寺河礦大采高回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化探討

喬樹培

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城事業(yè)部，山西 晉城 048000）

井下巖層中的巖體在巷道掘進(jìn)后，會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力集中，尤其在有較大地應(yīng)力作用的巖體中開掘巷道后，圍巖會(huì)向巷道中部產(chǎn)生變形，巷道的周邊產(chǎn)生破碎的區(qū)域及條帶。要保證巷道掘進(jìn)和使用的安全，采用的主要方法為對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效支護(hù)和控制。

以寺河煤礦3#煤層5310工作面回采巷道錨桿支護(hù)為工程背景，針對(duì)該煤礦大采高回采巷道支護(hù)密度大、支護(hù)成本高、掘進(jìn)速度慢等問(wèn)題，擬對(duì)回采巷道錨桿支護(hù)構(gòu)件匹配性問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)大斷面巷道錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到降本增效、節(jié)能降耗的目的。

1 工程概況

3#煤層煤厚平均6.3 m，煤層傾角為1°～12°，平均6°。亮黑色，金屬光澤，主要有亮煤，其次是暗煤，較亮型，煤層中等結(jié)構(gòu)，煤質(zhì)堅(jiān)硬。煤層頂?shù)装鍡l件：老頂為粉砂巖，黑灰色、致密、不太堅(jiān)硬，完整，有層理，平均厚度7.5 m；直接頂為泥巖（砂質(zhì)），灰色，層理簡(jiǎn)單，質(zhì)較堅(jiān)，局部夾薄層狀粉砂巖或薄層泥巖，可見(jiàn)植物化石碎片，平均厚度6.4 m；偽頂，泥巖（炭質(zhì)），黑灰色，存在化石，隨采掘脫落，厚度0～0.3 m；直接底為泥巖（砂質(zhì)），黑灰色，層理簡(jiǎn)單，質(zhì)較堅(jiān)，局部夾薄層狀粉砂巖或薄層泥巖，平均厚度2.85 m；老底為砂巖（細(xì)粒），灰色，石英、長(zhǎng)石為主，平均厚度0.5 m。

5310工作面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，但整個(gè)采面處在奧灰承壓水之上，水頭標(biāo)高在+494 m左右，煤層底板標(biāo)高為+271～+340 m，底板隔水層厚度在110 m左右，突水系數(shù)最大為0.029 MPa/m，小于0.06 MPa/m，在無(wú)構(gòu)造導(dǎo)通的情況下，一般無(wú)底板突水威脅。煤層原始瓦斯含量平均為15 m3/t，抽放后煤體瓦斯含量為6.432 m3/t。工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量為45.43 m3/min，單巷掘進(jìn)絕對(duì)瓦斯涌出量為1～3 m3/min。

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在寺河煤礦3#煤層5310大采高工作面，該工作面位于東五盤區(qū)，53103巷為順槽膠帶與進(jìn)風(fēng)巷，地面位于潘莊村以東，常家莊西南，斜坡莊以西，鐘家莊以北。該工作面走向平均凈長(zhǎng)為1 787 m，傾斜平均凈長(zhǎng)為296 m。工作面標(biāo)高+350 m，地面標(biāo)高+570～+650 m，埋深220～380 m。

5310工作面井下區(qū)位情況，東為斜坡莊保護(hù)煤柱，南為5309工作面，北為5311工作面，西為東井區(qū)西輔助運(yùn)輸大巷。以5310工作面53103回采巷道為工程背景，擬對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化探討。

2 支護(hù)分析

2.1 錨桿幾何參數(shù)

選擇錨桿的直徑參數(shù)時(shí)，要結(jié)合具體巷道的特征及支護(hù)所要求的預(yù)應(yīng)力來(lái)確定。當(dāng)巷道壓力較大時(shí)、所支撐圍巖結(jié)構(gòu)較破碎的掘進(jìn)巷道，應(yīng)選直徑較大錨桿；其次，對(duì)于頂板完整、變形量較小巷道選直徑較小錨桿較合適。53103巷道因受采動(dòng)影響，且巷道斷面大，根據(jù)上述錨桿選擇依據(jù)，順槽巷道和底板巖巷均選擇直徑φ22 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

錨桿長(zhǎng)度需要經(jīng)過(guò)承載試驗(yàn)，使其錨固的圍巖形成一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且應(yīng)該有較大的承載力，支護(hù)體不出現(xiàn)明顯的滑移面、離層、裂隙張開等變形。錨桿長(zhǎng)度若太短，會(huì)導(dǎo)致錨桿錨固體強(qiáng)度低，錨固區(qū)厚度小，頂板不穩(wěn)定；相反，若錨桿加長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后，長(zhǎng)度繼續(xù)加長(zhǎng)對(duì)圍巖體強(qiáng)度無(wú)較大影響。所以，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)該有一個(gè)合適的區(qū)間，承載試驗(yàn)曲線轉(zhuǎn)角處點(diǎn)位是較合理的錨桿長(zhǎng)度值，如圖2所示。

圖2 錨桿長(zhǎng)度對(duì)巖層加固效果的影響

2.2 錨桿力學(xué)參數(shù)

大部分的錨固的桿體采用20MnSi建筑螺紋鋼和Q235圓鋼。前者拉斷強(qiáng)度為510 MPa，屈服強(qiáng)度335 MPa；后者拉斷強(qiáng)度為380 MPa，屈服強(qiáng)度僅為235 MPa。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，20MnSi建筑螺紋鋼目前已經(jīng)開發(fā)出新型螺紋鋼錨桿，如MG400、MGB500、MG600也開始大量使用，這些錨桿支護(hù)效果都較好。圍巖錨固應(yīng)遵循以下原則：

寺河煤礦的地質(zhì)條件，為保證掘進(jìn)和巷道使用安全，高強(qiáng)度錨桿為優(yōu)先選擇。井下實(shí)踐、數(shù)值模擬均表明，錨桿錨固強(qiáng)度提高能減小巷道變形值，有效控制錨固圍巖體發(fā)生破壞。實(shí)際采用型號(hào)φ22-M24-2400的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，其鋼牌號(hào)為500，屈服強(qiáng)度500 MPa，破斷強(qiáng)度670 MPa。

2.3 錨桿密度

錨桿的密程度涉及到其中兩個(gè)參數(shù)：錨桿排、間距。頂板位移值與錨桿密度之間的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，只要錨桿密度增加，頂板下沉值減??；密度若較小，圍巖變形控制較難；但錨桿密度增到一定值，再增密錨桿密度，支護(hù)效果并不明顯，這樣會(huì)造成支護(hù)材料浪費(fèi)。因此，錨桿支護(hù)密度需在合理的范圍內(nèi)[1]。

圖3 錨桿密度與頂板下沉的關(guān)系

2.4 錨固方式

端部錨固時(shí)，桿體的自由段增長(zhǎng)，自由段錨固預(yù)應(yīng)力作用范圍較大。全長(zhǎng)錨固時(shí)，桿體無(wú)自由段，錨桿的預(yù)應(yīng)力作用范圍也較小。加長(zhǎng)錨固兼有端部錨固和全長(zhǎng)錨固的特點(diǎn)，若搭配使用不同固化速度的錨固劑，就產(chǎn)生類似預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以顯著提高支護(hù)效果。針對(duì)寺河煤礦地質(zhì)條件，采用加長(zhǎng)錨固。不同錨固方式的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 不同錨固方式的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

2.5 錨索長(zhǎng)度

錨索通過(guò)將錨桿的支護(hù)所形成的承載結(jié)構(gòu)與圍巖體進(jìn)行相連，圍巖通過(guò)深化，發(fā)揮其承載能力，進(jìn)而提高整體承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所以，錨索錨固在深部的穩(wěn)定圍巖巖層中較合適。錨索長(zhǎng)度可參考下式設(shè)計(jì)：

式中：L為錨索的長(zhǎng)度，m；L1為錨索的外露長(zhǎng)度，0.3～0.4 m；Lb為不穩(wěn)定巖層高度，m；Lm為錨索的錨固長(zhǎng)度，1.2～1.5 m；

以53103巷道為實(shí)例進(jìn)行模擬分析，模擬條件為寬度5.5 m，高度為4.0 m。錨索力學(xué)參數(shù)及布置的基本模型為彈性模量200 GPa，直徑22 mm，預(yù)應(yīng)力250 kN；模擬計(jì)算錨索長(zhǎng)度分別為5.3 m、6.3 m、7.3 m、8.3 m時(shí)應(yīng)力分布狀態(tài)。

①當(dāng)錨索長(zhǎng)度增加時(shí)，錨索所形成的有效應(yīng)力區(qū)的范圍也會(huì)逐步增加，這表明錨索主動(dòng)支護(hù)作用的范圍在擴(kuò)大。但錨索長(zhǎng)度增加時(shí)，錨索的主動(dòng)支護(hù)作用范圍在寬度方向上變化不大，且有隨著錨索長(zhǎng)度增加而減小的趨勢(shì)[2]。

②當(dāng)錨索長(zhǎng)度再增加時(shí)，錨索中部及以上部分所形成的壓應(yīng)力區(qū)域會(huì)減小，說(shuō)明錨索中部對(duì)錨索上部圍巖的支護(hù)作用會(huì)減小[3]。

根據(jù)目前錨索預(yù)應(yīng)力水平，錨索不宜過(guò)長(zhǎng)，選擇在5～7 m比較合理。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化

經(jīng)技術(shù)論證，53103巷道最終確定選擇錨桿支護(hù)，其主要參數(shù)如下：

3.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

錨桿采用MG500鋼材，桿體為22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4 m，延伸率≥20%，桿尾螺紋為M24。錨桿預(yù)緊力矩為400～550 N·m。錨桿錨固方式為加長(zhǎng)錨固，一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固。鉆孔直徑φ30 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度1 970 mm，預(yù)緊力，損失后≥250 kN，超張拉至320～350 kN[4]。

3.2 巷幫錨桿支護(hù)參數(shù)

煤柱側(cè)幫錨桿參數(shù)：采用MG500鋼材，桿體為22#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2 m，延伸率≥20%，桿尾螺紋為M24。錨桿錨固方式為加長(zhǎng)錨固，兩支錨固劑，一支為MSK2335，另一支為MSZ2360。鉆孔直徑φ30 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度為1 208 mm，錨固力不小于150 kN，錨桿預(yù)緊力矩400～550 N·m。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

對(duì)53103巷進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，可進(jìn)一步測(cè)量錨桿受力情況和分析巷道的圍巖位移情況，可全面了解錨桿支護(hù)的工作狀態(tài)，驗(yàn)證修改錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)并為進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，以保證巷道掘進(jìn)和使用的安全[5]。

4.1 圍巖位移

使用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。在頂?shù)装宓拇怪狈较蚺c兩幫水平方向鉆φ30 mm、深400 mm的孔，將φ32 mm、長(zhǎng)400 mm的木樁的打入孔中。觀測(cè)方法為：在C、D之間拉緊測(cè)繩，A、B之間拉緊鋼卷尺，測(cè)讀AO、AB值；在A、B之間拉緊測(cè)繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測(cè)讀CO、CD值。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測(cè)斷面布置

4.2 圍巖位移監(jiān)測(cè)

53103巷掘進(jìn)期間圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖6、圖7所示。

圖6 100 m處表面位移監(jiān)測(cè)曲線

圖7 300 m處表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由監(jiān)測(cè)曲線可知，100 m處1#測(cè)站巷道兩幫移近量最大值為35 mm，為初始巷道兩幫寬度的0.64%；巷道頂板下沉量最大值為20 mm，底鼓量最大值為15 mm，頂?shù)装逡平繛?5 mm，為巷道初始高度的0.83%。2#測(cè)站巷道兩幫移近量最大值為40 mm，為初始巷道兩幫寬度的0.72%；巷道頂板下沉量最大值15 mm，底鼓量最大值為23 mm，頂?shù)装逡平繛?8 mm，為巷道初始高度的0.9%[6]。

300 m處1#測(cè)站巷道兩幫移近量最大值為25 mm，為初始巷道兩幫寬度的0.45%，巷道頂板下沉量最大值為10 mm，底鼓量最大值為10 mm，頂?shù)装逡平繛?0 mm，為巷道初始高度的0.48%。2#測(cè)站巷道兩幫移近量最大值為18 mm，為初始巷道兩幫寬度的0.32%，巷道頂板下沉量最大值為15 mm，底鼓量最大值為12 mm，頂?shù)装逡平繛?7 mm，為巷道初始高度的0.64%。

5 結(jié)論

以寺河煤礦東五盤區(qū)順槽53103巷道為工程背景，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，對(duì)支護(hù)構(gòu)件、支護(hù)參數(shù)、鋪網(wǎng)工序等進(jìn)行了優(yōu)化，并在井下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1）錨桿支護(hù)系統(tǒng)能夠提高支護(hù)系統(tǒng)的承載穩(wěn)定性、支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)剛度，支護(hù)系統(tǒng)承載后具有較高的承載力。

2）礦壓監(jiān)測(cè)表明，支護(hù)優(yōu)化后的巷道變形量總體較小，圍巖保持了較好的完整性，能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。