kāi)切眼兩幫支護(hù)參數(shù)

3.2.1 巷幫錨固強(qiáng)度

依據(jù)載荷狀況確定開(kāi)切眼兩幫錨固強(qiáng)度為：

=88.6(kPa)

其中，q為兩幫可承載錨固體所受載荷集度，即：

b′為巷道得力學(xué)等效跨度：

b′=6.5+2×2.4tg30°≈9.28(m)

t3為兩幫可承載錨固體的厚度。依據(jù)厚錨固板理論，t3為：

3.2.2 錨桿布置密度

依據(jù)錨固強(qiáng)度以及所選用錨桿規(guī)格型號(hào)，錨桿布置密度為：

若排距取1.0 m，則間距可取為1.0 m。

粘錨力積聚段長(zhǎng)度t1為：

錨固端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度t2為：

錨尾端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度t4為：

3.2.3 錨桿長(zhǎng)度

根據(jù)以上個(gè)段長(zhǎng)度分析，錨桿總長(zhǎng)度t為：

t=t1+t2+t3+t4+t5

=0.38+0.5+0.5+0.2+0.1=1.7 (m)

3.2.4 錨固長(zhǎng)度

根據(jù)錨固強(qiáng)度及錨固條件，錨固長(zhǎng)度t0為：

t0=2t1=0.76(m)

依據(jù)上述分析計(jì)算并結(jié)合開(kāi)切眼實(shí)際幾何參數(shù)綜合考慮，兩幫錨固參數(shù)確定如下。

錨桿規(guī)格：φ20×1800；

錨桿間距：1.0 m；

錨桿排距：1.0 m；

錨固長(zhǎng)度：0.9 m；

設(shè)計(jì)錨固力：80 kN/根；

預(yù)緊力：30 kN/根(扭矩115 N·m)；

巷幫采用150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度鋼托盤(pán)，如圖2所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

通過(guò)對(duì)開(kāi)切眼圍巖變形觀測(cè)，掌握了三溝鑫都煤礦2#煤層首采面開(kāi)切眼的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

開(kāi)切眼圍巖位移觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

觀測(cè)結(jié)果表明，開(kāi)切眼掘出后的初期圍巖位移速度較快，然后逐漸趨于平穩(wěn)?？傮w看，頂板下沉在成巷160 h約7天后已基本趨于穩(wěn)定，兩幫位移在250 h約10天后基本趨于穩(wěn)定。

頂板總體下沉量不大，大多在40 mm以?xún)?nèi)；兩幫相對(duì)移近量大多在90 mm以?xún)?nèi)，說(shuō)明開(kāi)切眼支護(hù)效果良好，錨固方案合理。

5 結(jié)論

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)力學(xué)特征對(duì)山西晉煤集團(tuán)晉圣三溝鑫都煤業(yè)有限公司2#煤層首采工作面開(kāi)切眼圍巖特性進(jìn)行了分析，采用了適宜的錨固支護(hù)原理，確定了錨固支護(hù)方案及參數(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究。主要結(jié)論如下：

圖2 開(kāi)切眼錨固支護(hù)斷面圖

圖3 開(kāi)切眼錨固支護(hù)斷面圖

1) 三溝鑫都煤礦首采面開(kāi)切眼頂板巖層屬典型的層狀結(jié)構(gòu)，宜采用懸吊原理確定錨固支護(hù)參數(shù)。

2) 兩幫具有明顯的松軟破碎特征，宜采用大厚度錨固板理論為依據(jù)確定兩幫錨固支護(hù)參數(shù)。

3) 觀測(cè)結(jié)果表明，開(kāi)切眼掘出后的初期圍巖位移速度較快，約10天后逐漸趨于平穩(wěn)，且變形量不大。效果良好，說(shuō)明開(kāi)切眼所采用的錨固支護(hù)方案合理。

4) 實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果說(shuō)明，錨固支護(hù)是一種適應(yīng)

性較強(qiáng)的巷道支護(hù)方式，即使在兩幫松軟破碎條件下，只要依據(jù)合理的支護(hù)理論確定適宜的錨固支護(hù)參數(shù)，依然可以獲得成功。

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