麥捷煤業(yè)150505 軌道順槽錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)

胡 東

（山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 030600）

0 引 言

相較于其他巷道，工作面巷道的斷面比較小，服務(wù)年限比較短；但同時(shí)工作面巷道受采動影響嚴(yán)重，容易發(fā)生變形。150505 工作面處于井田新區(qū)東部，據(jù)現(xiàn)有三維勘探資料顯示，該工作面可能遇到斷層、陷落柱較多，故對巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)與工程質(zhì)量要求相對較高[1]。為保證軌道順槽的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量滿足要求，保證礦井的安全生產(chǎn)，并為今后的巷道布置、支護(hù)設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)參數(shù)，通過進(jìn)行研究和試驗(yàn)，以解決軌道順槽的支護(hù)問題。對麥捷煤業(yè)軌道順槽錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)，保證巷道安全。

1 150505 軌道順槽地質(zhì)條件概況

1.1 煤層賦存情況

根據(jù)麥4、麥6 勘探鉆孔及煤層厚度變化趨勢圖分析，150505 軌道順槽所在區(qū)域煤層含0～1 層夾矸，K2 灰?guī)r為其直接頂板。上距12 號煤27.08～44.60 m，平均36.29 m，煤層純煤厚度4.85～6 m 之間，平均5.42 m。頂板為泥巖、石灰?guī)r，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

15 號煤層頂板多為K2 灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖、泥巖。石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度19.5 MPa，抗拉強(qiáng)度0.87 MPa，抗剪強(qiáng)度1.67 MPa；泥巖抗壓強(qiáng)度19.5 MPa，砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度11.3 MPa，抗拉強(qiáng)度0.31 MPa，灰?guī)r頂板巖石較堅(jiān)硬穩(wěn)定。泥巖和砂質(zhì)泥巖頂板巖石較松軟不穩(wěn)定；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度7.5 MPa，泥巖抗壓強(qiáng)度14.1 MPa，抗拉強(qiáng)度0.58 MPa，抗剪強(qiáng)度1.61 MPa；泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖底板不穩(wěn)定，易發(fā)生底鼓不良地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 150505 工作面軌道順槽地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)有三維勘探資料，軌道順槽自北向南單斜構(gòu)造區(qū)域；巷道最高點(diǎn)預(yù)測標(biāo)高935 m，最低點(diǎn)預(yù)測標(biāo)高為900 m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差35 m。

150505 軌順掘進(jìn)至190～250 m 范圍內(nèi)可能遇到XL3 陷落柱（長軸：EW，420 m；短軸：254 m），但根據(jù)150503 皮順打鉆探測陷落柱結(jié)果推測，巷道遇陷落柱情況為3 號向斜南翼和2 號背斜北翼煤層起伏所致。

150505 軌順掘進(jìn)至565～590 m 范圍內(nèi)可能遇MF15 正斷層（∠65° ～75°，H：0～8 m）；掘進(jìn)至750～770 m 范圍內(nèi)可能遇MF38 正斷層（∠70°，H < 5 m）；掘進(jìn)至1 184～1 200 m 范圍內(nèi)可能遇MF40 正斷層（∠60°～70°，H<5 m）。

根據(jù)三維地震勘探結(jié)果顯示，150505 軌順掘進(jìn)位于2 號背斜北面，460～470 m 范圍內(nèi)可能遇7 號向斜。

為了確保巷道安全掘進(jìn)，必須提前對巷道可能遇到的異常區(qū)進(jìn)行打鉆探測，并嚴(yán)格執(zhí)行超前探規(guī)定。掘進(jìn)過程中，注意加強(qiáng)頂板和煤墻的管理，嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采”方針以及保護(hù)煤柱不小于30 m 的原則，進(jìn)行超前探測出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)向地測部、生產(chǎn)部等相關(guān)部門進(jìn)行匯報(bào)，提前制定相應(yīng)安全技術(shù)措施。

1.3 150505 工作面軌道順槽水文地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)資料和周邊礦井調(diào)查分析，本區(qū)內(nèi)上覆煤層均未開采，但鄰礦上社二景煤業(yè)15105 采空區(qū)（2018.9-2018.12）已采空，但對150505 軌順掘進(jìn)無影響。根據(jù)瞬變電磁勘探情況分析，巷道掘進(jìn)過程中不會受上部灰?guī)r裂隙水影響，但可能受K7 砂巖和K8 砂巖裂隙水影響?，F(xiàn)對巷道可能遇構(gòu)造導(dǎo)水、上部裂隙水影響和鄰礦采空區(qū)積水影響。

150505 軌順掘進(jìn)可能遇MF15 正斷層（弧狀斷層，分析為XL3 陷落柱的伴生斷裂）、MF38 正斷層和MF40 正斷層均不含水。巷道190～250 m 范圍內(nèi)可能遇XL3 陷落柱（邊界可能受K7-47 中等賦水區(qū)影響，含水主要集中在8、9 號煤層附近，并且沒有連通各含水層）；XL5 陷落柱（整體含水，48 號含水異常區(qū)將陷落柱包含，陷落柱連通奧陶系灰?guī)r以上各含水層）距巷道約40 m，已在150503 皮順進(jìn)行打鉆探測，無賦水異常。

巷道掘進(jìn)至400 ～550 m 范圍內(nèi)上部賦存K7-47 中等賦水區(qū)（17 661 m3）；847～1 201 m 范圍內(nèi)上部賦存K8-48 （距15 號煤層約137 m，68 277 m3） 和K7-48 強(qiáng)富水區(qū)（距15 號煤層約112 m，38 293 m3）；1 149～1 201 m 范圍內(nèi)K2-48弱賦水區(qū)（15 835 m3）。

經(jīng)周邊礦井調(diào)查結(jié)果顯示，上社二景煤業(yè)臨近礦界200 m 范圍內(nèi)上部煤層未采掘，不涉及上部采空區(qū)突水威脅；但150505 軌順末端鄰礦上社二景煤業(yè)15105 采空區(qū)（2011.7-2011.11）已采空，但該采空區(qū)北高南低，經(jīng)調(diào)查，該采空區(qū)積水（950 m3，1 100 m3），對150505 軌順掘進(jìn)無透水威脅，可根據(jù)實(shí)際情況按照“三線”管理進(jìn)行打鉆探放該采空區(qū)積水。綜合分析，該礦采空區(qū)積水對150505 工作面采掘活動影響不大。

2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)分析

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)選取

圖1 給出了錨桿不同預(yù)應(yīng)力時(shí)錨桿的應(yīng)力分布。由此可以發(fā)現(xiàn)，在高預(yù)應(yīng)力的作用下，錨桿周圍會形成一個(gè)較大的附加應(yīng)力場，從而使頂板形成一個(gè)整體，發(fā)揮錨桿的主動支護(hù)作用[2-3]。

圖2 給出了錨桿長度對錨桿周圍應(yīng)力分布的影響。由此可以發(fā)現(xiàn)，在錨桿長度較大時(shí)，錨桿周圍的有效壓應(yīng)力區(qū)域范圍增加，但是錨桿中部的壓應(yīng)力會減小。也就是說，在錨桿長度增加時(shí)，預(yù)應(yīng)力對錨桿支護(hù)的作用減弱。因此，可以提高錨桿的預(yù)應(yīng)力來減少錨桿的長度。

圖1 不同錨桿預(yù)應(yīng)力形成的附加應(yīng)力場分布

圖2 不同錨桿長度時(shí)錨桿的應(yīng)力分布圖

圖3 不同支護(hù)密度下錨桿的支護(hù)附加應(yīng)力場

圖3 給出了支護(hù)密度對錨桿應(yīng)力分布的影響。由此可以發(fā)現(xiàn)，在預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，單根錨桿周圍會形成錐形應(yīng)力分布區(qū)域。在錨桿的間距縮小時(shí)，這些錐形應(yīng)力分布區(qū)域會出現(xiàn)相互靠近甚至重疊的現(xiàn)象。當(dāng)間距縮小到一定程度時(shí)，支護(hù)密度對支護(hù)效果影響會減弱。

頂板兩角錨桿的角度對錨桿周圍的應(yīng)力分布有一定的影響。隨著角度的增加，有效壓應(yīng)力區(qū)域中部錨桿的有效應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)了分離，應(yīng)力疊加的區(qū)域明顯減小，這有助于錨桿的穩(wěn)定。經(jīng)過相關(guān)模擬，頂板錨桿的角度最大不超過20°。

2.2 軌道順槽錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算，確定軌道順槽采用樹脂加長錨固高強(qiáng)錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。斷面形狀為矩形，斷面規(guī)格為掘?qū)挕辆蚋?4 500 mm×3 300 mm，S掘=14.85 m2。

2.2.1 頂板支護(hù)

錨桿等間距布置，每排5 根，間距1 000 mm，排距為1 000 mm。頂角錨桿外斜20°打設(shè)，分距巷幫250 mm，其余錨桿全部垂直頂部打設(shè)。每根錨桿采用1 支MSCKa2335 和1 支MSZ2360 型錨固劑錨固。要求錨桿錨固力不低于127 kN。

錨索等間距布置，布置形式為“小三花”（2-1-2），間距2 400 mm，排距為1 000 mm。打設(shè)在2 排錨桿中間。每根錨索采用1 支MSCKa2335 和2支MSZ2360 型錨固劑錨固。錨索要求超張拉至150 kN 以上，損失后預(yù)緊力不低于120 kN。

梯子梁使用φ16 mm 圓鋼加工的單筋梯子梁。網(wǎng)片采用對接方式，聯(lián)網(wǎng)間距100 mm，用16 號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)，扭結(jié)不少于3 圈。

2.2.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

對150505 軌道順槽聯(lián)絡(luò)巷開口位置，與15 號南軌交叉點(diǎn)處前后5 m 范圍內(nèi)補(bǔ)打錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。巷道支護(hù)斷面如圖4 所示。

圖4 150505 軌道順槽支護(hù)斷面圖

2.2.3 兩幫支護(hù)

錨桿等間距布置，每排每幫3 根，間距為1 200 mm，排距為1 000 mm。中間錨桿全部水平布置，幫頂角錨桿上斜10°、底角錨桿下斜10°布置，距頂板300 mm、距底板600 mm。每根錨桿采用1 支MSCKa2335 和1 支MSZ2360 型錨固劑錨固。要求錨桿錨固力不低于100 kN。梯子梁使用φ14 mm 圓鋼加工的單筋梯子梁。網(wǎng)片采用對接方式，聯(lián)網(wǎng)間距100 mm，用16 號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)，扭結(jié)不少于3 圈。

3 井下施工工藝和安全措施

井下施工是該項(xiàng)目的關(guān)鍵部分，必須按照設(shè)計(jì)要求，保證施工質(zhì)量。

3.1 施工機(jī)具

軌道順槽所需施工機(jī)具見表1 所列。頂板采用MQT120 型單體風(fēng)動錨桿機(jī)鉆裝錨桿，配套鉆桿為B22 型中空釬桿，鉆頭為28 mm 雙翼鉆頭；用幫錨桿機(jī)鉆裝幫錨桿。

表1 巷道施工所需機(jī)具

準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的一切材料、機(jī)具和礦壓觀測儀器，并保證質(zhì)量。對施工隊(duì)伍進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使其了解試驗(yàn)?zāi)康模┕すに嚭鸵?，掌握有關(guān)機(jī)具的操作，以便在井下施工中保證質(zhì)量。

3.2 施工工藝和技術(shù)要求

3.2.1 施工工藝過程

延伸皮帶→掘進(jìn)機(jī)割煤→出煤→敲幫問頂→臨時(shí)支護(hù)→永久支護(hù)→驗(yàn)收→下一循環(huán)。

1）延伸皮帶：將膠帶輸送機(jī)開空后，將膠帶輸送機(jī)停電閉鎖，然后松開漲緊導(dǎo)鏈，利用掘進(jìn)機(jī)拉皮帶機(jī)尾至設(shè)定位置后，延伸皮帶，利用導(dǎo)鏈漲緊皮帶。

2）割煤（出煤）運(yùn)料：根據(jù)巷道設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行割煤，人工配合掘進(jìn)機(jī)盡快出煤。在這個(gè)過程中，應(yīng)該同時(shí)運(yùn)輸巷道支護(hù)所需的材料。

3）敲幫問頂：在巷道斷面成型時(shí)，表面可能存在一些活矸，這會對工人的安全產(chǎn)生威脅，需要有經(jīng)驗(yàn)豐富的工人將其敲掉，在敲掉后方可繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。

4）臨時(shí)支護(hù)：跟班隊(duì)干、班長、安全員全面檢查工作面支護(hù)情況、瓦檢員檢查瓦斯情況，在確認(rèn)無問題后按規(guī)定架設(shè)臨時(shí)支護(hù)。

5）永久支護(hù)：利用幫下部留煤作為打頂錨桿的平臺，用2 臺鉆機(jī)打設(shè)頂板錨桿（索）和巷幫頂角錨桿，先標(biāo)定錨桿（索）位置，然后打設(shè)中部頂錨桿，再依次向兩幫打設(shè)，頂錨桿打設(shè)完畢后立即打設(shè)錨索。頂幫錨桿可平行作業(yè)，幫下部一根錨桿可滯后工作面4 排。

6）驗(yàn)收員驗(yàn)收合格后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3.2.2 技術(shù)要求

安裝錨桿施工工藝：①聯(lián)網(wǎng)，將頂網(wǎng)與原前一排頂網(wǎng)按規(guī)定搭接、孔孔相聯(lián)；②標(biāo)眼位，綁上梯子梁后，根據(jù)設(shè)計(jì)位置利用激光中線使用卷尺對好梯子梁，在梯子梁限位孔內(nèi)進(jìn)行打眼；③打眼，工人應(yīng)該用手扶住處于直立狀態(tài)的錨桿機(jī)護(hù)手，并將長度為1.2 m 的鉆桿放入到鉆機(jī)的夾具中，與此同時(shí)，鉆機(jī)工人應(yīng)該抓住T 型把手，直至鉆桿到達(dá)制定的位置，開動鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆孔作業(yè)時(shí)，應(yīng)該打開水管控制按鈕。在鉆入深度較淺時(shí)，應(yīng)該控制鉆進(jìn)速度，使鉆桿平穩(wěn)地進(jìn)入。待鉆桿進(jìn)入到一半左右，應(yīng)該增加扭矩，增加鉆進(jìn)速度。第1 根鉆桿鉆完之后，應(yīng)該調(diào)小出水量，安裝第2 根鉆桿，2 根鉆桿進(jìn)入后，鉆孔深度應(yīng)該控制在2 260±30 mm；④安裝錨桿，在安裝之前，應(yīng)該將鉆孔內(nèi)的巖石粉末清理干凈，并要檢查鉆孔的位置、深度以及間距是否符合設(shè)計(jì)的要求，若存在不符合要求的地方，則應(yīng)該采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，一般情況下，需要重新鉆孔。待檢查完成后，將錨固劑串在錨桿上，塞入到鉆孔內(nèi)，這里，先裝1 支MSCK2335，再裝1 支MSZ2360 送至孔底。上好錨桿后需要安裝托盤和螺母，并將錨桿攪拌30s 以上；⑤緊固錨桿：等待1 min，使用風(fēng)動錨桿預(yù)緊扳手或機(jī)械式扭矩倍增器，逐一對頂錨桿施加預(yù)緊力至300 N·m。

安裝錨索施工工藝：①鉆孔，豎起鉆機(jī)，觀察頂板圍巖狀況，調(diào)整后鉆機(jī)的轉(zhuǎn)態(tài)后開始鉆孔。在鉆孔時(shí)，輔助人員應(yīng)該扶穩(wěn)鉆機(jī)，使鉆機(jī)的鉆頭停留至設(shè)計(jì)的鉆孔位置，與此同時(shí)，鉆機(jī)操作人員可以打開鉆機(jī)的排水口，應(yīng)該保持一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。鉆入深度較淺時(shí)，應(yīng)該控制鉆進(jìn)速度，使鉆桿平穩(wěn)地進(jìn)入。待鉆桿進(jìn)入到一半左右，應(yīng)該增加扭矩，增加鉆進(jìn)速度。第1 根鉆桿鉆完之后，應(yīng)該調(diào)小出水量，安裝第2 根、第3 根…鉆桿，最終鉆孔深度達(dá)到7 950 mm（5 950 mm）±100 mm；②安裝錨索，在安裝之前，應(yīng)該將鉆孔內(nèi)的巖石粉末清理干凈，并要檢查鉆孔的位置、深度以及間距是否符合設(shè)計(jì)的要求，若存在不符合要求的地方，則應(yīng)該采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，一般情況下，需要重新鉆孔。按序?qū)? 根樹脂錨固劑裝入鉆孔（先裝1 支MSCK2335，再裝2 支MSZ2360），在錨索的在外裸露長度低于800 mm 時(shí)，應(yīng)該立即將錨索與鉆機(jī)連接起來，將錨索送入到底部后攪拌30～40 s；③張拉錨索，待錨索的錨固劑施工完成20 min 后，在錨索所在的位置搭建工作臺，在錨索的端部安裝上輔助配件，主要是托板以及鎖具等，使錨索對頂板起著很好的錨固作用。與此同時(shí)，把張拉用的油缸套在錨索的裸露端，使錨索在油缸的作用下穩(wěn)定拉伸，待油缸的壓力表達(dá)到2 MPa 時(shí)，應(yīng)該立即停機(jī)，所有人應(yīng)該撤離到作業(yè)地點(diǎn)5 m 以外的區(qū)域，打開油泵繼續(xù)對錨索進(jìn)行拉升，直至油缸的壓力表讀數(shù)達(dá)到45 MPa 左右時(shí)停機(jī)，并將油缸的壓力降為零。張拉時(shí)，發(fā)現(xiàn)不合格錨索，必須在其附近補(bǔ)打合格錨索。錨索安裝2 d 后，如發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力下降，必須及時(shí)補(bǔ)拉。

4 結(jié)束語

通過分析了麥捷煤業(yè)150505 軌道順槽的實(shí)際情況，對煤礦巷道的支護(hù)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為了確定合理的錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)，采用了數(shù)值模擬的方法。錨桿越長，施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大。反過來，通過提高預(yù)應(yīng)力，可適當(dāng)減小錨桿長度?？紤]施工需要一定的角度，錨桿或錨索最大角度不應(yīng)超過20°。