四井五區(qū)5-2S一片順槽錨桿錨索支護(hù)初始設(shè)計(jì)

陳仕清 CHEN Shi-qing

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）公司五家煤礦，赤峰 024076）

（Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry（Group）Company，Chifeng 024076，China）

四井五區(qū)5-2S一片順槽錨桿錨索支護(hù)初始設(shè)計(jì)

陳仕清 CHEN Shi-qing

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）公司五家煤礦，赤峰 024076）

（Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry（Group）Company，Chifeng 024076，China）

本設(shè)計(jì)是內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司五家煤礦四井五區(qū)5-2S一片順槽錨桿錨索支護(hù)初始設(shè)計(jì)。在對(duì)錨桿進(jìn)行支護(hù)的過(guò)程中，采用動(dòng)態(tài)信息支護(hù)設(shè)計(jì)法進(jìn)行相應(yīng)的處理。通常情況下，設(shè)計(jì)步驟主要涉及：調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)、評(píng)估地質(zhì)力學(xué)，初始設(shè)計(jì)，綜合監(jiān)測(cè)和信息反饋，以及對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和日常監(jiān)測(cè)等。本文在詳細(xì)調(diào)查試驗(yàn)地點(diǎn)和評(píng)估地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出初始設(shè)計(jì)，主要包括支護(hù)形式和參數(shù)、支護(hù)材料、井下施工工藝和安全措施、礦壓監(jiān)測(cè)等相關(guān)的內(nèi)容。該設(shè)計(jì)實(shí)施于井下后，還應(yīng)得到礦壓監(jiān)測(cè)的驗(yàn)證或修改。

五家煤礦；五區(qū)5-2S一片；順槽；支護(hù)設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)

0 引言

平煤集團(tuán)五家煤礦是我國(guó)典型的軟巖礦井。由于該礦在侏羅紀(jì)煤系地層進(jìn)行開(kāi)采，在一定程度上使得煤層及頂?shù)装鍘r層膠結(jié)比較差，在特性方面主要表現(xiàn)為：強(qiáng)度低、松散破碎、易風(fēng)化、易崩解、遇水膨脹等，進(jìn)而在一定程度上增加了支護(hù)礦井采準(zhǔn)巷道的難度，普遍存在底臌、片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，在服務(wù)期內(nèi)，使得大部分巷道需要進(jìn)行多次的翻修，回采工作的正常推進(jìn)受到嚴(yán)重影響，由此造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，更是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全構(gòu)成巨大威脅。

1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法介紹

現(xiàn)有的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法很多。受巷道圍巖復(fù)雜性、多變性的影響制約，通常情況下，采用任何一種單獨(dú)方法都不能滿(mǎn)足相應(yīng)的要求，進(jìn)而影響和制約了設(shè)計(jì)效果。為了使井下巷道符合圍巖特性，通常情況下采用的設(shè)計(jì)方法包括：試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法。

2 試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

對(duì)于五家煤礦四井五區(qū)來(lái)說(shuō)，其5-2S一片工作面位于五區(qū)南翼，在220石門(mén)進(jìn)入回風(fēng)巷，在180石門(mén)進(jìn)入運(yùn)輸巷；工作面走向長(zhǎng)度、傾斜寬、可采長(zhǎng)分別為560m、156m、460m。設(shè)計(jì)回風(fēng)巷長(zhǎng)585m（含15m調(diào)車(chē)場(chǎng)），坡度0°～7°。運(yùn)輸巷 539m，坡度 0°～5°，切眼 156m，坡度 15°。

五家煤礦四井五區(qū)5-2S一片工作面開(kāi)采5-2#煤層，該煤層上覆5-1#煤層已采。兩煤層間距非常小，本工作面范圍內(nèi)5-2#煤底板距5-1#煤底板最近僅6m左右，最遠(yuǎn)也只有9m左右。5-2#煤層最小厚度、最大厚度、平均厚度分別為3.66m、7.00m、5.99m，含數(shù)層夾矸。煤層傾角15-16°，平均15.5°。5-2號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度為4.8MPa，層理、節(jié)理較發(fā)育，煤層自然發(fā)火期1-3個(gè)月。直接底為砂質(zhì)泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度為23.5MPa，具有膨脹性。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造 屬于單斜構(gòu)造煤層，地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單。

2.2 水文地質(zhì)情況 水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水源主要是頂部5-1采空區(qū)積水，預(yù)計(jì)最大涌水量5m3/h。

2.3 地應(yīng)力 根據(jù)遼寧工程技術(shù)大學(xué)采用應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，五家煤礦四井五采區(qū)的最大主應(yīng)力σ1=14.0MPa，方位角 220.28°，傾角-10.73°；σ2=11.2MPa，方位角49.50°，傾角97.22°；最小主應(yīng)力σ3=7.6MPa，方位角129.91°，傾角-4.24°。

2.4 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試 采用錨桿拉拔計(jì)確定樹(shù)脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度。

3 選擇巷道支護(hù)形式和參數(shù)的原則

①一次支護(hù)原則。為了避免二次或多次支護(hù)，因此在支護(hù)錨桿的過(guò)程中，通常通過(guò)一次支護(hù)就能對(duì)圍巖變形進(jìn)行有效的控制。

②高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。

③高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。

④臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。

⑤相互匹配原則。

⑥可操作性原則。

4 錨桿支護(hù)參數(shù)選取

4.1 錨桿預(yù)應(yīng)力 通常情況下，預(yù)應(yīng)力作用一項(xiàng)決定性參數(shù)，在一定程度上制約著錨桿支護(hù)系統(tǒng)。在選擇預(yù)應(yīng)力的過(guò)程中，通常依據(jù)的原則是：在錨固區(qū)不能明顯出現(xiàn)離層和拉應(yīng)力區(qū)。通常情況下，在桿體屈服強(qiáng)度的30-50%是錨桿預(yù)應(yīng)力比較合理的取值范圍。

4.2 錨桿長(zhǎng)度 壓應(yīng)力區(qū)范圍與厚度隨著錨桿長(zhǎng)度增加而增大，這時(shí)錨桿的作用范圍就會(huì)相應(yīng)的擴(kuò)大。因此，為了形成有效的支護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)良好的支護(hù)效果，需要錨桿長(zhǎng)度與錨桿預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)度相互匹配。

4.3 錨桿密度 對(duì)于單根錨桿來(lái)說(shuō)，在一定預(yù)應(yīng)力的作用下，類(lèi)似錐形的壓應(yīng)力分布區(qū)域逐漸在其周?chē)纬桑绻^桿之間的距離過(guò)大，那么就會(huì)導(dǎo)致單根錨桿形成的錐形壓應(yīng)力區(qū)域彼此獨(dú)立，進(jìn)而不能形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著錨桿之間距離的縮小，單根錨桿形成的錐形壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加，進(jìn)而在一定程度上連成一體，形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)鞏固和強(qiáng)化錨桿的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而擴(kuò)大錨桿之間的距離，降低錨桿的支護(hù)密度。

4.4 錨固方式 由于錨固方式不同，進(jìn)而在一定程度上使得錨桿附加應(yīng)力場(chǎng)分布存在較大的差異。與端部錨固相比，通常情況下，全長(zhǎng)錨固與加長(zhǎng)錨固的錨固效果要差。通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力，樹(shù)脂藥卷后固化等，在一定程度上提高全長(zhǎng)錨固擴(kuò)散效果、強(qiáng)化錨固錨桿預(yù)應(yīng)力。

4.5 錨桿角度 應(yīng)力場(chǎng)分布受到頂板角錨桿角度的影響和制約。通過(guò)垂直的方式對(duì)頂板角錨桿進(jìn)行布置。如果對(duì)施工需要的角度進(jìn)行考慮，那么最大角度應(yīng)該控制在10°。對(duì)于錨索來(lái)說(shuō)，上述錨桿支護(hù)參數(shù)分析同樣適用。通常情況下，如果錨索的直徑越大、強(qiáng)度越高、長(zhǎng)度越大，那么施加的預(yù)應(yīng)力就會(huì)相應(yīng)地增加。與低預(yù)應(yīng)力的長(zhǎng)錨索支護(hù)相比，高預(yù)應(yīng)力的短錨索支護(hù)效果要好。

4.6 鋼帶的作用 在錨固過(guò)程中，錨桿的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力起著重要的作用。在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中，護(hù)表構(gòu)件發(fā)揮著重要的作用。在一定程度上鋼帶有助于擴(kuò)散錨桿預(yù)應(yīng)力，同時(shí)顯著提高錨桿之間圍巖的支護(hù)作用，改善支護(hù)系統(tǒng)的整體支護(hù)效果。

4.7 錨索的作用 錨索的作用通常情況下表現(xiàn)在：一方面連接錨桿支護(hù)形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖，次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在一定程度上得到提高，同時(shí)可以調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力，在一定程度上使大范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行共同的承載；另一方面對(duì)錨索施加較強(qiáng)的預(yù)緊力，同時(shí)提供有效的壓應(yīng)力，在一定程度上與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)共同構(gòu)成骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且能夠保持圍巖的完整性，同時(shí)降低了圍巖強(qiáng)度。

5 四井五區(qū)5-2S一片工作面順槽支護(hù)初始方案

5.1 設(shè)計(jì)原則

5.1.1 支護(hù)參數(shù)確定的原則 ①支護(hù)設(shè)計(jì)確保支護(hù)安全。②支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格具有較好的適應(yīng)性和施工可行性。③在確保支護(hù)質(zhì)量的前提下，支護(hù)設(shè)計(jì)要有利于提高巷道掘進(jìn)速度；④做到經(jīng)濟(jì)合理。

5.1.2 確定支護(hù)參數(shù)的依據(jù) ①已掘巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況和礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)；②現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；③五區(qū)5-2S一片工作面詳細(xì)的地質(zhì)資料以及地質(zhì)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)。

5.2 設(shè)計(jì)巷道支護(hù)斷面 相關(guān)設(shè)備的尺寸在掘進(jìn)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮，同時(shí)預(yù)留巷道圍巖變形量，同時(shí)滿(mǎn)足通風(fēng)要求，對(duì)五家煤礦四井五區(qū)5-2S一片工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面尺寸為：巷道斷面呈直墻半圓拱形，寬3.8m，墻高1.2m，掘進(jìn)斷面積為10.23m2；設(shè)計(jì)運(yùn)輸巷掘進(jìn)斷面尺寸如下：巷道斷面呈直墻半圓拱形，寬4.8m，墻高1.2m，掘進(jìn)斷面積14.8m2。

5.3 回風(fēng)巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù) 回風(fēng)巷支護(hù)布置如圖1所示。

圖1 回風(fēng)順槽錨桿錨索支護(hù)圖

5.3.1 頂板支護(hù)

①錨桿。

錨桿的形式和規(guī)格：通常情況下，采用22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋設(shè)計(jì)桿體，極限拉斷力和屈服力分別為186kN、126kN，延伸率18%，長(zhǎng)度為2.4m，桿尾螺紋為M24，其長(zhǎng)度為150mm。

錨固方式：通過(guò)采用樹(shù)脂進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，并且采用三支低粘度錨固劑，其規(guī)格分別為一支為K2550，其余為M2575。其鉆孔直徑30mm。

W護(hù)板規(guī)格：通過(guò)采用W鋼護(hù)板進(jìn)行護(hù)頂處理，鋼帶規(guī)格：厚、寬、長(zhǎng)分別為 4mm、280mm、450mm。

錨桿配件：采用M24×3的高強(qiáng)錨桿螺母，同時(shí)配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊，以及相應(yīng)的尼龍墊圈，采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，規(guī)格150×150×10mm，承載能力高于180kN。

錨桿角度：打設(shè)過(guò)程中全部與巖面垂直。

網(wǎng)片規(guī)格：采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂進(jìn)行處理，網(wǎng)孔和網(wǎng)片的規(guī)格分別為 100×100mm、3000×1000mm。

錨桿布置：錨桿排距和間距分別為900mm、850mm，同時(shí)每排設(shè)置7根錨桿。

錨桿預(yù)緊力（扭矩）：≥400N.m。

②錨索。

錨索形式和規(guī)格：選用φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為錨索材料，極限破斷拉力為550kN，延伸率7%，長(zhǎng)度4300 mm或者3300 mm，鉆孔直徑30mm，采用樹(shù)脂藥卷錨固，其規(guī)格為K2550和Z2575，并且低粘度，錨固長(zhǎng)度控制在1350mm。

采用規(guī)格為300mm×300mm×16mm，并且高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具設(shè)置相應(yīng)的錨索托盤(pán)。

錨索布置：每600mm設(shè)置1根錨索，間距控制在1275mm，同時(shí)與頂板巖層相互垂直。

錨索預(yù)緊力控制在200～250kN。

5.3.2 支護(hù)巷幫 錨桿形式和規(guī)格：長(zhǎng)度為2.4m，桿尾螺紋及長(zhǎng)度分別為M24、150mm，22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋設(shè)置桿體。

錨固方式：采用三支低粘度錨固劑，通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，錨固劑的規(guī)格為一支K2550，另兩支為M2575。

W護(hù)板規(guī)格：護(hù)幫采用W鋼護(hù)板進(jìn)行處理，鋼帶厚、寬、長(zhǎng)分別為4mm、280mm、450mm。

錨桿配件：采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，在一定程度上配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，規(guī)格150mm×150mm×10mm，承載能力大于180kN。

錨桿布置：錨桿間距、排距分別控制在600mm、900mm，每排每幫設(shè)置2根錨桿。

錨桿角度：在打設(shè)過(guò)程中，需要與巷幫相互垂直。

錨桿預(yù)緊力（扭矩）：≥400N.m。

5.4 運(yùn)輸巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù) 運(yùn)輸巷支護(hù)布置如圖2所示。

5.4.1 頂板支護(hù)

①錨桿。

錨桿形式和規(guī)格：采用長(zhǎng)度2.4m，極限拉斷力186kN，屈服力為126kN，延伸率18%，以及22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋對(duì)桿體進(jìn)行處理。桿尾螺紋及長(zhǎng)度分別為M24、150mm。

錨固方式：采用一支規(guī)格為K2550，另兩支規(guī)格為M2575。三支低粘度錨固劑，通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，鉆孔直徑為30mm。

圖2 運(yùn)輸順槽錨桿錨索支護(hù)圖

W護(hù)板規(guī)格：護(hù)頂采用W鋼護(hù)板進(jìn)行處理，鋼帶厚、寬、長(zhǎng)分別為4mm、280mm、450mm。

錨桿配件：采用規(guī)格為M24×3的高強(qiáng)錨桿螺母，與高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈相互配合，采用規(guī)格為150mm×150mm×10mm，承載能力不低于30t的拱型高強(qiáng)度托盤(pán)。

錨桿角度：打設(shè)過(guò)程中全部與巖面垂直。

錨桿預(yù)緊力：≥400Nm。

②錨索。

錨索形式和規(guī)格：選用φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為錨索材料，極限破斷拉力為550kN，延伸率7%左右，長(zhǎng)度4300(3300)mm，鉆孔直徑30mm。

錨索托盤(pán)：采用高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。

錨索布置：每1800mm打3根錨索，錨索間距1260mm。

錨索預(yù)緊力：200～250kN。

5.4.2 巷幫支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格：選用長(zhǎng)度2.4m，極限拉斷力186kN，屈服力為126kN，延伸率18%，其22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋對(duì)桿體進(jìn)行處理。

錨固方式：樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固，采用一支規(guī)格為K2550，另兩支規(guī)格為M2575三支低粘度錨固劑。

W護(hù)板規(guī)格：采用W鋼護(hù)板護(hù)幫，鋼帶厚度4mm，寬280mm，長(zhǎng)度450mm。

錨桿配件：采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈。

網(wǎng)片規(guī)格：護(hù)幫采用菱形金屬網(wǎng)處理，網(wǎng)孔、網(wǎng)片規(guī)格為 60×60mm、2000×1300mm。

錨桿布置：錨桿間距、排距分別為600mm、900mm，每排每幫設(shè)置2根錨桿。

錨桿角度：垂直巷幫打設(shè)。

錨桿預(yù)緊力：≥400Nm。

6 井下施工工藝

6.1 巷道頂板支護(hù)的施工工藝流程

掘進(jìn)打掉危巖出煤臨時(shí)支護(hù)鉆頂板中部錨桿孔清孔安裝樹(shù)脂藥卷和錨桿用錨桿機(jī)攪拌樹(shù)脂藥卷至規(guī)定時(shí)間停止攪拌并等待1分鐘左右鋪鋼筋網(wǎng)擰緊螺母到設(shè)計(jì)預(yù)緊力從中向外依次安裝其它頂板錨桿。

6.2 幫錨桿施工工藝

鉆孔、清孔安裝樹(shù)脂藥卷和錨桿攪拌樹(shù)脂藥卷等待1分鐘左右掛網(wǎng)上鋼護(hù)板、托盤(pán)、調(diào)心球墊、減摩墊片、螺母擰緊螺母到設(shè)計(jì)預(yù)緊力依次安裝其它幫錨桿。

[1]陳俊,董偉.錨索支護(hù)技術(shù)在口孜東煤礦的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2010(04).

[2]楊紅旗,王振.綜采面切眼錨網(wǎng)、錨索支護(hù)技術(shù)及施工工藝[J].價(jià)值工程,2011(13).

[3]宋榮普.愛(ài)民溫都煤礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

The Fourth Well Fifth District 5-2SFirst Piece Crossheading Bolt Anchor Supporting Initial Design

The design is the initial design of fourth well fifth district 5-2Sfirst piece crossheading bolt anchor supporting in Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry (Group)Company.In the process of supporting bolt,using dynamic information support design method to carry on appropriate treatment.Typically,the major steps involved in the design:survey test points,geomechanical assessment,initial design,integrated monitoring and information feedback,as well as the amendments and daily monitoring to the design.On the basis of detailing the test site and evaluating the geomechanical parameters,combined with the accumulation of design experience,this paper proposes initial design,which includes supporting form and parameters,supporting materials,underground construction techniques and safety measures,mine pressure monitoring and other related content.This design should be verified or modified of pressure monitoring after implemented in the underground.

Wujia coal mine；the fifth district 5-2Sfirst piece；crossheading；support design；dynamic information design

陳仕清（1970-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，中級(jí)（采礦工程師），平莊煤業(yè)（集團(tuán)）正處級(jí)，研究方向?yàn)槊旱V井巷支護(hù)。

TD353

A

1006-4311（2014）11-0105-03