高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯抽采巷錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙仕元

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦，山西柳林033300)

0 引言

汾西礦業(yè)集團(tuán)公司雙柳井田位于柳林縣孟門鎮(zhèn)白家焉村，在離柳礦區(qū)三交三號(hào)井開發(fā)二疊系山西組下段頂部(3 +4)#合并層煤，煤層平均厚度3.42 m，屬于高瓦斯礦井。煤層開采采用常規(guī)的三巷布置方式。用于回風(fēng)的順槽兼作抽放瓦斯的專用巷道，也稱作瓦斯抽采巷。瓦斯抽采巷既作為本工作面回風(fēng)巷道使用，同時(shí)還承擔(dān)下個(gè)工作面的材料運(yùn)輸任務(wù)，作為材料巷道應(yīng)用。

1 雙柳礦瓦斯抽采巷支護(hù)現(xiàn)狀

近年來，雙柳礦井的開采逐步向深部發(fā)展，礦井的地壓不斷增大，巷道圍巖壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈。盡管此前開展過相關(guān)瓦斯抽采巷支護(hù)技術(shù)的研究工作，但是由于礦井開采向深部發(fā)展，而且開采煤層地質(zhì)條件也比淺部復(fù)雜，再加之巷道斷面加大，瓦斯抽采巷表現(xiàn)出新的變形特征和破壞模式。根據(jù)井下調(diào)研和實(shí)地反映，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)巷道兩幫整體移出。特別是煤柱幫，造成巷道斷面嚴(yán)重收縮，不能滿足材料運(yùn)輸、以及行人和通風(fēng)的使用要求，巷道的有效斷面使用率降低。

2)巷道底鼓嚴(yán)重。嚴(yán)重地段底鼓量高達(dá)1 000 mm 以上，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。

3)巷道頂板整體下沉。頂板下沉量比較大，局部冒頂變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響到巷道的回采使用。

2 瓦斯抽采巷原有支護(hù)方案

瓦斯抽采巷頂板采用錨-網(wǎng)-鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)，錨索補(bǔ)強(qiáng)加固;幫部采用圓鋼錨桿-金屬網(wǎng)-鋼筋托梁疊加支護(hù)，其中最下排錨桿配合W 托板支護(hù)。

1)瓦斯抽采巷頂部采用φ20 mm×L2 400 mm 螺紋鋼錨桿配合鋼筋托梁疊加支護(hù)，每根螺紋鋼錨桿配套使用1 支K2355，1 支Z2355 型樹脂錨固劑。頂部錨桿呈矩形布置，除2根邊角錨桿呈75°向幫內(nèi)傾斜外，其余均垂直于頂板布置。頂錨桿間排距為850 mm ×1 000 mm，每排布置5 根。托盤均采用冷沖鋼托盤，鋼筋托梁規(guī)格:φ14 -60 -850 -1 150 mm。

2)瓦斯抽采巷幫錨桿采用 φ18 mm × L1 800 mm 圓鋼錨桿，配合長(zhǎng)φ14 -60 -850 -1 150 mm 的鋼筋托梁疊加支護(hù)，最下排錨桿配合使用400 mm×165 mm ×3 mm 的w 鋼托板豎放支護(hù);每根錨桿配套使用1 支K3537 型樹脂錨固劑;錨桿間排距為850 mm ×1 000 mm，均呈矩形布置，垂直于兩幫，每排均布置2 ×4 根，支護(hù)時(shí)最上一排錨桿距頂均為200 mm，幫錨桿滯后頂錨桿500 mm，最下一排幫錨桿距迎頭頂錨桿不超過2排，幫部松軟時(shí)必須緊跟迎頭。

3)錨索采用 φ15.24 mm ×L6 400 mm 的鋼絞線，配合［12×L3 000 mm，孔間距為2 400 mm 的槽鋼聯(lián)合支護(hù)，每根錨索配套使用K2355、Z2355 型錨固劑各1 支，錨索順巷道軸向布置，沿巷中線兩側(cè)700 mm 各布置一排，排內(nèi)錨索間距為2 400 mm，相鄰交錯(cuò)錨索錯(cuò)距1 200 mm。錨索滯后工作面迎頭的距離不超過13 m，頂板壓力大，礦壓現(xiàn)象明顯時(shí)緊跟工作面迎頭。

4)瓦斯抽采巷鋪設(shè)網(wǎng)片采用規(guī)格為長(zhǎng)×寬=11 m×1.1 m的雙抗網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格45 mm ×45 mm。瓦斯抽采巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 瓦斯抽采巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3 瓦斯抽采巷原有支護(hù)方案存在主要問題

針對(duì)雙柳礦瓦斯抽采巷支護(hù)現(xiàn)狀，并進(jìn)行了井下實(shí)地調(diào)研和考察，以及細(xì)致分析了瓦斯抽采巷現(xiàn)有支護(hù)方案，總結(jié)認(rèn)為瓦斯抽采巷支護(hù)主要存在以下不足之處。

1)錨桿的初期預(yù)緊力偏低。雙柳礦錨桿支護(hù)過程中給錨桿施加預(yù)緊力，主要是依靠MQT—120 錨桿鉆機(jī)自身的輸出扭矩，以及附加人工操作扭矩扳手實(shí)施。MQT—120 錨桿鉆機(jī)輸出扭矩為100 N·m，轉(zhuǎn)化成預(yù)緊力為10 kN，而人工再使用扳手施加預(yù)緊力更是有限的，因此，錨桿的初始預(yù)緊力最大不超過10 kN。

2)錨桿的預(yù)緊力擴(kuò)散程度偏低。錨桿支護(hù)的優(yōu)勢(shì)是主動(dòng)及時(shí)，但錨桿支護(hù)的作用效果表現(xiàn)在錨桿的整體支護(hù)上，錨桿整體支護(hù)作用的發(fā)揮體現(xiàn)在錨桿預(yù)應(yīng)力能否有效大面積的擴(kuò)散。只有單根錨桿的預(yù)應(yīng)力都得到有效大面積的擴(kuò)散，那么整個(gè)錨桿群的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散形成有效的大面積壓應(yīng)力區(qū)，才能發(fā)揮錨桿整體支護(hù)的功能。實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散主要有兩個(gè)途徑:一是通過有效途徑給錨桿施加較大的預(yù)緊力;二是通過托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散。雙柳礦瓦斯抽采巷原有巷道頂板輔助構(gòu)件主要使用鋼筋托梁，而不是鋼帶，鋼筋托梁傳遞錨桿預(yù)應(yīng)力的效果要大大低于鋼帶，這是造成錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散程度低的主要原因。

3)巷幫的支護(hù)強(qiáng)度偏低。雙柳礦瓦斯抽采巷變形破壞的主要特征是巷幫整體移近，說明支護(hù)對(duì)巷幫的控制相對(duì)較弱，致使巷幫發(fā)生整體移近。我礦原有瓦斯抽采巷巷幫主要采用φ18 的圓鋼錨桿支護(hù)，特別是煤柱幫也采用圓鋼錨桿。瓦斯抽采巷是經(jīng)受多次動(dòng)壓復(fù)用的巷道，兩幫的支護(hù)強(qiáng)度必須加強(qiáng)。

4)巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度偏低。雙柳礦瓦斯抽采巷變形破壞主要表現(xiàn)為頂板整體下沉，局部冒頂嚴(yán)重，兩幫整體移近以及巷道嚴(yán)重底鼓等礦壓顯現(xiàn)特征，出現(xiàn)這些影響礦井安全生產(chǎn)的負(fù)面現(xiàn)象有很多因素，單從支護(hù)的角度來講，主要是巷道的支護(hù)強(qiáng)度偏低造成。由于支護(hù)強(qiáng)度偏低，沒有控制住巷道受到強(qiáng)烈動(dòng)壓影響后圍巖變形破壞的作用，從而導(dǎo)致巷道出現(xiàn)上述破壞特征。

4 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)雙柳礦瓦斯抽采巷變形破壞特征，以及參考巷道原有支護(hù)設(shè)計(jì)方案，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)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)。一方面，這是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程，需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修;另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會(huì)受到顯著影響。

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。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力;另一方面，通過托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

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。在提高錨桿強(qiáng)度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固)，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。

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。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)大于臨界值。

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。

4.2 巷道支護(hù)方案

4.2.1 33403 工作面概況

雙柳煤礦33403 工作面主采屬二疊系山西組下段頂部(3+4)#煤煤層，煤層總厚2.47 ～4.0 m，平均厚度3.42 m;該煤層區(qū)內(nèi)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層左右黑色泥巖夾矸層;煤層傾角0 ～10°，平均4°。開采的(3 +4)#煤層偽頂:泥巖，局部發(fā)育，灰黑色，厚度0.5 m;直接頂:砂巖、砂質(zhì)泥巖，由下至上灰白色—灰黑色，粒度由粗—中粒變?yōu)榧?xì)粒，水平層理，含砂均勻，夾粉砂巖條帶，厚度12.94 ～15.53 m，均厚13.4 m。老頂:K4砂巖，灰白色粗粒砂巖，厚度4.4 m。直接底:砂質(zhì)泥巖為主，發(fā)育斜裂隙，半堅(jiān)硬，厚度5.65 m。

4.2.2 斷面設(shè)計(jì)

考慮到33403 工作面瓦斯抽采巷在掘進(jìn)過程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)33403 工作面瓦斯抽采巷尺寸如下:斷面為矩形，巷道寬4 600 mm，高3 000 mm，掘進(jìn)斷面為13.8 m2。

4.2.3 支護(hù)方案

經(jīng)理論分析結(jié)果，再結(jié)合工程類比分析，確定33403 工作面瓦斯抽采巷錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)如下:巷道采用樹脂加長(zhǎng)錨固錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。

1)頂板支護(hù)。

錨桿形式和規(guī)格:桿體為20# 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4 m，桿尾螺紋為M22。

錨固方式:樹脂加長(zhǎng)錨固，采用2 支錨固劑，1 支規(guī)格為K2355，另1 支規(guī)格為Z2355。鉆孔直徑為28 mm，錨固長(zhǎng)度為1 500 mm。

錨桿初始預(yù)緊力:設(shè)計(jì)初始預(yù)緊力為300 N·m。

W 鋼帶規(guī)格:采用厚3 mm 的鋼板滾壓而成，寬度280 mm，長(zhǎng)度4.2 m。

托盤:采用拱型高強(qiáng)度托盤，托板規(guī)格為130 mm×130 mm×10 mm。

錨桿布置:錨桿排距1 000 mm，每排5 根錨桿，間距1 000 mm。

錨索:單根鋼絞線，φ17.8 mm，長(zhǎng)度6.4 m，加長(zhǎng)錨固，采用3 支錨固劑，1 支規(guī)格為K2355，兩支規(guī)格為Z2355。每排2 根，間距為1.8 m，排距為2.0 m。托板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。

2)巷幫支護(hù)(兩幫支護(hù)完全相同)。

錨桿形式和規(guī)格:桿體為20# 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.0 m，桿尾螺紋為M22。

錨固方式:樹脂加長(zhǎng)錨固，采用兩支錨固劑，1 支規(guī)格為K2355，另1 支規(guī)格為Z2355。鉆孔直徑為28 mm，錨固長(zhǎng)度為1 300 mm。

錨桿初始預(yù)緊力:設(shè)計(jì)初始預(yù)緊力為300 N·m。

托盤:采用拱型高強(qiáng)度托盤，托板規(guī)格為130 mm×130 mm×10 mm。

W 型護(hù)板規(guī)格:采用厚3 mm，寬280 mm 底鋼板滾壓而成，長(zhǎng)度400 mm。

錨桿布置:錨桿排距1 000 mm，每排3 根錨桿，間距1 000 mm。

巷道網(wǎng)片采用雙抗網(wǎng)，規(guī)格為10 m×1.1 m。

33403 工作面瓦斯抽采巷錨桿支護(hù)布置見圖2。

圖2 綜采33403 工作面瓦斯抽采巷錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

5 運(yùn)用效果分析

目前，33403 綜采工作面已采完，通過33403 瓦斯抽采巷實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該瓦斯抽采巷無頂板下沉、底臌、兩幫收縮、頂幫失效錨桿等現(xiàn)象，該瓦斯抽采巷完全可以作為下一個(gè)工作面33405綜采工作面材料巷。

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