鄰空動壓影響巷道支護(hù)技術(shù)研究

薛旭輝，張 劍

(霍州煤電集團(tuán) 技術(shù)研究院，山西 霍州 031400)

1 地質(zhì)概況

干河煤礦一采區(qū)2 -1021 巷沿2#煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均埋深為500 m，煤層厚度4.2 m，煤層平均傾角4°，為近水平煤層。煤層綜合柱狀圖見圖1.

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 -1021 巷位于井下+80 水平一采區(qū)的左翼，北側(cè)為+80 水平西翼3 條大巷，西側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為2 -106 工作面采空區(qū)，2011 年3 月回采完畢。巷道布置見圖2.

圖2 2 -1021 巷布置示意圖

2 原設(shè)計存在的問題

2 -1021 巷設(shè)計矩形斷面，寬× 高=5. 0 m ×3.8 m，采用錨網(wǎng)梁索支護(hù)，頂錨桿選用d22 mm、長度2 500 mm 的高強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm;頂板錨索采用d21.6 mm、長度8 200 mm 的7 股低松弛鋼絞線，每排3 根或2 根，交替布置，排距為2.4 m，再輔助鋼筋托梁和菱形鐵絲網(wǎng)護(hù)頂。巷道兩幫支護(hù)材料、錨桿間排距與頂板相同，無錨索。設(shè)計錨桿預(yù)緊扭矩180 N·m，錨索預(yù)緊力為100 kN.原支護(hù)設(shè)計見圖3.

圖3 2 -1021 巷原支護(hù)設(shè)計圖

2 -1021 巷原支護(hù)設(shè)計存在的問題:

1)錨桿托板。

錨桿配套d130 mm ×8 mm 碟形托板，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測，該托板存在明顯的弊端，數(shù)據(jù)見圖4. 主要表現(xiàn)在以下方面:a)托板承載能力較低，與使用錨桿桿體強(qiáng)度不相匹配。b)托板結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，無法與調(diào)心球墊和減摩墊片相配套。c)托板的拱形高度設(shè)計偏低，與錨桿桿體的協(xié)調(diào)變形不一致。

圖4 錨桿托板實(shí)物及加載試驗(yàn)圖

2)鋼筋托梁。

鋼筋托梁采用d12 mm 鋼筋焊接而成，寬度僅為54 mm，結(jié)合井下使用情況，存在以下缺陷:a)支護(hù)表面積過小，且鋼筋托梁與托板和圍巖均為線接觸，不利于錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散;約束圍巖范圍有限。b)使用過程中受力后，容易被扭曲變形而減弱支護(hù)作用，且局部焊接不牢易導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂。c)兩幫采用鋼筋托梁需先彎起，再放下，影響施工速度。

3)頂板存在角度錨桿。

角度錨桿的缺點(diǎn):a)通過霍州煤電干河礦、回坡底礦、團(tuán)柏礦掘進(jìn)工作面錨桿扭矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同預(yù)緊扭矩下角度錨桿會降低錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)換效率，見圖5. b)林建等［1］通過數(shù)值模擬及其對他各礦務(wù)局錨桿破斷現(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn)，角度錨桿有使圍巖中壓應(yīng)力區(qū)相互分離，減弱支護(hù)效果;使角錨桿受力偏小，甚至受壓;使錨桿尾部螺紋受力狀態(tài)惡化，增加尾部螺紋破斷機(jī)率的缺點(diǎn)。

圖5 不同角度錨桿扭矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)示意圖

4)錨桿錨索預(yù)應(yīng)力偏低。

2 -1021 巷原設(shè)計錨桿預(yù)緊扭矩為180 N·m，錨索預(yù)緊力為100 kN. 通過實(shí)驗(yàn)得出，d22 mm 的BHRB335 錨桿的屈服載荷為130 kN，d21.6 mm 的錨索索體破斷載荷為520 kN. 井下現(xiàn)場錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)緊扭矩180 N·m 時所產(chǎn)生的預(yù)緊力均低于30 kN. 康紅普［2］在錨桿錨索預(yù)緊力初始值的選擇中提出，錨桿預(yù)緊力為桿體屈服強(qiáng)度的30% ～50%，錨索預(yù)緊力初始值應(yīng)達(dá)到索體破斷載荷的40% ～70%. 因此，原設(shè)計錨桿錨索預(yù)應(yīng)力偏低，影響了錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮，通過分析，提出了高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3 支護(hù)方案設(shè)計［3-6］

2 - 1021 巷設(shè)計斷面矩形，寬× 高= 5 m ×3.8 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。頂板布置6 根屈服強(qiáng)度為335 MPa、d22 mm、長度為2 500 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，選用1 支規(guī)格為CK2340，1 支規(guī)格為Z2360 樹脂錨固劑加長錨固，配套規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm，承載力≥206 kN 的拱形高強(qiáng)度托板，調(diào)心球墊和減摩墊圈及280 mm ×450 mm ×4 m鋼護(hù)板。錨桿間排距900 mm ×1 000 mm，垂直頂板安裝，要求初始預(yù)緊扭矩不低于400 N·m. 錨索采用d21.6 mm，7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5 300 mm，采用1 支CK2340 和2 支Z2360 樹脂錨固劑，間排距1 800 mm×2 000 mm，錨索安裝在2 排錨桿間頂板中部。用300 mm×300 mm×14 mm拱形高強(qiáng)錨索托板，配調(diào)心球墊，錨索張拉預(yù)緊力:250 ～300 kN. 兩幫支護(hù)材料與頂板相同，巷道兩幫支護(hù)參數(shù)相同，幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式設(shè)計示意圖見圖6.

圖6 2 -1021 巷錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計示意圖

4 應(yīng)用效果分析

1)巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析［7］.

2 -1021 巷為沿空掘進(jìn)巷道，掘進(jìn)過程中受到2 -106 回采工作面影響頂板有明顯響聲，2 -1021巷掘進(jìn)期間兩幫移近量觀測曲線見圖7.

圖7 2 -1021 巷掘進(jìn)期間兩幫移近量觀測曲線圖

由圖7 可知，巷道開挖后前兩天內(nèi)兩幫移近量變化較快，可達(dá)總變形量的60%，在巷道開挖10 天后兩幫移近量趨于穩(wěn)定，巷道兩幫最大移近量為120 mm.

2 -1021 巷回采期間兩幫移近量觀測曲線見圖8，從距回采工作面150 m 起連續(xù)觀測至回采超前段30 m 處，兩幫最大收斂量為185 mm，滿足巷道在回采期間的正常使用，避免了回采期間的巷道返修。

圖8 2 -1021 巷回采期間兩幫移近量觀測曲線圖

2)經(jīng)濟(jì)效益分析。

統(tǒng)計試驗(yàn)巷道掘進(jìn)速度和支護(hù)成本，分析試驗(yàn)巷道技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。原巷道平均月進(jìn)尺為180 m，新支護(hù)設(shè)計通過提高單根錨桿受力，放大錨桿間排距，平均月進(jìn)尺為240 m，掘進(jìn)時最高月進(jìn)尺為303 m，平均月進(jìn)尺提高33%. 新設(shè)計支護(hù)材料成本增加81 元/m，綜合計算進(jìn)尺提高和回采期間維護(hù)費(fèi)用，2 -1021巷累計創(chuàng)造效益110 余萬元。

5 結(jié) 論

1)干河煤礦2 -1021 巷原支護(hù)設(shè)計存在支護(hù)構(gòu)件不匹配、角度錨桿、錨桿錨索預(yù)應(yīng)力偏低、錨桿間排距設(shè)計不合理等問題，影響巷道掘進(jìn)單進(jìn)水平且不能滿足回采期間巷道正常使用。

2)新支護(hù)設(shè)計通過使支護(hù)材料構(gòu)件間合理匹配，提高單根錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度，降低了錨桿錨索支護(hù)密度。使用W 鋼護(hù)板替代錨桿托梁，優(yōu)化了錨桿施工工藝流程。

3)高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，提高了掘進(jìn)期間的單進(jìn)水平及鄰空動壓巷道結(jié)構(gòu)的整體性，巷道掘進(jìn)期間的最大變形量為120 mm，回采期間的最大變形量為185 mm，滿足掘進(jìn)、回采期間的正常使用，避免了回采期間的返修。

［1］ 康紅普，王金華，林 健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報，2007，32(12):1233 -1238.

［2］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009:87 -90.

［3］ 張 劍，劉愛卿.杜兒坪礦低位瓦斯抽放巷支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤炭技術(shù)，2014，33(11):114 -117.

［4］ 劉立明，張 農(nóng)，張念超.深部煤巷圍巖強(qiáng)化控制在謝橋礦的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010(12):27 -29.

［5］ 張 農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(5):524 -527.

［6］ 張 劍，劉愛卿.巷道群應(yīng)力場分布特征的數(shù)值模擬研究［J］.煤炭工程，2014，46(12):81 -83.

［7］ 康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計［J］.煤炭學(xué)報，2008，33(7):721 -726.