郭相平

(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013)

寺河礦錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭相平

(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013)

Optimization and Design for Anchored Bolt Supporting in Sihe Colliery

針對(duì)寺河礦近年來(lái)因瓦斯高等原因造成的巷道掘進(jìn)速度緩慢的問(wèn)題，對(duì)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并采用數(shù)值模擬軟件模擬了強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)在不同錨桿間排距條件下形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，模擬結(jié)果表明高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)能控制巷道的變形。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，將強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用到寺河礦1303工作面的13033巷，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:巷道頂板下沉小于10mm，兩幫移近量小于20mm，成巷速度提高了15%以上，同時(shí)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和支護(hù)成本，緩解了寺河礦采掘銜接緊張的難題。

強(qiáng)力錨桿;優(yōu)化設(shè)計(jì);支護(hù)密度;支護(hù)速度

近年來(lái)，寺河礦原煤產(chǎn)量不斷提高，而掘進(jìn)進(jìn)尺并沒有很大改觀，目前最突出的問(wèn)題是成巷速度較慢，平均為400～500m/月，無(wú)法滿足回采工作面快速推進(jìn)的要求，造成采掘接續(xù)緊張。受到礦井逐步延伸，煤層埋深加大、地質(zhì)構(gòu)造增多、煤層瓦斯含量增高等客觀因素影響，巷道掘進(jìn)速度放慢且明顯滯后，給礦井綜采工作面的正常接續(xù)帶來(lái)了巨大的壓力，提高綜掘的單進(jìn)水平勢(shì)在必行，同時(shí)近年來(lái)巷道受動(dòng)壓、高應(yīng)力的影響失修嚴(yán)重，普通錨桿支護(hù)不能滿足快速掘進(jìn)和安全生產(chǎn)的需要。寺河礦急需尋找一種新的支護(hù)方式和參數(shù)來(lái)提高巷道的成巷速度并且能保證巷道安全。

1 工程概況

1303工作面為大采高一次采全高工作面，工作面南側(cè)由南向北依此布置有13037，13035和13033巷，工作面東側(cè)布置切眼，工作面西側(cè)布置撤架通道?；夭上锏馈⑶醒酆统芳芡ǖ谰孛簩拥装寰蜻M(jìn)。

13033巷隨1303工作面回采垮落，不留巷; 13035和13037巷在1303工作面采后，留巷，為下一工作面服務(wù)。

1303工作面巷道平面布置示意如圖1所示。

圖1 1303工作面巷道平面布置

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量，寺河煤礦1303工作面附近最大水平主應(yīng)力為9.83MPa，最小為7.64MPa，最小水平力為5.34MPa。從量值上來(lái)劃分，寺河礦1303工作面附近區(qū)域?qū)儆谥械绕蛻?yīng)力值區(qū)域。從應(yīng)力場(chǎng)類型上劃分，1303工作面附近區(qū)域的最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力場(chǎng)為主，構(gòu)造應(yīng)力在全區(qū)占主導(dǎo)地位。水平主應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓挠绊懘笥趯?duì)巷道兩幫的影響。因此，在支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)類型，充分重視巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度和剛度，盡可能地保持頂板巖體的完整性，提高其自身承載能力。

2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)調(diào)查及分析

本次研究是通過(guò)增大錨桿的間排距來(lái)提高寺河礦掘進(jìn)速度，為了保證巷道的使用安全，對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鉆孔窺視。

窺視結(jié)果見圖2。頂板以上0～1.68m為頂煤，煤體較為完整，有極少量橫向裂隙;1.68～1.82m為泥巖;1.82～4.05m為砂質(zhì)泥巖，巖層灰黑色，較為完整，有少量橫向裂隙，水波狀紋理，還有少量含鐵物質(zhì)礦物;4.05～9.58m為泥質(zhì)砂巖，厚層狀，灰黑色，致密堅(jiān)硬;9.58～11.6m為粉－細(xì)砂巖，巖層灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)，致密堅(jiān)硬;11.6～12.2m為泥巖夾層，松軟;12.2～14m為粉－細(xì)砂巖，巖層灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)，厚層狀，致密堅(jiān)硬，水平紋理，有極少量的橫向裂隙及原生縱向裂隙，完整性非常好。

圖2 1303工作面附近區(qū)域巷道頂板窺視圖

該處是采用寺河礦原支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)的巷道，頂板沒有明顯的離層和裂隙，頂板巖層完整性好。寺河礦原支護(hù)方案強(qiáng)度較低，根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)“三高一低”的原則，可以通過(guò)提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度來(lái)降低支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)密度。

3 原支護(hù)方案

1303工作面兩巷斷面寬5m，高3.8m。原支護(hù)方案為:頂板采用(鋼號(hào)BHRB400)20mm的螺紋鋼，長(zhǎng)度2.4m。鋼筋托梁規(guī)格為SB16－4800－100－6。網(wǎng)片規(guī)格為5m×1.1m。樹脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1.4m，錨桿預(yù)緊扭矩200N·m。每排6根錨桿，間距為0.9m，排距為1m。采用22mm，長(zhǎng)7.3m的錨索，錨索每2排2根，排距為2.4m。煤柱側(cè)巷幫材料和頂板材料相同，單體支護(hù)，網(wǎng)片規(guī)格為3.5m×1.1m，錨桿扭矩為100N·m。工作面?zhèn)认飵筒捎?8mm，長(zhǎng)2m的圓鋼錨桿，其他同煤柱側(cè)巷幫。

4 強(qiáng)力錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析

強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)具有強(qiáng)度高、可施加較大預(yù)應(yīng)力等特點(diǎn)，在巖體工程中得到廣泛應(yīng)用。為全面、深入研究強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)作用機(jī)理，分析不同錨桿直徑、間排距和錨索根數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，對(duì)強(qiáng)力錨桿支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

4.1 錨桿預(yù)緊力對(duì)支護(hù)效果的影響

預(yù)緊力與巷道圍巖變形的關(guān)系如圖3所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，巷道圍巖的完整性越好，圍巖變形量也隨之減小?？紤]目前施工機(jī)具所能達(dá)到的功率，錨桿預(yù)緊力以80kN為宜。

4.2 錨桿直徑對(duì)支護(hù)效果的影響

圖3 錨桿預(yù)緊力與圍巖變形關(guān)系曲線

錨桿直徑與巷道頂板下沉量的關(guān)系如圖4所示，隨著錨桿直徑加大，頂板下沉和兩幫相對(duì)移近量一直在減小，從18mm到22mm，頂板下沉量降低10mm;從20mm到22mm，頂板下沉量?jī)H減小2mm;從22mm到24mm，頂板下沉量基本沒有變化。根據(jù)模擬結(jié)果，再增加錨桿的直徑已沒有意義，因此22mm是比較合理的錨桿直徑。

圖4 錨桿直徑與頂板下沉量關(guān)系曲線

4.3 錨桿排距對(duì)支護(hù)效果的影響

錨桿排距與頂板下沉量的關(guān)系如圖5所示。從0.8～1.4m，頂板下沉量變化7.5mm，但從1.2～1.4m頂板下沉量即為6mm，變形量突然增大，而在排距為1.2m以下，變形量變化不大。因此，錨桿排距1.2m是合理的排距。

圖5 錨桿排距與頂板下沉量關(guān)系曲線

4.4 錨索根數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響

錨索對(duì)巷道頂板下沉量的影響如圖6所示。頂板無(wú)錨索時(shí)，頂板下沉量為234.8mm，1根錨索時(shí)下沉量為222.2mm，2根錨索時(shí)為215.3mm?？梢?，有錨索和無(wú)錨索對(duì)巷道頂板變形和支護(hù)效果影響比較明顯，而且2根錨索比1根錨索對(duì)巷道支護(hù)效果明顯要好，選用2根錨索比較合理。

圖6 錨索根數(shù)與頂板下沉量關(guān)系曲線

5 強(qiáng)力錨桿支護(hù)方案

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，確定寺河礦13033巷采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)。

5.1 頂板支護(hù)方案

錨桿采用22號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，鋼號(hào)為BHRB500，長(zhǎng)度為2.4m;高強(qiáng)拱型托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，配合M24高強(qiáng)螺母、調(diào)心球墊和尼龍墊圈;W形鋼帶寬度為280mm，厚度為4mm，長(zhǎng)度為4.8m;網(wǎng)片規(guī)格為5.4m×1.4m;樹脂加長(zhǎng)錨固，采用2支樹脂錨固劑，1支為K2335，另1支為Z2360;錨桿鉆孔直徑為30mm，錨固長(zhǎng)度為1.4m，錨桿預(yù)緊扭矩400N·m，每排6根錨桿，間距為0.9m，排距為1.2m。

錨索為22mm，長(zhǎng)7.3m。錨固方式是樹脂加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，采用3支樹脂錨固劑，1支為K2335，另2支為Z2360。鉆孔直徑為30mm，錨固長(zhǎng)度為1970mm。錨索每2排2根，間距為2m，排距為3.6m，尾部配有高強(qiáng)度錨具，配套高強(qiáng)度可調(diào)心金屬托板規(guī)格為300mm×300mm×16mm。

5.2 巷幫支護(hù)方案

煤柱側(cè)幫錨桿采用22號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，鋼號(hào)為BHRB500，長(zhǎng)度為2m;高強(qiáng)拱型托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，配合M24高強(qiáng)螺母、調(diào)心球墊和尼龍墊圈;W鋼護(hù)板寬度為280mm，厚度為4mm，長(zhǎng)度為300mm。網(wǎng)片規(guī)格為3.3m× 1.4m。樹脂端部錨固，采用1支樹脂錨固劑，規(guī)格為 Z2360。鉆孔直徑為 30mm，錨固長(zhǎng)度為0.9m，錨桿預(yù)緊扭矩400N·m。每排每幫3根錨桿，間距為1.2m，排距為1.2m。工作面?zhèn)认飵筒捎?8mm，長(zhǎng)度 2m的圓鋼錨桿，塑料網(wǎng)采用3.3m×1.4m，其他同煤柱側(cè)巷幫。13033巷強(qiáng)力錨桿支護(hù)斷面布置如圖7所示。

圖7 強(qiáng)力錨桿支護(hù)

5.3 支護(hù)效果及效益分析

強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于13033巷后，巷道變形比原支護(hù)有所減小，頂板下沉控制在10mm以內(nèi)，兩幫移近量也控制在20mm以內(nèi)，現(xiàn)1303工作面已經(jīng)回采完畢，采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)的巷道沒有進(jìn)行任何維修。

施工120m巷道，使用原支護(hù)方案需要施工錨桿1680根，掛網(wǎng)360片，施工錨索80根，鋼筋托梁120條，托板1680塊，錨固劑2640支。施工的錨桿和錨索根數(shù)較多，運(yùn)輸工程量比較大。而采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)后需要施工錨桿1200套，掛網(wǎng)300片，施工錨索67根，施工的錨桿和錨索根數(shù)相對(duì)較少，減少了錨桿支護(hù)的密度，大大加快了支護(hù)速度。在運(yùn)輸上比原支護(hù)方案少運(yùn)輸錨桿480根，網(wǎng)片60片，錨索13根，托板480塊，錨固劑840支，大大減小了運(yùn)輸工程量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。寺河礦在采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)后，成巷速度較原支護(hù)提高了15%。

使用原支護(hù)方案施工120m，需要材料費(fèi)用169562元，平均1413元/m;使用強(qiáng)力支護(hù)方案施工120m，需要材料費(fèi)用154655元，平均1288.79元/m，則使用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)比原支護(hù)平均每米節(jié)省材料費(fèi)用124.21元。

7 結(jié)論

(1)通過(guò)提高錨桿強(qiáng)度，提高了支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度;增大預(yù)緊力，提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的剛度，有效控制了巷道圍巖的變形，顯著提高了巷道支護(hù)的可靠性。

(2)通過(guò)增大錨桿的間排距，大大提高了巷道掘進(jìn)速度 (15%)，有利于礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

(3)增大間、排距后，支護(hù)材料大大減少，節(jié)省了運(yùn)輸及其他輔助成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)增收節(jié)支。

［1］康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(7):721－726.

［2］康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7):673－678.

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［5］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

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［7］高富強(qiáng)，王興庫(kù).回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)敏感性正交試驗(yàn)分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35(11):68－72.

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［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

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1006-6225(2012)04-0073-03

2012－05－08

郭相平 (1980－)，男，安徽廬江人，工程師，從事巷道支護(hù)的研究與推廣工作。