煤礦巷道頂板的錨固支護(hù)研究及應(yīng)用分析

孔令軍

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

當(dāng)前階段我國煤礦采掘設(shè)備正朝著大型化、綜合化方向發(fā)展，使得煤礦采掘效率得到了顯著提升[1]。巷道支護(hù)準(zhǔn)備工作嚴(yán)重滯后是制約采煤效率進(jìn)一步提升的重要因素之一[2]?？v觀我國絕大部分煤礦可以發(fā)現(xiàn)，采掘和錨固支護(hù)都是分開作業(yè)的[3]。會造成兩者之間的相互矛盾，無法完全匹配，使得采煤設(shè)備的性能得不到充分發(fā)揮，進(jìn)而影響煤礦的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量[4]。煤礦采掘過程中最容易出現(xiàn)問題的就是巷道頂板，一旦頂板出現(xiàn)冒頂問題，不僅會對采煤工藝過程造成嚴(yán)重不良影響，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致重大煤礦安全事故[5-6]。因此，加強(qiáng)巷道頂板錨固支護(hù)技術(shù)的研究非常有必要，是保障煤礦安全的重要措施。本文主要對煤礦巷道頂板支護(hù)方案在實踐過程中表現(xiàn)出的問題進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的實踐效果。

1 巷道布置基本情況

某煤礦正在開采的煤層厚度在1.88～3.56 m 范圍內(nèi)，平均煤層厚度為2.91 m。整體的煤層結(jié)構(gòu)相對比較簡單，層位也比較穩(wěn)定，但是煤層厚度的變化范圍比較廣。不管是頂板還是底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。煤層工作面在開采過程中遵循不破頂?shù)脑瓌t。如果煤層厚度超過3.2 m，則沿著煤層底板掘進(jìn)，頂煤進(jìn)行預(yù)留處理。如果煤層厚度不超過3.2 m，則沿著煤層頂板進(jìn)行開采。工作面巷道截面整體上為矩形，寬度和高度分別為5.4 m 和3.2 m，截面面積為17.28 m2。

2 巷道頂板支護(hù)方案

2.1 原有頂板支護(hù)方案

工作面巷道原本使用的是“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”的支護(hù)方案。每排設(shè)置錨桿6 根，錨桿的規(guī)格尺寸為直徑20 mm，長度2.2 m，屬于左旋螺紋鋼錨桿，鋼筋網(wǎng)通過直徑為6.5 mm 的鋼筋焊接制作，規(guī)格為5.4 m×1.1 m。鋼筋網(wǎng)壓茬0.1 m，并且錨桿需要打到壓茬部位。搭接位置通過鐵絲進(jìn)行捆扎，沒間隔0.2 m設(shè)置一個捆扎點(diǎn)。沿巷道方向，錨桿之間的距離設(shè)置為1 m。受到掘進(jìn)機(jī)操作空間的影響，錨桿之間的間距不等，間距依次為0.7 m、1.1 m、1.3 m、1.1 m、0.7 m。肩窩位置的錨桿與巷幫之間的距離為0.25 m，安裝時傾斜15°。所有錨桿通過1 支樹脂錨固劑進(jìn)行藥卷錨固，型號為CK2370。每排布設(shè)3 根錨索，相鄰錨索之間的距離為3 m。在頂板圍巖情況比較好的情況下，通過規(guī)格為Φ17.8 mm×6.2 m 的錨索進(jìn)行錨固支護(hù)。如果遇到頂板圍巖不良的情況，則通過規(guī)格為Φ21.8 mm×8.3 m 的錨索進(jìn)行錨固支護(hù)，通過配合π 型鋼梁進(jìn)行支護(hù)。錨索的間距和排距分別為1.5 m和3 m。所有錨索通過2 支樹脂錨固劑進(jìn)行藥卷錨固，型號為CK2370。原頂板支護(hù)方案在實踐中存在一定的問題，主要表現(xiàn)在掘進(jìn)后穩(wěn)定性不足，維護(hù)成本較高。

2.2 頂板支護(hù)優(yōu)化方案

本文研究的工作面巷道截面是5.4 m×3.2 m 的矩形。這種截面形狀巷道有一定的優(yōu)勢，比如施工便捷、可以有效提升斷面利用率等。但在應(yīng)用中也存在一定的劣勢，比如底角和肩角部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。針對原有支護(hù)方案在實踐過程中存在的缺陷，對其進(jìn)行了優(yōu)化改善。優(yōu)化后的巷道頂板支護(hù)方案如下頁圖1 所示。

每排設(shè)置4 根柔性錨桿，錨桿的規(guī)格為直徑21.8 mm，長度3.5 m，同樣為左旋螺紋鋼錨桿。錨桿的間距和排距全部設(shè)置為1.4 m。利用直徑為6 mm的鋼筋焊接制作鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)孔大小為70 mm×70 mm 或50 mm×100 mm，具體選用何種規(guī)格視具體情況而定，錨桿壓鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。所有錨桿兩端配合2 支樹脂錨固劑進(jìn)行藥卷錨固，型號分別為CK2370 和Z2370。此外，還需要配合使用一個鎖具和拱形鋼托板，鎖具型號為KM22，鋼托板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。通過直徑為27 mm 的鉆頭完成頂板的鉆孔工作，錨固長度控制在2.3～2.4 m左右，露在外面的長度控制在0.15～0.35 m。錨桿預(yù)緊力不得低于200 kN。

圖1 優(yōu)化后的巷道頂板支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

3 兩種巷道頂板支護(hù)方案的對比分析

為了對優(yōu)化前后巷道頂板錨固支護(hù)方案的應(yīng)用效果進(jìn)行對比。在考慮巷道圍巖屬性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述的兩種巷道頂板錨固支護(hù)方案，利用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析，比較兩種頂板錨固支護(hù)方案的實際效果。

3.1 巷道垂直方向位移分布對比

在建立好數(shù)值仿真模型并完成分析計算工作后，提取兩種頂板錨固支護(hù)方案條件下巷道在垂直方向上的位移分布情況，結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，在原巷道頂板錨固支護(hù)方案下，巷道頂板的最大垂直位移達(dá)到了203.3 mm，而優(yōu)化后的頂板錨固支護(hù)方案條件下對應(yīng)的數(shù)值降低到了91.82 mm。進(jìn)一步對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的頂板出現(xiàn)較小垂直位移的區(qū)域有所擴(kuò)大，表明巷道頂板的整體穩(wěn)定性相對更好。

圖2 兩種巷道頂板錨固支護(hù)方案下巷道在垂直方向的位移（m）分布情況

3.2 巷道垂直方向應(yīng)力分布對比

提取不同頂板錨固支護(hù)方案條件下垂直方向上的應(yīng)力分布情況。結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，優(yōu)化前后巷道在垂直方向上的應(yīng)力分布規(guī)律出現(xiàn)了顯著的差異。巷道附近均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且與巷道表面距離越遠(yuǎn)，出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象越不顯著。優(yōu)化前后巷道在垂直方向上的最大應(yīng)力值分別為25.274 MPa 和23.897 MPa，優(yōu)化后的頂板錨固支護(hù)方案應(yīng)力集中值相對較小。進(jìn)一步對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案下，出現(xiàn)較大應(yīng)力的區(qū)域有所增加，表明巷道應(yīng)力得到了有效的分散，避免出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中問題。

圖3 兩種巷道頂板錨固支護(hù)方案下巷道在垂直方向的應(yīng)力（Pa）分布情況

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，對原有的擋板錨固支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化后，巷道在垂直方向上的位移和應(yīng)力都有了一定程度的改善。因此，可以將其應(yīng)用到實踐中。

4 優(yōu)化后的巷道頂板錨固支護(hù)方案應(yīng)用效果評價

將優(yōu)化后的煤礦巷道頂板錨固支護(hù)方案應(yīng)用到工程實踐中，對其應(yīng)用效果進(jìn)行評價。本文主要從巷道頂板沉降量和頂板離層現(xiàn)象進(jìn)行評價。

4.1 巷道頂板沉降量監(jiān)測

本研究通過十字布點(diǎn)法實現(xiàn)巷道頂板沉降量的監(jiān)測。首先布置監(jiān)測點(diǎn)，沿著巷道方向每間隔50 m設(shè)置1 個監(jiān)測點(diǎn)。布置方法具體為：在垂直于頂板的方向進(jìn)行鉆孔，孔徑和深度分別為29 mm 和600 mm，然后將帶有螺紋的短錨桿安裝在孔內(nèi)，使之伸出外面一段距離，并且裝上帶鉤螺母，作為監(jiān)測點(diǎn)。每間隔一段時間就通過專業(yè)測量工具測量監(jiān)測點(diǎn)的位移變化情況。測量頻率規(guī)定如下：成巷10 d 以內(nèi)每天進(jìn)行1 次測量，10～30 d 每周進(jìn)行2～3 次測量，30 d 后每周進(jìn)行1～2 次測量。對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)，在剛開始階段，頂板位移量的變形速率相對較大，以較快的速度在增長。10 d 左右時增長速度開始逐漸減緩，20 d 左右時頂板基本沒有再出現(xiàn)顯著的位移變形。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，巷道頂板的最大位移變形量為104 mm。與仿真模擬結(jié)果雖然存在一定的差值，但誤差較小。

4.2 巷道頂板離層窺視

為了觀察巷道頂板離層具體情況，在巷道頂板區(qū)域進(jìn)行鉆孔窺視。共鉆孔2 個，分別位于頂板中部位置和供肩位置。孔的直徑和深度分別為32 mm 和10 m。通過專業(yè)的礦用鉆孔成像軌跡檢測設(shè)備完成窺視工作，具體型號為ZKXG30。如圖4 所示為巷道頂板離層窺視情況。從圖中可以看出，采用優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案后，頂板并沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，只是出現(xiàn)了局部的縫隙或者離層。原來已經(jīng)出現(xiàn)的淺部離層通過本方案進(jìn)行加固錨固后得到了很好的控制。

基于巷道頂板沉降量以及頂板離層窺視結(jié)果可以看出，本文提出的頂板優(yōu)化錨固支護(hù)方案效果良好，取得了很好的應(yīng)用效果，值得進(jìn)一步推廣使用。

圖4 巷道頂板離層窺視

5 結(jié)論

優(yōu)化后巷道位移分布和應(yīng)力分布均有了顯著改善。將優(yōu)化后的巷道頂板錨固支護(hù)方案應(yīng)用到實踐中，對巷道頂板沉降量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)最大沉降量為104 mm，頂板沉降控制效果良好。巷道頂板離層窺視結(jié)果表明頂板并沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象。