錢(qián)家營(yíng)煤礦采空區(qū)下巷道錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：錢(qián)家營(yíng)煤礦1684W工作面回風(fēng)順槽位于采空區(qū)下方，巷道壓力較小，現(xiàn)有支護(hù)密度較大，支護(hù)強(qiáng)度不高。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察以及對(duì)相應(yīng)地質(zhì)礦壓資料的分析，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使用新方案支護(hù)后，錨桿錨索施加較高的預(yù)緊力，有效控制圍巖的變形，巷道支護(hù)強(qiáng)度明顯增高；錨桿間排距變大，在提高掘進(jìn)速度的同時(shí)，使支護(hù)材料節(jié)省15%以上。

關(guān)鍵詞：錢(qián)家營(yíng)煤礦巷道錨桿支護(hù)

1 巷道基本情況

錢(qián)家營(yíng)煤礦1684W工作面回風(fēng)順槽傾斜上方為1683W工作面已回采完畢，傾斜下方為2882W設(shè)計(jì)工作面，上覆2871W、1673W工作面已回采完畢，下伏煤層無(wú)工程。1684W工作面回風(fēng)順槽完全位于采空區(qū)下方，服務(wù)期間僅受巷道掘進(jìn)及本工作面回采動(dòng)壓影響，巷道條件相對(duì)簡(jiǎn)單。1684W工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1147m，設(shè)計(jì)凈寬度4.2m，高度2.7m，其所屬煤層為穩(wěn)定的中厚煤層，走向變化不大，傾角有一定的變化，為半亮型煤，階梯狀斷口，硬度大，局部有1-2層泥巖夾矸。

煤層頂?shù)装鍘r石性質(zhì)和特征如下：①老頂：灰色細(xì)砂巖，厚度3.6-5.77米，成份以石英為主，泥硅質(zhì)膠結(jié)，層面含碳質(zhì)及植物隨屑碳化體。②直接頂：深灰色粉砂巖，厚度0-4.5m，平均2.0m，質(zhì)膠結(jié)，致密，呈水平灰色小條帶狀，上部有0-0.5m不穩(wěn)定煤線(xiàn)。③直接底：深灰色粉砂巖，厚度1.15-4.6m，平均2.3米左右，致密，塊狀，含菱鐵質(zhì)結(jié)核，近煤處含植物根化石。④老底：深灰色粉砂巖，厚度1.0-3.17m，平均2.1m，致密，塊狀，較細(xì)膩，貝殼狀斷口，巖石較破碎。⑤偽頂：灰褐色粉砂-粘土巖，厚度0-0.4m，平均0.2m，巖性細(xì)膩，松散易冒落。

2 支護(hù)參數(shù)確定的原則

①一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。②高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。③“三高一低”原則。即高強(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。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。⑤相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用。⑥可操作性原則。提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。⑦在保證巷道支護(hù)效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本。

3 巷道原有支護(hù)方案及支護(hù)效果

1684W工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)初期，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式，具體支護(hù)參數(shù)為：頂部5根錨桿錨桿排距為900mm，間距900mm，頂部2根錨索排距1800mm，間距1600mm；兩幫各3根錨桿，間距1000mm，排距900mm；錨桿采用22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，材質(zhì)為HRB335，長(zhǎng)度2.4m，頂部錨索直徑φ17.8mm，長(zhǎng)度5300mm。在此種支護(hù)方式之下，巷道中錨桿受力大小如圖1。

由圖1可以看出，在原有支護(hù)方案下，巷道掘進(jìn)在平均10天以后，錨桿受力才趨于穩(wěn)定，并且錨桿受力自安裝以后增加明顯，錨桿初始受力較小，說(shuō)明施工過(guò)程中對(duì)于錨桿施加的預(yù)緊力不足，不能有效控制圍巖變形。另外，在錨桿受力穩(wěn)定后，其受力大小基本在6t以下，說(shuō)明巷道本身壓力較小，此時(shí)使用22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋作為錨桿材料，不能充分使用錨桿本身力學(xué)特性，顯然是對(duì)支護(hù)材料的浪費(fèi)。

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圖1原有支護(hù)方案下錨桿受力曲線(xiàn)

4 優(yōu)化后支護(hù)方案及支護(hù)效果

針對(duì)原有支護(hù)存在的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，并通過(guò)對(duì)1684W工作面回風(fēng)順槽地質(zhì)資料以及礦壓數(shù)據(jù)的分析，提出了以下支護(hù)方案：頂部使用4根錨桿，排距1000mm，間距1200mm，頂錨索采用“大三花”布置，排距2000mm；幫部錨桿排距1000mm，間距1000mm；要求錨桿預(yù)緊力不得低于300Nm，錨索初次張拉不得低于180 kN，損失后不低于150kN；錨桿采用20#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，材質(zhì)為HRB335，長(zhǎng)度2.0m，頂部錨索直徑φ17.8mm，長(zhǎng)度5300mm，具體布置圖，如圖2。

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圖2優(yōu)化后巷道支護(hù)參數(shù)圖

圖3反映了1684W工作面回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中錨桿受力情況。受力曲線(xiàn)反映的錨桿受力情況雖大小不一，但是錨桿初次施加預(yù)緊力后，受力很快保持穩(wěn)定（平均在5天以?xún)?nèi)），說(shuō)明錨桿設(shè)計(jì)的預(yù)緊力值比較合理，可以有效的控制圍巖變形，充分發(fā)揮了主動(dòng)支護(hù)的作用，增加了巷道支護(hù)的強(qiáng)度；頂部錨桿受力較大，錨桿受力一般在60kN左右，最大不超過(guò)75kN，充分利用了Φ20錨桿的抗拉性能，又可以保證巷道安全，真正做到了支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化；錨桿受力與優(yōu)化前相比，除頂錨桿受力有一定增加，其他無(wú)特別明顯變化。

1684W工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)凈寬4.2m，高2.7m，從圖4可以看出，巷道掘進(jìn)完成后變形較小，掘進(jìn)影響穩(wěn)定后巷道寬度均在4.2m以上，巷道高度控制在2.5m以上能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，說(shuō)明巷道支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足巷道掘進(jìn)要求。

由于錨桿錨索施加了較高預(yù)緊力，優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)能更有效控制圍巖變形，增加了支護(hù)強(qiáng)度；另外優(yōu)化后的設(shè)計(jì)不僅增加了錨桿的排距，而且將錨桿長(zhǎng)度由2.4m減小為2.0m，頂部錨桿由5根變?yōu)?根，使支護(hù)材料節(jié)省15%以上，為巷道支護(hù)節(jié)省了大量成本的同時(shí)，由于排距的增大，有效提高了巷道掘進(jìn)速度。

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圖3優(yōu)化后支護(hù)方案下錨桿受力曲線(xiàn)

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圖4優(yōu)化后支護(hù)方案下巷道變形情況

5 主要結(jié)論

①1684W工作面回風(fēng)順槽位于采空區(qū)下，采空區(qū)下巷道位于應(yīng)力降低區(qū)，采空區(qū)下巷道其本身所受礦山壓力較小，所需支護(hù)強(qiáng)度也相對(duì)較小。②預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中起到關(guān)鍵作用，高預(yù)應(yīng)力是保證巷道支護(hù)效果，有效控制巷道圍巖變形的重要手段。通過(guò)給錨桿錨索施加較高的預(yù)應(yīng)力，可有效的控制巷道變形，保證支護(hù)效果。③巷道支護(hù)密度大，并不代表巷道支護(hù)強(qiáng)度高，優(yōu)秀的支護(hù)設(shè)計(jì)是充分利用各種支護(hù)材料的性能，通過(guò)合理的核心參數(shù)選擇，保證巷道安全，提高掘進(jìn)速度并且節(jié)省支護(hù)材料。

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作者簡(jiǎn)介：馬海峰（1985-），男，河北唐山人，本科，采礦工程專(zhuān)業(yè)，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任開(kāi)灤（集團(tuán)）錢(qián)家營(yíng)礦業(yè)分公司綜采二隊(duì)技術(shù)副隊(duì)長(zhǎng)，從事煤炭生產(chǎn)技術(shù)及礦井管理工作。