錨桿支護(hù)在煤礦井下大斷面復(fù)合頂板的應(yīng)用

趙明亮

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽礦， 山西　孝義　032306）

引言

賀西煤礦屬于大型礦井，年產(chǎn)煤量已經(jīng)達(dá)到了180萬t，且煤層結(jié)構(gòu)較為簡單，厚度均為2 m左右，直接頂為砂巖，厚度為1.4 m。但偽頂為頁巖，厚度僅為0.4 m且容易坍塌破碎，此區(qū)域內(nèi)的煤層賦存較為穩(wěn)定，偽頂與直接頂之間還夾著0.2 m厚的煤層。當(dāng)存在壓力或者遇到風(fēng)化問題時(shí)，此層偽頂很容易破碎，為工作面的頂板支護(hù)帶來了諸多問題。

長期以來，賀西煤礦始終全面推行煤巷錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)巷道，這種支護(hù)方法安全可靠具備較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且其控制圍巖變形的效果也很好，施工速度較快。但在大斷面拱形巷道的挖掘施工中還是首次使用，為了在大斷面拱形巷道施工過程中全面使用煤巷錨桿支護(hù)方法，我們在三采區(qū)第四風(fēng)巷工作面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，不但提升了煤礦生產(chǎn)的安全性，也創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1　錨桿支護(hù)簡介

錨桿支護(hù)主要是利用樹脂錨固劑搭配各種材質(zhì)的錨桿進(jìn)行的工程支護(hù)技術(shù)，其將樹脂膠泥作為基礎(chǔ)的膠粘劑以及固化劑，將錨桿裝進(jìn)鉆孔中，按照一定速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攪拌，直至將其推至鉆孔底部，以充分混合兩種化學(xué)物質(zhì)，而黏結(jié)劑會迅速聚合并將錨桿與鉆孔孔壁緊緊的粘接在一起，在安裝托板并擰緊螺母，以對周圍的巖石起到固定作用。在錨桿支護(hù)過程中應(yīng)做到鉆孔直徑、錨桿直徑以及錨固劑直徑的有效配合，進(jìn)而確保錨桿支護(hù)達(dá)到最佳狀態(tài)。

1.1　鉆孔直徑

鉆孔直徑由錨固力、錨固成本以及錨固效率所確定，且樹脂錨桿錨固力在25～29 mm的孔徑區(qū)間內(nèi)，隨著鉆機(jī)直徑的增大而增大，直至達(dá)到最大29 mm。在超過29 mm后會急劇降低。而通過類似的實(shí)驗(yàn)也可以證實(shí)，直徑為18 mm的錨桿，鉆孔直徑在26 mm時(shí)的錨固力最大，而直徑為16 mm的錨桿，當(dāng)鉆孔直徑為25 mm時(shí)的錨固力最大[1]。由此可以看出，鉆孔直徑越大，錨固成本越高，且鉆孔的時(shí)間也越長。

1.2　錨桿直徑

當(dāng)前國外大多采用20～22 mm的錨桿直徑，但由當(dāng)前我國設(shè)計(jì)及施工情況來看，錨桿直徑大多保持在16～22 mm之間，且多數(shù)集中在18 mm左右，明顯較小。目前國內(nèi)很多專家都研究了錨桿的直徑與長度問題，結(jié)果顯示，錨桿長度與直徑都存在極限值，且并非越長取得的效果越佳。

具備代表性的研究主要包括以下幾點(diǎn)：一是錨桿尾部剪應(yīng)力不超過黏結(jié)劑極限強(qiáng)度決定了錨桿的整體長度，且錨桿的極限直徑也由最大的軸向力與剪應(yīng)力決定。二是錨桿的極限長度因大于塑性區(qū)域的厚度，且不得超過塑性區(qū)域的范圍。三是通過分析近萬個(gè)數(shù)據(jù)信息可以發(fā)現(xiàn)，錨桿長度與直徑存在合理數(shù)值。通過上述研究，我們提出了“三徑”匹配方案。即錨桿直徑的增大會進(jìn)一步加大錨桿的錨固力，且增大了支護(hù)成本。但實(shí)際工程中在確定錨桿直徑時(shí)也應(yīng)綜合考慮多種因素，要在保證錨桿可靠支護(hù)阻力的同時(shí)，使用經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)方法，以充分滿足支護(hù)阻力、技術(shù)可行性以及經(jīng)濟(jì)合理性等要求。綜合分析發(fā)現(xiàn)，煤礦井下工程中應(yīng)采用18～22 mm的錨桿直徑[2]。

1.3　樹脂錨固劑直徑

在確定樹脂錨固劑直徑時(shí)應(yīng)遵循兩個(gè)基本原則，一是在確定鉆孔直徑的條件下，確保錨固劑的順利安裝；二是在確保樹脂錨固劑順利安裝的前提下，盡量增加直徑。樹脂錨固劑直徑的增大具備以下幾種優(yōu)勢，一方面，錨桿在攪拌樹脂錨固劑時(shí)，可以確保樹脂膠泥與固化劑的充分混合，以更好的發(fā)揮出樹脂錨固劑的強(qiáng)度；另一方面，在使用相同體積的樹脂錨固劑時(shí)，由于直徑的增大，可以縮短錨桿的總長度，以減少裝入時(shí)間，確保安裝的順利進(jìn)行。

綜合分析研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在29 mm鉆孔中可以使用直徑在18～22 mm的錨桿。

2　后支護(hù)技術(shù)

2.1　巷道斷面

根據(jù)礦井的實(shí)際配風(fēng)量，三采區(qū)第四回風(fēng)巷的斷面應(yīng)該設(shè)計(jì)為半圓的拱形巷道，且墻高為1.7 m，凈高度為4.1 m，凈寬度為5 m，斷面的面積為18.317 m2。

2.2　錨桿支護(hù)

頂板的錨桿呈矩形布置，且每排為14根，且兩幫拱基線下為2根錨桿，其間距為800 mm，排距也為800 mm。

2.3　頂板錨桿

頂板設(shè)置10根錨桿，且錨固長度保持在1300～1500 mm，幫錨每孔使用1支K3537，錨索然孔使用1支K2355以及2支Z2355錨固劑，且鋪設(shè)好相應(yīng)的鋼筋網(wǎng)。

2.4　混合噴漿

采用標(biāo)號為C20的混凝土，水灰比例保持在0.4～0.5之間，且水泥與沙子的配比體積為1∶3，水泥使用普通的硅鹽酸水泥，而砂子中的粗砂含水量應(yīng)保持在4%～6%左右，含水量不得超過3%[3]。

2.5　第四回風(fēng)巷的支護(hù)

第四回風(fēng)巷的斷面較大，受風(fēng)化、膨脹以及離層等因素的影響，頂板很容易出現(xiàn)垮落問題。為此，必須做好支護(hù)工作，在支護(hù)幫頂錨桿時(shí)，應(yīng)緊隨工作面進(jìn)行噴漿，且之間的距離應(yīng)保持在30 m之內(nèi)。以便提供高強(qiáng)度的阻力，阻止頂板巖層出現(xiàn)下沉位移問題。

3　施工保障技術(shù)

應(yīng)按照綜掘機(jī)截割、巷道拱基上部、出煤、臨時(shí)支護(hù)、打頂錨錨桿、鋪金屬網(wǎng)、上托盤以及擰緊螺母等流程進(jìn)行施工，具體措施如下。一是應(yīng)嚴(yán)格控制綜掘機(jī)截割巷道成形，避免因超挖或者欠挖等問題形成較大誤差，為此后的噴漿工作帶來不便。二是工作面最大的空頂距離應(yīng)保持在2 m左右，且頂部錨桿也應(yīng)緊跟工作面，減少頂板的暴露時(shí)間，確保夠一排錨索排距，就及時(shí)打一排，以充分發(fā)揮出圍巖自身的穩(wěn)定性。三是應(yīng)嚴(yán)格按照施工流程進(jìn)行打眼工作，并安裝錨桿，完成鋪網(wǎng)。且打眼時(shí)必須垂直進(jìn)行，不能出現(xiàn)臺階，且安裝粘固劑的順序也不能發(fā)生顛倒，確保足夠的攪拌及等待時(shí)間。四是當(dāng)煤體較為松軟時(shí)，應(yīng)縮短整個(gè)地段綜掘截面的寬度，并縮小錨桿之前的間排距離。五是應(yīng)使用高強(qiáng)度的螺紋鋼錨桿，不得使用普通金屬的錨桿。六是由于錨桿支護(hù)具備較大的隱蔽性，為此施工人員還應(yīng)嚴(yán)格檢查工程質(zhì)量，加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督的力度，以確保錨桿支護(hù)可以滿足基本的設(shè)計(jì)要求，并及時(shí)補(bǔ)打不合格的錨桿。七是應(yīng)做好巷道向外的排水工作，減少水對巷道質(zhì)量的影響[4]。

4　監(jiān)測

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)錨桿施工的質(zhì)量水平，驗(yàn)證錨桿的具體支護(hù)效果，科學(xué)評價(jià)相關(guān)參數(shù)的合理性，建立了錨桿支護(hù)巷道的檢查系統(tǒng)名，其可以充分反映錨桿在圍巖中的受力情況，以及圍巖的實(shí)際變化情況。一方面是測定航巷移近量，在巷道內(nèi)每隔250 m設(shè)置兩個(gè)觀測斷面，且兩個(gè)觀測面為2 m，以測定巷道頂?shù)滓约皟蓭偷囊平俊Ｔ诰蜻M(jìn)過程中，兩幫最大的移近量為350 mm，且底板最大的累計(jì)移近量為200 mm，巷道頂板更為穩(wěn)定。但由于底板成分為泥巖，遇水很容易出現(xiàn)底鼓問題，因而在后期施工過程中，還應(yīng)緊跟工作面進(jìn)行噴漿工作。另一方面是觀察離層指示儀，在風(fēng)巷工作面每隔250 m設(shè)置一個(gè)離層指示儀觀察點(diǎn)。在掘進(jìn)過程中，由10天的監(jiān)測結(jié)果可以看出，巷道頂板離層量保持在100 mm以內(nèi)，且距迎頭超過120 m后開始趨于穩(wěn)定。

5　經(jīng)濟(jì)與社會效益

使用錨桿支護(hù)方法降低了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本與勞動強(qiáng)度，同時(shí)也減輕了人工的勞動強(qiáng)度，提升了施工效率。

6　結(jié)語

在大斷面巷道采用錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)軟巖復(fù)合頂板的支護(hù)效果較佳，且采用的支護(hù)參數(shù)也科學(xué)合理。高強(qiáng)度的錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)提升了巷道圍巖的承載能力，也有效控制了拱形巷道圍巖的變形問題，改善了當(dāng)前的施工環(huán)境，因而值得被進(jìn)一步推廣使用。

[1]劉洪濤，王飛，王廣輝，等.大變形巷道頂板可接長錨桿支護(hù)系統(tǒng)性能研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014（4）：88-89.

[2]林健，孫志勇.錨桿支護(hù)金屬網(wǎng)力學(xué)性能與支護(hù)效果實(shí)驗(yàn)室研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013（9）：113-114.

[3]張斌川，盧輝，劉路，等.深井高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2014（6）：125-126.

[4]王愛文，潘一山，李忠華，等.沖擊危險(xiǎn)巷道錨桿支護(hù)防沖原理解析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2016（8）：34-35.