煤礦巷道錨固支護(hù)的研究

李成文

（南煤集團(tuán)南莊分公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

巷道支護(hù)效果的好壞，對(duì)煤礦生產(chǎn)的順利推進(jìn)以及井下人員的安全都有著非常重要的作用[1-2]。實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)不是非常穩(wěn)定的巷道，在開展巷道支護(hù)過(guò)程中容易出現(xiàn)支護(hù)構(gòu)件損壞、冒頂、片幫等問(wèn)題[3-4]。因此，有必要對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行深入的分析和研究，以尋求更加優(yōu)異的巷道錨固支護(hù)方案，保障煤礦巷道的正常運(yùn)行，降低巷道支護(hù)的維護(hù)成本[5-6]。

1 煤礦巷道總體情況

某現(xiàn)代化大型煤礦當(dāng)前階段主要開采的是2 號(hào)煤層，該煤層的厚度范圍大約在6.24～8.36 m，平均煤層厚度為7.35 m，屬于近水平煤層。其中的一個(gè)運(yùn)輸巷道沿著煤層底板進(jìn)行布置，該巷道的斷面尺寸（寬度×高度）為5.4 m×3.7 m，埋深在600～650 m左右。巷道有一段區(qū)域圍巖存在斷層現(xiàn)象，中部區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造盆地，圍巖結(jié)構(gòu)整體上比較松散，甚至有部分地方存在空洞的現(xiàn)象。煤礦開采過(guò)程中有發(fā)生冒頂、片幫等問(wèn)題的可能性。為了保障煤礦生產(chǎn)安全，有必要對(duì)此運(yùn)輸巷道進(jìn)行錨固支護(hù)。

2 煤礦巷道錨固支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

2.1 頂板支護(hù)方案研究

每排設(shè)置6 根錨桿，各錨桿之間的距離相等，錨桿的間距和排距全部設(shè)置為1 m，兩側(cè)錨桿與巷幫的距離為0.2 m。不管是頂板還是兩幫采用的錨桿規(guī)格尺寸全部都是500 號(hào)Φ22-M24-2400 mm，屬于左旋螺紋鋼錨桿，通過(guò)直徑為30 mm 的鉆頭進(jìn)行鉆孔。對(duì)于頂板錨桿，通過(guò)2 支樹脂錨固劑對(duì)其進(jìn)行加長(zhǎng)錨固，2 支樹脂錨固劑的規(guī)格分別為MSK2335 和MSZ2360。對(duì)于巷道兩幫的錨桿，通過(guò)1 支樹脂錨固劑對(duì)其進(jìn)行加長(zhǎng)錨固即可，型號(hào)為MSZ2360。位于兩肩角部位的錨桿安裝時(shí)傾斜10°，其余部位的錨桿安裝時(shí)全部和煤巖面保持垂直。錨桿安裝時(shí)還需要用到一些配件，主要包括M24 高強(qiáng)錨桿螺母、規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×10 mm 的拱形高強(qiáng)度鐵托板且拱高為36 mm、尼龍墊圈和配合球墊等。鋼帶通過(guò)直徑為14 mm 的鋼筋焊接制作而成，具體尺寸為Φ14×2-100-950-5050 mm-6。網(wǎng)片的長(zhǎng)度和寬度分別為5.8 m 和1.1 m。錨索安裝在兩排錨桿的中間位置，且通過(guò)“3-2-3”的方式進(jìn)行布置，即在其中的一個(gè)隔排巷中布置3 根錨索，相鄰錨索間的距離設(shè)置為1.8 m。而在相鄰的一個(gè)隔排巷中布置2 根錨索，相鄰錨索間的距離同樣為1.8 m。錨索的直徑為22 mm，長(zhǎng)度為7.3 m。錨索的結(jié)構(gòu)形式有很多種，下文將會(huì)對(duì)不同錨索結(jié)構(gòu)形式對(duì)錨固支護(hù)效果的影響進(jìn)行研究。安裝錨索時(shí)通過(guò)3 支樹脂錨固劑進(jìn)行藥卷錨固，其中MSZ2360 型號(hào)2 支，MSK2335 型號(hào)1 支。拖板使用的是規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm 的高強(qiáng)度可調(diào)心拖板，同時(shí)還需要使用配套的鎖具和球墊。要求托盤拱高超過(guò)60 mm，承載能力超過(guò)400 kN。

2.2 兩幫支護(hù)方案研究

每排設(shè)置4 根錨桿，錨桿的間距和排距全部設(shè)計(jì)成1 m，最上側(cè)錨桿距離頂板0.3 m，最下側(cè)錨桿距離底板0.4 m。最上側(cè)和最下側(cè)的錨桿安裝時(shí)傾斜10°，其余部位的錨桿安裝時(shí)全部與煤巖面保持垂直。鋼帶通過(guò)直徑為14 mm 的鋼筋焊接制作而成，具體尺寸為Φ14×2-100-1000-3300 mm-4。網(wǎng)片的長(zhǎng)度和寬度分別為3.5 m 和1 m。根據(jù)具體情況可以對(duì)底板進(jìn)行鉆孔卸壓處理，不同孔之間的橫向和縱向距離都設(shè)置為1 m，孔的直徑為0.2 m，長(zhǎng)度為2.4 m，見下頁(yè)圖1。

圖1 煤礦巷道錨固支護(hù)方案斷面圖（單位：mm）

3 煤礦巷道錨固支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化

為了明確巷道錨固支護(hù)方案中的一些關(guān)鍵參數(shù)，本研究中利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)設(shè)計(jì)的錨固支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析。主要分析了不同錨桿預(yù)緊力和不同結(jié)構(gòu)形式的錨索對(duì)錨固支護(hù)效果的影響。

3.1 錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道錨固支護(hù)效果的影響分析

為掌握不同錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道錨固支護(hù)效果的影響，利用上述的頂板和兩幫支護(hù)方案開展數(shù)值模擬工作。在其他條件全部相同的情況下，預(yù)緊力在30～150 kN 范圍內(nèi)取值，每間隔30 kN 取一個(gè)值進(jìn)行模擬分析計(jì)算。完成分析計(jì)算工作后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到巷道頂板和兩幫的位移變形情況。結(jié)果如表1 所示。

表1 不同錨桿預(yù)緊力時(shí)頂板和兩幫的位移變形量

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，隨著錨桿預(yù)緊力的不斷增加，頂板的最大位移量先逐漸降低然后再慢慢增加。預(yù)緊力為90 kN 時(shí)為拐點(diǎn)。當(dāng)錨桿預(yù)緊力為90 kN 時(shí)頂板的位移量最小，為120.39 mm。兩幫位移量與頂板位移量表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，同樣在90 kN 時(shí)兩幫的位移量達(dá)到了最小值，為131.45 mm?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果可以看出，錨桿預(yù)緊力會(huì)對(duì)巷道頂板和兩幫的位移變形量產(chǎn)生影響。當(dāng)預(yù)緊力為90 kN 時(shí)，頂板和兩幫的變形量均達(dá)到了最小值。因此，在本文設(shè)計(jì)的巷道錨固支護(hù)方案中將錨桿預(yù)緊力設(shè)置為90 kN。

3.2 不同結(jié)構(gòu)錨索對(duì)巷道錨固支護(hù)效果的影響分析

錨索是巷道錨固支護(hù)中的重要構(gòu)成部分，其性能的優(yōu)劣會(huì)對(duì)整個(gè)錨固支護(hù)方案的好壞產(chǎn)生決定性影響。因此，必須合理選用錨索結(jié)構(gòu)形式。本文主要對(duì)比了兩種錨索形式對(duì)錨固支護(hù)性能的影響，其中一種為普通錨索，另外一種為特殊的鳥巢錨索。鳥巢錨索的特殊之處在于在整個(gè)錨索上分布有很多鳥巢結(jié)構(gòu)。以錨索結(jié)構(gòu)為控制變量，其他條件全部相同，且將錨桿預(yù)緊力設(shè)置為90 kN。圖2 所示為不同錨桿結(jié)構(gòu)形式對(duì)應(yīng)的位移變形云圖。

圖2 不同結(jié)構(gòu)錨索桿體的位移（m）變形情況對(duì)比

從圖中數(shù)據(jù)可以看出，使用不同結(jié)構(gòu)形式的錨索時(shí)，其延伸變形量存在一定的差異。但是在與圍巖比較接近的部位，兩種結(jié)構(gòu)的錨索位移基本相同。主要是因?yàn)檫@部分錨索與圍巖一起發(fā)生變形。而在比較深的位置，普通錨索的位移量與鳥巢錨索的位移量相比較更大，說(shuō)明普通錨索在錨固過(guò)程中會(huì)與圍巖之間發(fā)生更大的錯(cuò)位位移。鳥巢錨索具有更加優(yōu)異的錨固性能。因此，在本方案中通過(guò)鳥巢錨索的形式進(jìn)行錨固支護(hù)。

4 煤礦巷道錨固支護(hù)效果的監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的煤礦巷道錨固支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行錨固施工。完成施工工作后，對(duì)錨固支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沿巷道方向每間隔1 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)站，總共設(shè)置了3 個(gè)監(jiān)測(cè)站。對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)站每天都測(cè)量該處位置頂板和兩幫的位移變形情況。下頁(yè)圖3 所示為巷道頂板和兩幫的位移變形情況隨時(shí)間的演變曲線。

圖3 巷道頂板和兩幫的位移變形情況實(shí)際檢測(cè)結(jié)果

從圖3 中可以看出，隨著時(shí)間的推移，不管是巷道頂板還是兩幫的位移變形量均出現(xiàn)了一定程度的增加。且在前30 d 時(shí)間范圍內(nèi)位移變形的速率相對(duì)較大，頂板和兩幫的位移變形速率最大時(shí)分別達(dá)到了每天4.3 mm/d 和5.1 mm/d。隨后增加速率逐漸減緩，達(dá)到40 d 左右時(shí)，位移變形量基本保持穩(wěn)定，不再發(fā)生明顯的變化。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，三個(gè)監(jiān)測(cè)站的頂板位移量分別為118 mm、109 mm 和135 mm，兩幫的位移量分別為114 mm、137 mm 和157 mm。可以看出，通過(guò)本文設(shè)計(jì)的錨固支護(hù)方案，將巷道的變形量控制在了合理范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期效果。