2301 工作面膠帶巷錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

蘇 鋒

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣永安宏泰煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048205）

1 工程概況

永安宏泰煤業(yè)有限公司2301 工作面位于二采區(qū)，工作面開(kāi)采3#煤層，煤層厚6.10～6.80 m，平均厚6.34 m，夾0～2 層矸石。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全區(qū)穩(wěn)定可采。3#煤層埋深在200～420 m 之間，平均310 m。3#煤層直接頂板多為黑色粉砂巖或細(xì)粒砂巖，一般厚5.32 m。3#煤層的頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。2301膠帶進(jìn)風(fēng)順槽沿3#煤底板掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度345 m，斷面尺寸為凈寬5 m×凈高3 m，巷道擬采用錨網(wǎng)索支護(hù)，現(xiàn)進(jìn)行巷道合理錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)的分析。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r層賦存特征表

2 錨桿支護(hù)參數(shù)分析

巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)，由于錨桿支護(hù)參數(shù)多，并且各參數(shù)存在相互影響、互相匹配的協(xié)調(diào)關(guān)系，因此，單純依靠某一個(gè)理論和公式進(jìn)行計(jì)算是不科學(xué)的[1-3]。

（1）錨桿長(zhǎng)度。為分析錨桿支護(hù)長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖控制效果的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)錨桿長(zhǎng)度為1.0 m、1.5 m、2.1 m 和2.4 m 時(shí)的圍巖變形特征模擬分析，并能夠根據(jù)模擬結(jié)果得出不同錨桿長(zhǎng)度下頂板下部2.5 m 范圍內(nèi)巖層增加的強(qiáng)度曲線如圖1。從圖中能夠看出，錨桿長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，錨固體強(qiáng)度低，無(wú)法充分保障頂板穩(wěn)定；隨著錨桿長(zhǎng)度的增大，頂板下部2.5 m 范圍內(nèi)巖層增加的強(qiáng)度逐漸增大；但當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大到2.4 m 以后，進(jìn)一步增大錨桿長(zhǎng)度時(shí)，頂板巖層內(nèi)的強(qiáng)度不再增大，即表明錨桿在該區(qū)域巖層內(nèi)的錨固強(qiáng)度也不再增大。

圖1 錨桿長(zhǎng)度對(duì)巖層加固效果的影響

另外為有效分析不同長(zhǎng)度錨桿在巷道圍巖支護(hù)中預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散效果，通過(guò)數(shù)值模擬分別對(duì)長(zhǎng)度為1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.6 m 和3.0 m 的錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖2。

圖2 不同錨桿長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

分析圖2可知，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力不變時(shí)，錨桿越長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力的作用越不明顯。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，考慮到巷道圍巖在掘出后其會(huì)有一定深度的塑性區(qū)發(fā)育，結(jié)合眾多錨桿支護(hù)的相關(guān)研究成果，最終確定錨桿的合理長(zhǎng)度應(yīng)在2～2.4 m。

（2）錨桿密度。錨桿密度為錨桿間排距的整體體現(xiàn)。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)錨桿密度分別為0.5、0.6、0.8、1.0 和1.2 根/m2時(shí)巷道圍巖位移情況進(jìn)行模擬分析，基于模擬結(jié)果能夠得出錨桿密度與頂板下沉量間的關(guān)系曲線如圖3。

圖3 錨桿密度與頂板下沉的關(guān)系圖

分析圖3 可知，巷道頂板位移量隨著錨桿密度的增大而逐漸降低。從圖中能夠看出錨桿密度大于0.8 后，隨著錨桿密度的增大，頂板位移量的降低幅度較小，僅出現(xiàn)小幅的降低，即此時(shí)錨桿密度的增大對(duì)頂板下沉量基本無(wú)影響。進(jìn)一步結(jié)合錨桿支護(hù)時(shí)應(yīng)遵循的低密度、匹配原則（預(yù)應(yīng)力、長(zhǎng)度和強(qiáng)度），結(jié)合2301 膠帶進(jìn)風(fēng)巷的地質(zhì)條件，確定巷道錨桿合理間排距為900～1100 mm。

（3）金屬網(wǎng)參數(shù)。根據(jù)我國(guó)目前巷道支護(hù)中金屬網(wǎng)的應(yīng)用情況可知，常用的金屬網(wǎng)有三種，分別為鋼筋網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)和菱形網(wǎng)?，F(xiàn)為準(zhǔn)確分析三種金屬網(wǎng)對(duì)巷道表面護(hù)表效果的差異，特采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)三種網(wǎng)在巷道支護(hù)中受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖4。

圖4 金屬網(wǎng)變形破壞數(shù)值模擬圖

通過(guò)分析圖4 可知，鋼筋網(wǎng)所能提供的最大護(hù)表強(qiáng)度為0.1 MPa，經(jīng)緯網(wǎng)所能提供的最大護(hù)表強(qiáng)度為0.02 MPa，菱形網(wǎng)所能提供的最大護(hù)表強(qiáng)度為0.024 MPa。據(jù)此可知鋼筋網(wǎng)的護(hù)表強(qiáng)度最大，其護(hù)表強(qiáng)度分別為經(jīng)緯網(wǎng)和菱形網(wǎng)的5 倍和4.2 倍。

巷道護(hù)表金屬網(wǎng)選擇時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：（1）金屬網(wǎng)應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度，需能防止煤巖塊掉落，具有一定的支護(hù)強(qiáng)度；（2）需要噴漿的巷道，金屬網(wǎng)選擇時(shí)應(yīng)滿足噴漿使用要求；（3）金屬網(wǎng)應(yīng)能有利于施工[4-6]。綜合數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合金屬網(wǎng)選擇原則和巷道具體地質(zhì)條件，考慮到巷道頂板巖層強(qiáng)度相對(duì)較大，巖層較為完整，最終確定巷道采用菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用Φ22 mm×2400 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，錨桿均垂直頂板打設(shè)，采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩為300～400 N·m，錨桿間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，梯子梁規(guī)格為Φ16-4800-100-6 mm，頂板鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為5400 mm×1200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。頂板錨索采用Φ21.8 mm×7300 mm 的1×19 股鋼絞線編捻，采用2-0-2布置，間排距為1800 mm×2000 mm，錨索均垂直頂板布置，采用端部錨固，錨固長(zhǎng)度1971 mm，錨索預(yù)緊力≥250 kN。

（2）非回采側(cè)幫。錨桿采用Φ22 mm×2000 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，每排布置3根錨桿，均垂直巷幫布置，錨桿預(yù)緊力矩300～400 N·m，錨固方式采用兩支樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，采用規(guī)格為280 mm×400 mm×4 mm 的W 鋼護(hù)板連接錨桿，采用菱形網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3100 mm×1200 mm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度為100 mm。

（3）回采側(cè)幫。錨桿采用Φ18 mm×2000 mm圓鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，每排3根錨桿，錨桿起錨高度700 mm，幫頂角錨桿距頂板400 mm，錨桿均垂直巷幫煤體打設(shè)，錨桿預(yù)緊力矩200 N·m，錨固方式采用一支樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，護(hù)幫方式同非回采側(cè)幫。

具體2301 膠帶進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖如圖5。

圖5 2301 工作面膠帶巷支護(hù)布置圖（mm）

3.2 效果分析

2301 膠帶進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，分析得出圍巖最大變形量?jī)H為50 mm。2301 工作面回采期間，在超前工作面100 m 處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)斷面持續(xù)進(jìn)行圍巖變形情況的監(jiān)測(cè)分析，直至工作面回采至監(jiān)測(cè)斷面位置處。根據(jù)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)繪制得出圍巖變形情況與距工作面距離間的關(guān)系曲線，如圖6。

分析圖6 可知，工作面回采動(dòng)壓影響下，巷道圍巖變形速率較大，僅在超前工作面40 m 范圍內(nèi)，該區(qū)域?yàn)槌爸С袎毫Φ挠绊憛^(qū)域，測(cè)站與工作面間距離大于40 m 時(shí)，圍巖變形速率較小。從圖中能夠看出工作面回采期間，兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為320 mm 和215 mm。

圖6 2301 工作面回采期間圍巖變形曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)2301 工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)合的方式對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)中的錨桿長(zhǎng)度、錨桿密度和金屬網(wǎng)參數(shù)分別進(jìn)行模擬分析，基于模擬結(jié)果給出合理的支護(hù)參數(shù)范圍，結(jié)合錨桿支護(hù)參數(shù)的分析結(jié)果進(jìn)行錨網(wǎng)索具體參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)圍巖變形數(shù)據(jù)分析可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。