百良旭升煤礦515 皮帶巷支護(hù)方案優(yōu)化研究

張 鵬

（陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 714000）

巷道安全是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，巷道是否滿足安全生產(chǎn)取決于多個(gè)因素，其中最主要的是礦區(qū)的地質(zhì)條件、合理的支護(hù)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、礦壓監(jiān)測(cè)等[1-3]。基于此，以澄合礦區(qū)白良旭升煤礦515 工作面皮帶巷為研究對(duì)象，針對(duì)該巷變形量大、錨桿斷裂等支護(hù)失效問題進(jìn)行具體分析，并提出支護(hù)優(yōu)化方案，以期有效解決礦井復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護(hù)難題。

1 工作面概況

515 工作面皮帶巷主要用于515 工作面進(jìn)風(fēng)（行人）及運(yùn)煤，設(shè)計(jì)長度675 m，已掘進(jìn)213 m，沿5#煤頂板掘進(jìn)，為實(shí)煤體掘進(jìn)巷道，不受采動(dòng)影響，埋深500 m 左右。該區(qū)域煤層厚度4.3～6.6 m，平均厚5.0 m，煤層傾角2°～6°，平均4°，為近水平煤層。5#煤層直接頂為細(xì)粒砂巖，均厚3 m，巖體強(qiáng)度平均值為48.68 MPa，細(xì)粒砂巖上部為K4 灰?guī)r，均厚6 m，強(qiáng)度平均值為56.36 MPa；5#煤層底板以石英質(zhì)粉細(xì)粒砂巖為主。515 皮帶巷為矩形斷面，正常支護(hù)方式為錨網(wǎng)索，巷寬4.8 m，巷高3.6 m，掘進(jìn)斷面17.28 m2，凈斷面15.84 m2；遇特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，變更為三心拱形，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索+U 型棚，巷寬5.2 m，巷高3.6 m，掘進(jìn)斷面14.92 m2，凈斷面13.86 m2。巷道布置如圖1。

圖1 515 皮帶巷布置圖

2 存在的支護(hù)問題與原因分析

2.1 原支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)

（1）錨網(wǎng)索支護(hù)

515 皮帶巷原設(shè)計(jì)正常支護(hù)方式為錨網(wǎng)索，采用HRB500 左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，桿體直徑20 mm，錨桿長度2.4 m，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm 拱形鐵托板，同時(shí)配合300 mm×265 mm×2.5 mm 型W 鋼護(hù)板使用。錨桿錨固方式為加長錨固，錨固劑型號(hào)為MSZ2360 型樹脂錨固劑，每根錨桿使用2 支錨固劑。錨桿間排距為700 mm×800 mm。錨桿螺母扭矩不小于260 N·m；錨索規(guī)格：Ф18.9 mm、1×7 股鋼絞線，長度8300 mm，300 mm×300 mm×12 mm 配套金屬托盤。錨索錨固方式為加長錨固，使用4 支MSZ2360 型樹脂錨固劑錨固。錨索間距1.4 m，排距1.6 m，每排4 根。頂板金屬網(wǎng)：采用10#鍍鋅鐵絲編織成的鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，鐵絲網(wǎng)規(guī)格為900 mm×5400 mm。錨網(wǎng)索支護(hù)斷面如圖2。

圖2 515 皮帶巷錨網(wǎng)索支護(hù)斷面圖（mm）

（2）架棚支護(hù)

515 皮帶巷遇特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，變更為三心拱形，采用架棚配合錨網(wǎng)索支護(hù)。金屬棚使用29U型鋼加工而成，棚距800 mm，架間連鎖方式采用拉桿（長674 mm，每架3 根）。剎頂木采用規(guī)格為Φ140 mm×1200 mm 的半圓木，材質(zhì)雜木。錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索間排距1600 mm×1600 mm，每排5 根，其他支護(hù)參數(shù)同原錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)一致。支護(hù)斷面如圖3。

圖3 515 皮帶巷錨網(wǎng)索+U 型棚支護(hù)斷面圖（mm）

2.2 出現(xiàn)的支護(hù)問題與原因分析

515 工作面皮帶巷掘進(jìn)213 m 后，根據(jù)采掘接替安排，暫停掘進(jìn)6 個(gè)月，期間巷道密閉，6 個(gè)月后打開巷道，發(fā)現(xiàn)采用錨網(wǎng)索支護(hù)的巷道圍巖變形量較大，頂板最大下沉量達(dá)210 mm，幫部最大位移量320 mm。此外，巷道出現(xiàn)多處錨桿斷裂。經(jīng)初步分析，造成巷道圍巖變形量大的主要原因?yàn)殄^網(wǎng)索支護(hù)失效，具體原因分析如下：

（1）錨桿配件不合理導(dǎo)致受力不均。通過檢查現(xiàn)場(chǎng)斷裂錨桿，發(fā)現(xiàn)斷裂位置均為錨桿外端托盤處。根據(jù)該斷口分析，屬剪切斷裂。為此，通過對(duì)原支護(hù)所用的錨桿托盤進(jìn)行查看及檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)托盤實(shí)測(cè)厚度為7 mm，拱高29 mm，且無調(diào)心球窩。此類型托盤在遇到巷道表面不平或錨桿角度過大的情況下，螺母與墊片不能平行緊貼，導(dǎo)致桿體受力不均勻。同時(shí)，因托盤無調(diào)心作用，錨桿受力不均勻，錨桿螺紋段出現(xiàn)剪切斷裂。

（2）錨桿預(yù)緊力偏低。錨桿預(yù)緊力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動(dòng)與拉應(yīng)力區(qū)。當(dāng)預(yù)緊力偏低時(shí)，則不能很好地控制圍巖變形。因此，必須選擇合適的錨桿預(yù)緊力值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖離層和滑動(dòng)的有效控制。原支護(hù)螺母預(yù)緊力為260 N·m，且通過現(xiàn)場(chǎng)查看，螺母與錨桿托盤間無減磨墊片，則初步判定錨桿扭矩與錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率低，從而導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力低。

通過檢測(cè)不同錨桿扭矩下得到的錨桿預(yù)緊力，檢測(cè)出錨桿扭矩200 N·m 時(shí)，錨桿預(yù)緊力為24.1 kN；扭矩260 N·m 時(shí)，錨桿預(yù)緊力為36.4 kN；扭矩300 N·m 時(shí)，錨桿預(yù)緊力為42.8 kN。計(jì)算得出錨桿扭矩與錨桿預(yù)緊力的平均轉(zhuǎn)化率為13.6%。錨桿預(yù)緊力要達(dá)到控制圍巖變形的目的，應(yīng)達(dá)到桿體屈服載荷標(biāo)準(zhǔn)值的30%～60%，而HRB500 螺紋鋼Ф20 mm 的錨桿屈服載荷為157 kN，則預(yù)緊力范圍應(yīng)為47.1～94.2 kN。由此判定，原支護(hù)錨桿預(yù)緊力偏低，不能很好地控制圍巖變形。

錨桿預(yù)緊力與錨桿扭矩成正比，錨桿預(yù)緊力、扭矩、螺紋規(guī)格及摩擦系數(shù)之間關(guān)系如式（1）：

式中：f1為錨桿螺母與錨桿絲端間摩擦系數(shù)；f0為錨桿螺母與托盤或墊圈間摩擦系數(shù)；d2為錨桿絲端螺紋直徑，mm；d0為墊圈內(nèi)徑，mm；D1為螺母與墊圈接觸直徑，mm；s為絲端螺紋間距，mm；s=nt；n為螺紋頭數(shù)；t為螺距，mm；M為螺母預(yù)緊力矩，kN·m；P0為錨桿預(yù)緊力，kN。

若令：

則錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩之間的關(guān)系可表示為：

可見，錨桿預(yù)緊力與螺母扭矩成正比，同時(shí)取決于系數(shù)k。影響k值大小的關(guān)鍵因素為：① 螺母與錨桿絲端的摩擦系數(shù)f1，f1越大，k值越??；②螺母與托盤或墊片間的摩擦系數(shù)f0，f0越小，k值越大；③ 錨桿直徑，錨桿越粗，k值越小。因此，要提高錨桿力矩與錨桿預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化率，在錨桿材質(zhì)不變情況下，需減少螺母與托盤間的摩擦系數(shù)，即增加減磨墊片，同時(shí)盡量選擇直徑較粗的錨桿。

3 支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)存在的支護(hù)問題及原因分析，將515 皮帶巷支護(hù)方案優(yōu)化如下：

（1）錨網(wǎng)支護(hù)形式及規(guī)格。錨桿采用HRB500左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，桿體直徑增大至22 mm，錨桿長度仍為2.4 m，螺母采用高強(qiáng)扭矩螺母。頂板錨桿間距840 mm，排距800 mm，每排6根錨桿。采用一支MSK2335 錨固劑及一支MSZ2360 錨固劑加長錨固。采用拱型高強(qiáng)度托盤，鋼材型號(hào)不低于Q235，規(guī)格為邊長150 mm 的方形托盤，托盤厚度10 mm，螺母與托盤間配減阻尼龍墊圈和調(diào)心球墊。采用W 型鋼梁作圍巖護(hù)板，W 型鋼梁厚度5 mm，寬度280 mm，長度2.4～4.5 m。采用8#鐵絲編織的菱形網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)格為50 mm×50 mm，規(guī)格為4800 mm×900 mm，網(wǎng)搭接長度不得小于2 個(gè)網(wǎng)孔，并采用14#鐵絲聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)采用雙排扣“三花”聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)間距不得大于3 個(gè)網(wǎng)孔。錨桿螺母扭矩不得不低于450 N·m。

（2）錨索形式和規(guī)格。錨索采用直徑21.8 mm、1×19 股的1860 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度8.3 m，采用3 支樹脂錨固劑錨固，一支MSK2335錨固劑在前，兩支MSZ2360 樹脂錨固劑在后。錨索托盤采用邊長為300 mm 的高強(qiáng)度拱形可調(diào)心方形托盤，托盤厚度14 mm，托盤拱高60 mm。錨索布置為每排3 根布置，排距1600 mm。中間錨索安裝在巷道中線，兩邊錨索距離中間錨索1500 mm，間距1500 mm。錨索初始張拉力不得小于250 kN。

4 優(yōu)化后效果分析

在優(yōu)化支護(hù)后的巷道內(nèi)每隔50 m 設(shè)一個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)站，共設(shè)4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每隔7 d 觀測(cè)一次圍巖變形量。待所有測(cè)站圍巖變形量趨于穩(wěn)定后，將各測(cè)站圍巖變形量數(shù)據(jù)繪制變形曲線圖如圖4。

圖4 巷道圍巖變形曲線圖

根據(jù)圖4 可知，支護(hù)形式優(yōu)化后，前35 d 內(nèi)圍巖變形速率較高，35 d 后圍巖變形量趨于穩(wěn)定，1#、2#斷面處變形量最大，最大變形量54 mm，且已處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)最大變形量均在37 mm 以下。根據(jù)該觀測(cè)結(jié)果可知，優(yōu)化支護(hù)后，圍巖變形量均處于輕微變形狀態(tài)，且后期已處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，未發(fā)現(xiàn)有變形量大、錨桿斷裂等支護(hù)失效情況，表明優(yōu)化后的錨網(wǎng)索支護(hù)能夠有效控制圍巖變形。

5 結(jié)論

（1）錨桿預(yù)緊力偏低時(shí)，不能很好地控制圍巖變形，必須選擇合適的錨桿預(yù)緊力值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖離層和滑動(dòng)的有效控制。

（2）提高錨桿預(yù)緊力，可通過增大錨桿扭矩、錨桿直徑以及增加減磨墊片等措施，以提高錨桿扭矩與錨桿預(yù)緊力之間的轉(zhuǎn)化率。

（3）通過增加錨桿托盤調(diào)心球墊，可避免巷道表面不平或錨桿角度過大的情況下桿體受力不均導(dǎo)致的錨桿剪切斷裂現(xiàn)象。

（4）通過分析515 皮帶巷存在的支護(hù)問題及具體原因，采取針對(duì)性優(yōu)化支護(hù)方案，圍巖變形穩(wěn)定后最大變形量僅54 mm，圍巖變形量得到有效控制。