掘進(jìn)工作面支護(hù)方案與錨桿抗拔作用力學(xué)模型研究

付廷喜

（大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 礦井概況

1.1 地表及井下位置

根據(jù)《同忻三盤區(qū)山2#煤層8201工作面掘進(jìn)地質(zhì)說明書》提供數(shù)據(jù)，地面位于碾子溝新興村南西部，三條小路和北洋路穿越本工作面，工作面中部地面為本礦已關(guān)閉南井井口及工業(yè)廣場，有四條溝穿越本工作面，深度為 16～33m，寬度為 29～142m，地表大部分種植小松樹，蓋山厚度為：450～510m。井下位于同忻三盤區(qū)山2#煤層，北東部為8201工作面，北西部為山2#煤層可采邊界,南西為山2#煤層可采邊界。

1.2 煤（巖）層賦存特征

根據(jù)2201巷和5201巷掘進(jìn)時揭露的煤厚，煤體結(jié)構(gòu)簡單，平均煤厚2.4m(中厚煤層)，含夾矸1-2層（0.15～0.4）。煤層走向北西，煤層特征及頂（底）板巖層詳見表1、表2。

表1 煤層特征情況

表2 頂、底板巖性特征表

2 施工組織設(shè)計(jì)與方法

2.1 巷道布置

巷道層位、開口位置及方位角：8201工作面開切眼位山2#層三盤區(qū)，巷道開口設(shè)計(jì)位置X=4433322.537，Y=542210.397， 掘 進(jìn) 方 位 角 為144°15′20″。巷道開口位置與2201巷水平夾角為90°0′0″。同忻三盤區(qū)8201工作面開切眼巷道中線按照巷道的方位進(jìn)行控制。

2.2 巷道形狀及斷面（見表3）

表3 斷面尺寸及工程量匯總表

2.3 施工方法

1）8201工作面開切眼采用EBZ-260型綜掘機(jī)掘進(jìn)，開切前按設(shè)計(jì)打兩排組合錨索，錨索采用直徑8mm的鋼條3根擰在一起，長度8000mm，間距4m，每排距幫1.5m。首先，按全斷面7.7m寬施工10m后再進(jìn)行工作面?zhèn)刃∏醒凼┕?，最后擴(kuò)刷古塘側(cè)小切眼，掘、刷兩個過程,以保證開切眼頂板平整。

2）大斷面嚴(yán)禁一次性擴(kuò)刷成巷，分次掘進(jìn)、分次支護(hù)，支護(hù)時工作面?zhèn)葞桶磮D紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)，擴(kuò)刷幫上部采用Φ22×2000mm高強(qiáng)度螺紋鋼（BHRB 400）錨桿每排2根進(jìn)行臨時支護(hù)，上部第一根錨桿距頂板不大于450mm，玻璃鋼護(hù)板Φ200mm，厚50mm，鋪設(shè)高強(qiáng)塑料網(wǎng)。

3 錨桿抗拔作用力學(xué)模型及荷載計(jì)算

錨桿（索）支護(hù)技術(shù)能有效提高巷道支護(hù)安全，改善井下工作環(huán)境。錨桿是將小面積的頂板圍巖錨定成一個小的整體，而錨索是將幾個小的整體錨定成一個較大的穩(wěn)定區(qū)。錨桿（索）對穩(wěn)定頂板及圍巖的效果主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)類型、破壞形式以及錨桿（索）的長度、角度和間距等因素，安裝時，主要考慮預(yù)緊力的大小。錨桿（索）應(yīng)用需要滿足以下條件：Pyi＞Pmax。公式中，Pyj為錨桿（索）預(yù)緊力，Pmax為錨桿（索）同時滿足各種作用所需的最大作用力。

3.1 錨桿抗拔作用的力學(xué)模型

建立錨桿抗拔作用的力學(xué)模型時,通常依據(jù)假設(shè)的錨桿抗拔試驗(yàn)的剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線，從而推導(dǎo)出錨固體表面的剪切力及其軸力的分布公式：

為了便于描述,假設(shè)錨桿拉筋和巖體的彈性模量及巖土體的泊松比分別為Eb=2.0×105MPa，E=6.0×103MPa，μ=0.3，錨桿直徑 r=22mm，錨桿的拉拔力P=300kN；錨固體直徑D=50mm，錨固體的等效彈性模量為Eα=8.0×104MPa，錨固體與錨固層界面的剪切模量Gs=20MPa，錨固段長度為Lα=10m，錨固體剪切變形系數(shù)k=8.0MPa/m。

該模型考慮了錨固體的剪切變形系數(shù),錨固體的等效彈性模量及錨孔位移的實(shí)測值,則由式（1）、（2）得

錨固體表面剪應(yīng)力分布為：N=134.8e0.0894x+837.3e-0.0894x-972

錨固體的軸力分布為：τ=-0.0768e0.0894x+0.4768e-0.0894x

在實(shí)測u0為50.90mm,其它參數(shù)不變的情況下 ,其分布曲線如圖1、圖2。

圖1 錨固體剪應(yīng)力變化曲線

圖2 錨固體軸力變化曲線

依據(jù)圖1、圖2應(yīng)力變化曲線，不難得出，錨桿在不同深度的變形量及應(yīng)力大小是不同的。錨桿的受力分為兩部分：越接近巷道一端的，錨桿為防止圍巖移動而變形比較大，因此錨桿受到的剪應(yīng)力也最大；反之，遠(yuǎn)離巷道一端，錨桿表面受到背向巷道的剪應(yīng)力，導(dǎo)致錨桿的變形量及位移減小。為此而得出，錨桿在不同深度的不均勻變形，產(chǎn)生錨固效應(yīng)，抑制了頂板圍巖的變形，實(shí)現(xiàn)了頂板圍巖的支護(hù)。

3.2 錨桿（索）承受的拉斷荷載計(jì)算

式中：P為錨桿（索）拉斷荷載；d為錨桿（索）直徑；σb為錨桿（索）拉斷強(qiáng)度。

從常用錨桿鋼筋拉伸強(qiáng)度表可知，對于直徑22mm錨桿而言，高強(qiáng)度螺紋鋼（BHRB400），其拉斷荷載計(jì)算如下查表（σb=570）：

3.3 錨桿（索）承受的剪切荷載計(jì)算

式中：Q為錨桿（索）剪切荷載；d為錨桿（索）直徑；τb為錨桿（索）剪切極限強(qiáng)度。

從常用錨桿鋼筋剪切強(qiáng)度表可知，對于直徑22mm錨桿而言，高強(qiáng)度螺紋鋼（BHRB 400）其剪切極限強(qiáng)度計(jì)算（查表τb=399）：

本工程依據(jù)設(shè)計(jì)要求、頂板圍巖實(shí)際情況及受力驗(yàn)算，錨桿采用直徑22mm，長度2000mm的螺紋鋼筋，錨索采用直徑8mm的鋼條3根擰在一起，長度8000mm。

4 錨桿（索）支護(hù)施工工藝

施工作業(yè)工序：臨時支護(hù)→定眼位→鉆眼→裝樹脂→注錨桿→攪拌→凝固→緊固→檢查。

4.1 臨時支護(hù)、定眼位

打錨桿、錨索前先將機(jī)載前探梁及金屬網(wǎng)升起與頂板接實(shí)，然后將錨桿機(jī)調(diào)整到合適位置，根據(jù)錨桿、錨索設(shè)計(jì)的間排距，將錨桿、錨索的眼孔位置用噴漆標(biāo)好，眼位誤差不得大于±100mm，并在鉆桿上標(biāo)出鉆孔的深度。

4.2 裝藥、攪拌、凝固和緊固

安裝錨桿（錨索）時，取兩支（三支）MSK2360樹脂錨固劑放入眼內(nèi)，然后用錨桿（錨索）頂住錨固劑，送入眼內(nèi)，再將錨桿（錨索）放入攪拌器，開起風(fēng)鉆將錨固劑送到眼底開始轉(zhuǎn)動進(jìn)行攪拌，快速型錨固劑攪拌時間一般控制在20～35s，等待固化時間為90～180s，7min后用風(fēng)動扳手（錨索漲拉千斤）進(jìn)行預(yù)緊，15min后方可測試錨固力。

4.3 檢查

完成緊固工序之后使用盒尺和扭距扳手（錨索漲拉千斤）檢查錨桿（錨索）安裝是否合格。

為了確保安全施工，錨桿、錨索支護(hù)必須緊跟工作面，不得滯后，如巷道遇破碎帶，過地質(zhì)構(gòu)造時必須編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施；掛網(wǎng)前要處理離層片幫，處理完后才能開始支護(hù)，保證作業(yè)人員安全；在掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制墻底腳伸腿現(xiàn)象,否則必須人工處理；一旦發(fā)現(xiàn)支護(hù)質(zhì)量問題必須及時處理，并認(rèn)真填寫相關(guān)生產(chǎn)日志。

5 結(jié)語

同忻三盤區(qū)山2#煤層8201工作面切眼巷道掘進(jìn)施工，自2018年8月27日開始，歷時2個多月，于2018年10月底順利完工。由于所采用錨桿（索）支護(hù)方法與施工工藝科學(xué)合理，不僅保證了安全生產(chǎn),改善了井下作業(yè)環(huán)境，而且節(jié)約了支護(hù)和維修費(fèi)用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。