新景礦8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷錨桿支護(hù)參數(shù)研究與試驗(yàn)

潘智虎

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

我國煤礦以地下開采為主，需要掘進(jìn)大量的巷道，每年長度已超過了2 萬km，保證服務(wù)期內(nèi)巷道的穩(wěn)定是保證煤礦安全開采的關(guān)鍵因素之一[1-2]。針對地下巷道圍巖控制問題，國內(nèi)外專家技術(shù)人員進(jìn)行了相關(guān)研究和試驗(yàn)，形成了懸吊、組合梁、壓縮拱等理論，指導(dǎo)了巷道支護(hù)設(shè)計。大量工程實(shí)踐表明了錨桿支護(hù)具有支護(hù)效果好、施工速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道支護(hù)中[3-5]。本文以新景礦8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件為工程背景，建立試驗(yàn)巷道錨桿預(yù)應(yīng)力計算模型，分析不同支護(hù)參數(shù)對錨桿預(yù)應(yīng)力分布影響規(guī)律，開發(fā)新景礦8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與參數(shù)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程概況

新景礦8128 綜采面位于+525 m 水平8#煤北翼采區(qū)，工作面地面標(biāo)高850～1042 m，工作面標(biāo)高520～556 m，埋藏深度為336～506 m。工作面東側(cè)、西側(cè)分別為8127 工作面、8129 工作面，南與北翼采區(qū)大巷相連。工作面開采8#煤層，煤層平均厚度2.94 m，煤層結(jié)構(gòu)為0.28（0.15）1.15（0.37）0.99，煤層傾角2°～10°，平均傾角6°。工作面老頂為厚度6.65 m 的灰白色中粒砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)；直接頂為厚度8.08 m 的黑色泥巖，常相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖；直接底為厚度1.87 m 的灰黑色砂質(zhì)泥巖。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件以及巷道服務(wù)需求，設(shè)計8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面，掘進(jìn)寬度5.2 m，掘進(jìn)高度3.0 m。試驗(yàn)巷道采掘工程平面圖如圖1。

圖1 試驗(yàn)巷道采掘工程平面圖

2 支護(hù)參數(shù)對錨桿預(yù)應(yīng)力分布影響規(guī)律分析

針對8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立巷道錨桿預(yù)應(yīng)力數(shù)值計算模型，分析支護(hù)參數(shù)對錨桿預(yù)應(yīng)力分布影響規(guī)律。

（1）錨桿預(yù)緊力

圖2 給出了不同錨桿預(yù)緊力下預(yù)應(yīng)力分布云圖。可以看出：隨著錨桿預(yù)緊力增加，錨桿形成的壓應(yīng)力范圍和集中程度顯著增加，當(dāng)預(yù)緊力大于20 kN時，單個錨桿形成的壓應(yīng)力疊加形成壓應(yīng)力拱形結(jié)構(gòu)，有利于巷道圍巖控制，因此，確定試驗(yàn)巷道錨桿預(yù)緊力應(yīng)不低于20 kN。

圖2 不同錨桿預(yù)緊力下預(yù)應(yīng)力分布云圖

（2）錨桿長度

由圖3 可知，錨桿長度增加，壓應(yīng)力范圍增加，壓應(yīng)力集中程度減小，因此錨桿長度并非越長越好，確定試驗(yàn)巷道錨桿長度為2.0 m 為宜。

圖3 不同錨桿長度下預(yù)應(yīng)力分布云圖

（3）錨桿密度

由圖4 可知，錨桿密度較小時（間距較大），錨桿形成的壓應(yīng)力范圍相對獨(dú)立。隨著錨桿密度的增加，形成的壓應(yīng)力出現(xiàn)疊加，有利于形成整體的錨桿支護(hù)，可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。因此，確定試驗(yàn)巷道錨桿間距應(yīng)不大于0.9 m 為宜。

圖4 不同錨桿密度下預(yù)應(yīng)力分布云圖

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與參數(shù)

基于8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件、支護(hù)參數(shù)對錨桿預(yù)應(yīng)力分布影響規(guī)律分析，開發(fā)新景礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)。圖5 為試驗(yàn)巷道支護(hù)斷面圖，具體技術(shù)參數(shù)如下：

圖5 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

（1）頂板支護(hù)：頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。頂板采用規(guī)格Φ20 mm×2000 mm、鋼號500 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排布置6 根，間排距設(shè)計0.9 m，錨桿配套規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm、承載能力大于210 kN 的拱形墊片，并配ck2330 型、z2350型錨固劑各1 支，預(yù)緊扭矩300 N·m，錨桿采用規(guī)格280 mm×4 mm×4800 mm 的W 鋼帶連接。錨索采用規(guī)格Ф17.8 mm×5200 mm、結(jié)構(gòu)1×7 的鋼絞線，每排布置2 根，間排距設(shè)計1.8 m，配套規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm、承載能力大于210 kN的拱形托盤，配1 支ck2330 型、3 支z2350 型錨固劑。金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)雙層網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格5.6 m×1.0 m。

（2）幫部支護(hù)：幫部采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。采用規(guī)格Φ20 mm×2000 mm、鋼號500 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排布置3 根，間距設(shè)計1.0 m，排距設(shè)計0.9 m，錨桿配套150 mm×150 mm×10 mm、承載能力大于210 kN 的拱形墊片和規(guī)格280 mm×4 mm×460 mm 的W 鋼帶，并配ck2330 型、z2350型錨固劑各1 支，預(yù)緊扭矩300 N·m。錨索采用規(guī)格Φ17.8 mm×4200 mm、結(jié)構(gòu)1×7 的鋼絞線，每排布置2 根，間排距設(shè)計1.8 m，配套規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm、承載能力大于210 kN 的拱形托盤，配1 支ck2330 型、2 支z2350 型錨固劑。金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)雙層網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2.8 m×1.0 m。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

將開發(fā)的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷，同時采用十字測試法監(jiān)測巷道變形（布置固定長400 mm 的木樁作為觀測基點(diǎn)，如圖6）。圖7 為8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)后圍巖變形曲線圖。由圖7 可知，距巷道掘進(jìn)頭0～100 m 范圍內(nèi)圍巖變形量相對較大，圍巖變形速度相對較快；距掘進(jìn)頭100 m 時巷道采煤幫移近量約120～130 mm，煤柱幫移近量約100～110 mm，頂板移近量約165～180 mm，底板移近量約75～85 mm；距掘進(jìn)頭100 m 范圍外，巷道移近速度逐漸減緩。巷道圍巖穩(wěn)定后，巷道采煤幫移近量約155～165 mm，煤柱幫移近量約135～160 mm，頂板移近量約200～210 mm，底板移近量約100～110 mm。整體看，8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形量均可控，同時現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)巷道大變形現(xiàn)象，證明了8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)及參數(shù)的合理性。

圖6 圍巖變形監(jiān)測測站布置（mm）

圖7 圍巖變形曲線圖

5 結(jié)語

以8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件為工程背景，建立了試驗(yàn)巷道錨桿預(yù)應(yīng)力計算模型，分析不同支護(hù)參數(shù)對錨桿預(yù)應(yīng)力分布影響規(guī)律，開發(fā)8128綜采面進(jìn)風(fēng)巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與參數(shù)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，其采煤幫移近量約155～165 mm，煤柱幫移近量約135～160 mm，頂板移近量約200～210 mm，底板移近量約100～110 mm。整體看，圍巖變形量均可控，證明了8128 綜采面進(jìn)風(fēng)巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)及參數(shù)的合理性。