煤礦巷道錨桿支護技術(shù)應用探討

白 宇

1 盤區(qū)地質(zhì)概述

寺河煤礦二號井九七盤區(qū)大巷沿9#煤層的底板施工，設計三條大巷分別稱為97101、97102、97103大巷，作為盤區(qū)的準備巷道。盤區(qū)內(nèi)9#煤層位于石炭系太原組中部，上限標高為636 m，下限標高為468 m，地面標高為793～1024 m。直接頂板為厚3.3 m粉砂巖，老頂為厚5.3 m的細砂巖，底板為厚0.8 m的石灰?guī)r。

現(xiàn)有的支護方案頂板的支護強度達到了90，000 kg/m2，遠遠超出了規(guī)定支護強度，增加了成本。同時也造成巷道掘進速度慢、效率低。

2 巷道應力測試與分析

為了科學合理的設計巷道支護方案，研究地應力對巷道布置的影響，掌握測試區(qū)域內(nèi)地應力的大小與方向和9#煤圍巖特性。對實驗巷道進行地應力測試。

根據(jù)礦井生產(chǎn)技術(shù)條件和地應力測試要求，分別在九七盤區(qū)大巷的聯(lián)絡巷（測點A）和97202大巷950 m處（測點B）選定兩處位置實施試驗。

2.1 測試過程與應力數(shù)據(jù)

在兩個測點分別施工鉆孔并安裝應力計，利用鉆孔取出的巖芯在實驗室加工成標準試塊。通過單軸壓縮試驗確定測量段巖石的彈性模量、泊松比和單軸抗壓強度等力學參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理得到測點A和測點B附近區(qū)域地應力實測結(jié)果。

表1 地應力計算結(jié)果

可以看出，九七盤區(qū)大巷的聯(lián)絡巷和97202大巷最大水平主應力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E，垂直主應力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應力大于垂直應力，說明該區(qū)域地應力以構(gòu)造應力為主。

2.2 應力分析

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，九七盤區(qū)所在的位置的屬于低應力區(qū)，井下的工程實踐也證明此區(qū)域的水平應力顯現(xiàn)不明顯。九七盤區(qū)頂板巖石穩(wěn)定性好，強度較高。因水平應力對九七盤區(qū)大巷和順槽的布置影響很小，最大水平主應力的方向與大巷和順槽也均不是垂直和平行的關(guān)系。

3 大巷支護方案設計

3.1 整體耦合支護工況點

根據(jù)整體耦合讓均壓的設計理念，支護系統(tǒng)設計必須包括：錨桿（索）長度，支護強度和支護系統(tǒng)的變形耦合讓均壓距離。這三個參數(shù)相互影響且相互制約，三者必須達到耦合。單獨改變一個因素而忽略其他因素都達不到支護效果，這三者就是耦合支護工況點。利用錨桿耦合支護工況點設計曲線圖可以設計耦合支護工況點、檢查參數(shù)設置是否合理。

3.2 錨桿支護參數(shù)確定

（1）錨桿支護系統(tǒng)工況點確定

圍巖應力變形特性的特點決定錨桿特性曲線設計，根據(jù)現(xiàn)場采礦地質(zhì)條件及采動影響，利用數(shù)值模擬方法得出圍巖應力和變形特性曲線。據(jù)此再結(jié)合錨桿耦合支護工況點設計曲線，可以確定錨桿支護系統(tǒng)的工況點：最小支護強度：600 kN/m、巷道圍巖位移20 mm、允許的最小變形20 mm。

而錨桿的長度應該足以錨固到松散破碎范圍以外的穩(wěn)定巖層中，根據(jù)現(xiàn)場圍巖松散破碎圈分析，頂幫錨桿的長度均選為2000 mm，以保證錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中。

根據(jù)以上工況點，選擇Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿。其理論屈服強度為120 kN，抗拉強度值150 kN。

（2）錨桿安裝應力確定

依據(jù)現(xiàn)場建立有限元二級模型，模擬分析錨桿安裝應力。頂板每排布置5根錨桿，排距1.2 m。通過改變模型中錨桿的安裝應力，達到無離層、頂板中的拉應力最小的最佳組合梁效果為宜。

圖1為安裝應力增加至40 kN時的應力分布變形圖和頂板離層圖，灰色區(qū)域為受拉區(qū)。通過模型可以看出，安裝應力到40 kN時，頂板拉應力區(qū)絕大多數(shù)消除，絕大多數(shù)頂板離層都閉合，從而取得最佳組合梁的效果。所以沿頂掘進時所需的最小錨桿安裝應力為40 kN。

圖1 應力分布變形圖和放大后的頂板離層

3.3 輔助支護系統(tǒng)設計

為了保證錨索能錨固到頂板穩(wěn)定圍巖中，結(jié)合井下具體施工地點情況，選擇快裝高預應力“鳥窩”錨索。其參數(shù)如下：直徑15.24 mm、長度5300 mm、安裝應力90±10 kN、采用“三花”布置，排距2.4 m。

每套錨桿采用1支K2335的快速樹脂藥卷與1支Z2360的中速樹脂藥卷；每套錨索采用1支K2335的快速樹脂藥卷與2支Z2360的中速樹脂藥卷。

4 大巷支護效果檢驗

為全面檢測97102大巷采用新支護方案的支護狀態(tài)，驗證錨桿支護設計的合理性，檢驗支護質(zhì)量，進行了礦壓監(jiān)測檢驗。

4.1 錨桿錨固力檢測

在試驗段掘進10 m后隨機抽取4根錨桿做拉拔試驗，對錨桿錨固力進行檢測。下圖是其中1根錨桿拉拔試驗曲線圖，可以看出。拉拔力到20 kN時，錨桿頭位移為零；到30 kN時，錨桿托盤已經(jīng)把鋼帶緊貼巖壁，當拉拔力在140～160 kN，錨桿已經(jīng)接近屈服階段。當拉拔力達到160 kN時支護體拉力仍有上升趨勢，錨桿沒有被拉出，說明Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿用一卷MSK2335加一卷MSZ2360的樹脂錨固劑時，錨固力與錨桿抗拉強度匹配完好，滿足設計要求。

圖2 拉拔試驗曲線

4.2 錨桿安裝扭矩與預緊力關(guān)系

在試驗段掘進10 m后進行監(jiān)測。首先把安裝應力測試表放在托盤與螺母之間；其次利用扭矩扳手緊固螺母，每增加50 N·m，讀數(shù)一次安裝應力測試表并記錄。

表2 扭矩實驗記錄

由表可知：當頂板的錨桿安裝扭矩大于180 N·m時，錨桿的預緊力即大于設計中要求的40 kN。現(xiàn)在規(guī)程規(guī)定頂錨的安裝扭矩要大于200 N·m，能夠滿足設計要求，且有富裕系數(shù)。

4.3 巷道位移觀測

在實驗巷道選定4個測點（間距50 m）觀測頂?shù)装逡平?。每兩天觀測一次，直到巷道基本穩(wěn)定，然后畫出巷道表面位移變化曲線。分析巷道受掘進和回采影響情況，總結(jié)規(guī)律，取巷道的穩(wěn)定程度和扭矩應力錨桿的支護效果得平衡點。

圖3 測點4位移變化曲線

由圖可知，采用新設計支護方案后，掘進期間大巷兩幫的最大移近量為79 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?2 mm。大巷在滯后掘進迎頭150 m后趨于穩(wěn)定，250 m后完全穩(wěn)定。

根據(jù)九七盤區(qū)97301及相鄰的97302和97303工作面的采礦與支護經(jīng)驗，97102大巷試驗段受時間和臨近采煤工作面的動壓影響較小。預計采煤工作面影響期間兩幫最大移近量會增加20 mm左右，頂?shù)装逡平繒黾?0 mm?；夭捎绊懡Y(jié)束后，預計試驗段兩幫最大變形量在100 mm左右，頂?shù)装遄畲笞冃瘟吭?0 mm左右。大巷在整個服務期限內(nèi)均能夠保持穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1）九七盤區(qū)大巷和97202大巷最大水平主應力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E， 垂直主應力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應力大于垂直應力，該區(qū)域地應力以構(gòu)造應力為主，屬于低應力區(qū)。

2）新型支護設計保證了錨桿(索)的錨固力，實現(xiàn)了“三徑比”的合理優(yōu)化。通過施加足夠預緊力并通過組合構(gòu)件實現(xiàn)預應力擴散，將圍巖錨固成一整體，提高錨固體的強度，阻止圍巖變形、裂隙擴展。

3）試驗表明，掘進期間大巷試驗段兩幫最大移近量為79 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?2 mm。大巷在滯后掘進迎頭150 m后趨于穩(wěn)定，250 m后完全穩(wěn)定。大巷在整個服務期限內(nèi)均能夠保持穩(wěn)定。

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