煤礦運(yùn)輸巷錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王曉波

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治046000）

引言

煤礦開采時(shí)巷道施工是必不可少的環(huán)節(jié)[1-2]，巷道圍巖的穩(wěn)定性對煤礦安全有決定性的影響[3-4]。巷道支護(hù)是確保煤礦安全的重要措施。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在巷道支護(hù)方案中非常常見，能夠起到很好的應(yīng)用效果[5-6]。本文以某煤礦運(yùn)輸巷為例，對其錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了系統(tǒng)全面的設(shè)計(jì)和研究，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

1 工程概況

某煤礦設(shè)計(jì)的年生產(chǎn)能力為50萬t，目前正在開采的工作面，其煤層厚度在0.53～2.63 m范圍內(nèi)，厚度平均值約為1.5 m。煤層厚度變化范圍相對較窄，屬于比較穩(wěn)定的煤層。另外，煤層內(nèi)部不包含有夾矸，結(jié)構(gòu)也很簡單，可采指數(shù)為1，即全部都可以開采，變異系數(shù)約為20%左右。煤層直接頂主要由泥巖構(gòu)成，其厚度在1.9～2.9 m范圍內(nèi)，平均厚度大小為2.5 m，存在一定的縫隙，賦存不是非常穩(wěn)定。老頂主要由細(xì)砂巖和泥巖共同構(gòu)成，其厚度范圍分別為1.8～3.2 m和0.34～0.63 m，平均厚度分別約為2.5 m和0.4 m，整體上呈現(xiàn)出條狀分布，有離層的風(fēng)險(xiǎn)。直接底主要由粉砂巖和泥巖構(gòu)成，其厚度分別為1.89～3.53 m和2.19～4.38 m，平均厚度分別為2.9 m和3.12 m，存在裂隙發(fā)育。老底主要由細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖構(gòu)成，厚度平均值分別為2.3 m、4.6 m和2.5 m。本文主要對該工作面的運(yùn)輸巷道支護(hù)方案進(jìn)行分析和研究，該運(yùn)輸巷截面為矩形，巷道的高度和寬度分別為3.2 m和5.0 m。

2 巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

在巷道頂部和幫部位置都需要用錨桿進(jìn)行支護(hù)，其中頂部區(qū)域使用的錨桿屬于左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼，其直徑和長度分別為22 mm和2.8 m。錨桿之間的間距設(shè)置為0.75 m，兩排錨桿之間的距離同樣設(shè)置為0.75 m。此外還需要配合使用菱形金屬網(wǎng)以及鋼帶梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，其中使用的鋼帶梁為M5鋼帶，其長度為5 m，金屬網(wǎng)的長度和寬度分別為5.0 m和0.9 m。在安裝過程中需要對金屬網(wǎng)和鋼帶梁進(jìn)行搭接，要求搭接寬度不得小于100 mm，搭接時(shí)需要利用鋼絲對其進(jìn)行牢固捆扎。幫部位置使用的錨桿屬于右旋高強(qiáng)度全螺紋鋼，其直徑和長度分別為22 mm和2.5 m，兩根錨桿之間的距離設(shè)置為0.7 m，兩排錨桿之間的距離設(shè)置為0.75 m。同樣需要配合使用菱形金屬網(wǎng)和鋼帶梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，其中使用的鋼帶梁長度為3.2 m，菱形金屬網(wǎng)的長度和寬度分別為3.2m和0.9m。金屬網(wǎng)和鋼帶梁在搭接時(shí)的要求與頂板位置一樣。

錨桿在安裝時(shí)，需要使用樹脂型錨固劑，數(shù)量為兩卷，型號為Z2850。頂板位置兩邊與幫部區(qū)域臨近的兩根錨桿，分別與頂板呈30°角向外進(jìn)行安裝，其余中間位置的錨桿全部與頂板保持垂直安裝。幫部位置靠上側(cè)的三根錨桿在安裝時(shí)與幫部平面呈30°角向上進(jìn)行安裝，與巷道底板相鄰的兩根貓桿在安裝時(shí)與幫部平面呈5°角向下進(jìn)行安裝。要求頂部位置和幫部位置錨桿的扭矩大小分別為200 N·m和100 N·m，抗拉拔力大小分別為120 kN和60 kN。

2.2 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的支護(hù)方案中，頂部位置和幫部位置全部使用了錨索，且使用的型號、規(guī)格全部相同，均為高強(qiáng)度鋼絞繩錨索，具體型號為SKP22-1/1860型，其直徑和長度分別為22 mm和6.3 m。頂板錨索之間的距離設(shè)置為1 m，兩排錨索之間的距離設(shè)置為1.5 m，采用的是“3-4-3-4”的布置形式，即其中一排設(shè)置有3根錨索，臨近一排設(shè)置有4根錨索。在幫部兩側(cè)距離頂板1.1 m的位置分別設(shè)置1根錨索，排距設(shè)置為1.5 m。為進(jìn)一步提升錨索的支護(hù)效果，兩排錨索之間還需要使用18號槽鋼進(jìn)行固定連接。

錨索安裝時(shí)，需要使用樹脂型錨固劑，數(shù)量為三卷，具體型號為Z2850型。幫部兩側(cè)錨索全部與幫部平面保持30°角向上進(jìn)行安裝。頂板位置與幫部臨近的兩根錨索在安裝時(shí)與頂板平面保持30°角向外進(jìn)行安裝，處于中間位置的錨索全部與頂板平面保持垂直安裝。安裝時(shí)錨索的預(yù)緊力全部設(shè)置為150 kN。

3 巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案的工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用

3.1 實(shí)踐過程監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

為了對本文設(shè)計(jì)的煤礦運(yùn)輸巷錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案的有效性和可靠性進(jìn)行分析鑒定，將該支護(hù)方案應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中，并對巷道的表面位移變化情況、錨桿錨索載荷情況以及巷道深部位置的位移變化情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。在實(shí)踐中隨機(jī)選擇一個(gè)監(jiān)測站進(jìn)行監(jiān)測。

1）巷道表面位移。對巷道表面位移變化情況進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，采用的是“十字布點(diǎn)法”，具體如圖1所示。在矩形巷道4個(gè)表面的中間位置選擇4個(gè)點(diǎn)，分別為A、B、C、D，其中AB和CD交于點(diǎn)O。具體監(jiān)測時(shí)只需要對AO、BO、CO、DO四個(gè)距離進(jìn)行測量，即可推算得到巷道表面的位移變化情況。

圖1 巷道表面位移變化情況監(jiān)測方案示意圖

2）錨桿錨索載荷?？梢岳缅^桿測力計(jì)對錨桿和錨索的受力情況進(jìn)行檢測。檢測時(shí)需要對監(jiān)測站截面位置所有的錨桿和錨索進(jìn)行載荷測定，然后對所有錨桿的檢測結(jié)果取平均值作為錨桿載荷大小，對所有錨索的檢測結(jié)果取平均值作為錨索的載荷大小。

3）頂板深部位置位移。監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在圖1中的C點(diǎn)，即頂板中間位置。用到的儀器設(shè)備為多點(diǎn)位移計(jì)。首先需要在對應(yīng)位置進(jìn)行打孔，然后基于多點(diǎn)位移計(jì)可以測量得到不同深度位置的圍巖位移變化情況。本研究中主要測量了深度分別為1 m、3 m和6 m位置的位移變化情況。

3.2 實(shí)踐應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果分析

1）巷道表面位移。如圖2所示為巷道表面的位移變化情況。從圖中可以看出，在剛開始階段，不管是頂?shù)装逦灰七€是兩幫位移均出現(xiàn)了快速增加的趨勢。直到與掘進(jìn)迎頭距離在32 m左右時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭臀灰谱兓呕沮呌诜€(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笪灰谱冃畏謩e為46 mm和58 mm左右。在連續(xù)觀測時(shí)間范圍內(nèi)，頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱冃嗡俾史謩e為2.89 mm/d和3.62 mm/d?？梢钥闯霾还苁俏灰谱冃嗡俾蔬€是最終的位移變形總量，均在可以接受的范圍內(nèi)。

圖2 巷道表面位移變化情況

2）錨桿錨索載荷。如圖3所示為錨桿和錨索載荷的演變曲線。從圖中可以看出，在剛開始階段，錨桿和錨索的載荷均出現(xiàn)了快速的增加趨勢，隨著與掘進(jìn)迎頭之間距離的不斷增大，載荷增加趨勢逐漸減緩，最終保持穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下錨桿和錨索的載荷大小分別為88 kN和146 kN左右?？梢钥闯鲥^桿和錨索的載荷均在對應(yīng)材料的允許范圍內(nèi)，不會(huì)對錨桿和錨索的使用構(gòu)成威脅。

圖3 錨桿錨索載荷的變化情況

3）頂板深部位置位移。如下頁圖4所示為頂板深部位置位移的變化情況。從圖中可以看出，在剛開始階段頂板深部不同位置的位移變形情況變化比較迅速，最后基本保持穩(wěn)定。與頂板位置越遠(yuǎn)，則位移變化情況越小，穩(wěn)定狀態(tài)下與頂板距離為1 m、3 m和6 m位置的最大位移分別為30 mm、6 mm和1 mm左右。

圖4 頂板深部位置位移的變化情況

4 結(jié)論

基于上述運(yùn)輸巷相關(guān)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案取得了較好的應(yīng)用效果，顯著提升了巷道圍巖的穩(wěn)定性。巷道表面位移變化情況、錨桿錨索載荷和頂板深部不同位置的位移均控制在合理范圍內(nèi)，不會(huì)對巷道安全構(gòu)成威脅。