下向穿層鉆孔影響下頂板支護(hù)的參數(shù)優(yōu)化

潘明光

摘要：本文就1792（3）工作面通過對日常礦壓觀測的數(shù)據(jù)分析，及對巷道頂板巖性、煤層的強(qiáng)度和自身承載能力的綜合比對，分析了礦壓顯現(xiàn)的原因，并提出了加強(qiáng)支護(hù)、優(yōu)化參數(shù)的措施。

關(guān)鍵詞：穿層鉆孔 巷道掘進(jìn) 頂板支護(hù)

1 概況

1792（3）工作面位于東四采區(qū)，工作面標(biāo)高-660m～-695m，屬13-1煤層，煤層均厚3.89m，傾角6～8°。軌順總長度1945m，自軌順中段回風(fēng)聯(lián)巷分為東、西段，西段由掘進(jìn)101班從東翼二聯(lián)1792（3）軌順聯(lián)巷端頭處撥門，按126°方位角跟頂施工與東段貫通，前470m為實體掘進(jìn)，巷道斷面：中寬×中高=5m×3m。

掘進(jìn)101班10年8月份撥門進(jìn)尺，在巷道掘進(jìn)過程中，頂板完整性較好，可探6m范圍內(nèi)，巷道頂板巖性為2.2～3.0m的層狀粉砂巖及3.0～3.8m的細(xì)砂巖，但部分地方頂板淋水量較大。在掘后15天，礦壓顯現(xiàn)明顯，層狀砂巖頂板下沉并在中線位置沿走向斷裂，頂?shù)装逑鄬ξ灰?、兩幫相對移近量急劇增加，巷道?nèi)錨索斷索現(xiàn)象較多，頂部右肩胛處的支護(hù)錨桿被剪斷破壞嚴(yán)重。距撥門位置144m-150m、163m-169m處極為明顯，頂部右肩胛錨桿全部被剪斷，連續(xù)斷索4根，下幫向巷道擠壓變形嚴(yán)重，頂?shù)装遄畲笪灰屏窟_(dá)890mm，兩幫最大移近量達(dá)820mm。

2 礦壓顯現(xiàn)的原因分析

通過對日常礦壓觀測的數(shù)據(jù)分析，及對巷道頂板巖性、煤層的強(qiáng)度和自身承載能力的綜合比對，分析原因如下：

2.1 地質(zhì)因數(shù)

巷道直接頂為2m左右的薄層狀粉砂層，每層厚為20～30mm，粒徑0.05～0.005mm，層理發(fā)育，粘結(jié)力較差，單向抗壓強(qiáng)度＜40MPa。在自重的作用下，薄層狀頂板下沉，與上位頂板巖層產(chǎn)生離層，并沿節(jié)理、裂隙破斷，斷裂后巖層強(qiáng)度降低，自身失穩(wěn)且急速下沉，斷裂面沿巷道走向繼續(xù)擴(kuò)大，在頂板巖層中形成剪切破壞面。

2.2 頂板支護(hù)強(qiáng)度、預(yù)緊力不夠因素

①支護(hù)參數(shù)方面。在施工過程中，各種地質(zhì)構(gòu)造及頂板巖性的隨時變化，使得部分錨桿（索）間排距、錨桿錨索外露、錨桿角度、錨索預(yù)緊力等支護(hù)參數(shù)小于設(shè)計值，造成錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)效果降低，未能對頂板施加足夠預(yù)緊力，造成頂板離層、斷裂、破碎。隨著頂板層狀砂巖斷裂層數(shù)的不斷增加，斷裂面的進(jìn)一步擴(kuò)大，巖層內(nèi)剪切破壞力越來越大，導(dǎo)致巷道內(nèi)部分右肩胛處的錨桿被剪斷，錨索斷索失效。②施工質(zhì)量方面。錨索網(wǎng)支護(hù)的每個施工環(huán)節(jié)中，人為因素影響都可能對錨桿（索）的支護(hù)質(zhì)量有較大的影響。如鉆頭的選擇、錨桿孔內(nèi)粉末的處理情況、樹脂藥卷的攪拌時間、錨桿的安裝角度、錨桿的扭矩、錨索預(yù)緊力的大小、托盤與煤壁接觸的緊密程度等，也影響著錨索網(wǎng)支護(hù)的強(qiáng)度。

2.3 穿層鉆孔因素

軌順西段的前470m為實體掘進(jìn)，根據(jù)集團(tuán)公司的規(guī)定及瓦斯治理的需要，利用1792（3）高抽巷對軌順西段實體段，按10×5m布置施工下向穿層鉆孔，鉆孔控制到巷道兩幫外5m并穿透13-1煤層，再利用臨時抽采系統(tǒng)合茬預(yù)抽。高密度布置鉆孔和帶水壓打鉆，造成鉆孔附近的煤巖體松散、破碎、裂隙增大及巷道內(nèi)淋水量增大，使實體段巷道頂板巖層的整體強(qiáng)度顯著降低，頂板自身失穩(wěn)，承載能力下降，是巷道掘進(jìn)后部分頂板斷裂破碎的直接原因。

3 加強(qiáng)支護(hù)、優(yōu)化參數(shù)的措施

3.1 加強(qiáng)頂板巡查，建立巡查制度

發(fā)現(xiàn)頂板斷錨斷索處，采取及時補(bǔ)打的措施，避免連續(xù)斷錨斷索的現(xiàn)象。對巷道內(nèi)壓力較大處，提前打信號點(diǎn)柱并隨時觀測，發(fā)現(xiàn)巷道來壓明顯，及時補(bǔ)打加長錨索加固頂板。

3.2 支護(hù)方式的確定

根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場錨索頻繁斷索的現(xiàn)象，為加強(qiáng)已破碎段頂板管理，控制斷裂面的繼續(xù)擴(kuò)大，預(yù)防冒頂事故的發(fā)生，采取增加錨索數(shù)量，加強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度?，F(xiàn)場對已破碎段的頂板采取走向14#槽鋼組合錨索的支護(hù)方式。走向槽鋼分別沿著巷道頂板兩側(cè)的第一根錨桿與第二根錨桿之間縱向布置，梁長2m（1根走向槽鋼梁托2排M5鋼帶），每根走向槽鋼梁上安裝3根錨索，間距為800mm，兩側(cè)縱向槽鋼梁錯茬布置。

3.3 支護(hù)參數(shù)的調(diào)整

3.3.1 原有的支護(hù)設(shè)計：頂板采用錨索+錨桿+M5

鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，鋼帶排距800mm，錨桿間排距750×800mm，錨索間排距2000×800mm（2-2-2布置）。

3.3.2 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。①錨索的優(yōu)化：按照錨桿支護(hù)的組合巖梁理論計算，頂板巖層的壓力主要由錨桿和錨索共同承擔(dān)，錨索必須有能力承擔(dān)其承載范圍內(nèi)潛在的冒落巖層的重量。

潛在的冒落高度：H=B/K/f

式中:H——潛在的冒落高度，m；B——巷道寬度，B=5m；K——頂板巖性系數(shù)，K=0.4； f——直接頂硬度系數(shù)，f=5。

則：H=5／( 5×0.4) =2.5m

潛在冒落拱面積:

S=4/3×B/2×H=4/3×5/2×2.5=7.3m2；

每米長度冒落巖石重量為：

T=S×r×1=7.3×27×1=19.7t

式中：r—粉砂巖的容重，取27kN/m3

錨索的破損載荷：選用φ22錨索，則W=450kN=45t。

單根錨索承擔(dān)的冒落長度：

L=45／19.7=2.2m。即每2.2m需布置1根錨索。

綜合計算所得及后方巷道斷錨斷索的現(xiàn)象，支護(hù)參數(shù)采取每排增加一根錨索的優(yōu)化方案，即每排三根錨索，間距為1.6m，排距為800mm（即3-3-3布置），中間一根沿中線布置。如下圖：

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②結(jié)合錨桿受力觀測、圍巖變形特征和錨桿剪斷現(xiàn)象可以定性看出，頂板錨桿受力較劇烈，頂部右肩胛錨桿不僅受到軸向力的作用，還受到巨大的水平剪切力的作用。頂部錨桿選用左旋無縱筋螺紋預(yù)拉力錨桿，長度2.4m，直徑22mm，極限拉斷力255kN，屈服力為190kN，延伸率20%，桿尾螺紋規(guī)格為M24，采用滾壓加工工藝成型，抗剪強(qiáng)度為280Mpa。針對頂板右肩胛處的錨桿被剪切破壞，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)的現(xiàn)象，采取在右肩胛處施工雙錨桿

針對性措施。通過施工雙錨桿，讓兩根錨桿共同作用形

成有效的整體，增強(qiáng)了錨桿對頂板的預(yù)緊力和支護(hù)強(qiáng)度，使錨桿抗剪能力顯著提升，有效的避免了錨桿被剪切破壞。

3.4 避免人為因素造成錨桿失效

①加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，現(xiàn)場施工時嚴(yán)格按照作業(yè)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，錨桿錨索安裝角度、間排距、孔深、錨固長度、攪拌時間等必須符合要求。②迎頭應(yīng)配齊各種檢測工具，如錨桿拉力計、力矩扳手等。并建立施工質(zhì)量驗收制度，確保錨桿錨索的施工質(zhì)量合格。

4 采取措施后巷道狀況

4.1 原頂板破碎段

采取槽鋼組合錨索的支護(hù)方式后，頂板走向斷裂帶和破碎范圍得到了有效的控制，未再有斷錨斷索的現(xiàn)象發(fā)生。采取措施前：該段頂?shù)装逡平?10～760mm，錨索平均載荷32T;采取措施后：該段頂?shù)装逡平亢湾^索載荷維持原狀，未有明顯變化。

4.2 優(yōu)化參數(shù)后掘進(jìn)的巷道

頂板雖有部分淋水，但未再出現(xiàn)斷裂破碎區(qū)域，只有個別斷索現(xiàn)象，右肩胛處錨桿也未被剪切破斷；通過日常觀測，該段頂?shù)装逡平?50～450mm，頂板淺部離層10～25mm，深部離層20～40mm，錨索載荷最大34T，平均為28T。

5 結(jié)語

①上述礦壓觀測的結(jié)果表明，采取措施加固后的巷道及參數(shù)優(yōu)化后的掘進(jìn)巷道，圍巖變形量明顯小于前期巷道的圍巖變形量，說明巷道支護(hù)強(qiáng)度的提高能大大減小巷道圍巖變形量。

②通過對巷道頂板破碎的原因認(rèn)真分析，采取增加錨索、減小錨索間距、肩胛處使用雙錨桿等有效的控制和優(yōu)化措施，1792（3）軌順西段掘進(jìn)期間未發(fā)生冒頂事故，實現(xiàn)了全線安全貫通。下行穿層鉆孔影響下巷道頂板

管理的成功，為降低斷錨短索、提高巷道錨索網(wǎng)支護(hù)質(zhì)量及以后同類巷道的施工提供了很好的借鑒，也為1792（3）工作面的接替及下一年的安全生產(chǎn)提供了保障。

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