高銅+孟剛+陳永濤+賈圓

摘要：錨網(wǎng)索支護(hù)目前是煤礦井巷工程的一種主要支護(hù)形式，本文針對陳家山煤礦錨網(wǎng)索支護(hù)形式具體分析了全煤巷道支護(hù)機(jī)理，針對陳家山煤礦全煤巷道的特點(diǎn)，結(jié)合綜放工作面全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為陳家山煤礦4-2煤的支護(hù)提供了切實(shí)可行的支護(hù)方式。該支護(hù)方式可以降低支護(hù)成本，解決煤炭自然發(fā)火的隱患，進(jìn)而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

Abstract： Bolt-mesh-anchor support is a kind of main support form for coal mine shaft engineering. In this paper， in view of the bolt-mesh-anchor support form of Chenjiashan Coal Mine， the supporting mechanism of coal roadway is analyzed in detail. In view of characteristics of coal roadway， combined with bolt-mesh-anchor support experience of fully mechanized caving face coal roadway， a practical support way for the Chenjiashan Coal Mine 4-2 coal is provided. The support method can reduce the cost of support， solve the hidden trouble of coal spontaneously， thereby reducing the labor intensity of workers， so it has significant economic and social benefits.

關(guān)鍵詞：全煤巷道；錨網(wǎng)索支護(hù)；預(yù)應(yīng)力；移近量

Key words： coal roadway；bolt-mesh-anchor support；prestressing force；displacement

中圖分類號(hào)：TD355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）18-0111-04

0 引言

陳家山煤礦綜采放頂煤工作面運(yùn)回順均沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板和兩幫皆為煤體，維護(hù)困難，采用架棚、金屬支架支護(hù)易產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和破壞，需經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)處理。由于有煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)，在回采工作面前方還需要替棚，工序復(fù)雜而又危險(xiǎn)。錨網(wǎng)索支護(hù)目前做為一種主要支護(hù)形式，具有加固圍巖、提高圍巖強(qiáng)度及其承載力的作用，支護(hù)效果好，成本低，且有利于工作面兩端頭維護(hù)。

1 巷道的地質(zhì)條件

陳家山煤礦427工作面運(yùn)回順、切眼，巷道總長為4050m，427工作面開采煤層為侏羅紀(jì)4-2煤，煤層底板起伏較大，底板標(biāo)高為1009-895m，煤層埋藏深度為420-540m，厚度為3.1-12.2m，平均7.83m（不含夾矸），變化較大，但規(guī)律明顯，煤層趨勢總體由薄變厚。埋藏最深處位于設(shè)計(jì)的427回順側(cè)，停采線向里52m處；最淺處位于427運(yùn)順側(cè)，427切眼向外370m處。

該區(qū)段煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1-4層，夾矸巖性多為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖和泥巖，單層厚0.1-0.8m，總厚度平均0.5m。煤層節(jié)理和裂隙發(fā)育，性脆易碎，普氏硬度指數(shù)2.5-3，單向抗壓強(qiáng)度7.8-20.6mPa。

地表為山岳地形，溝深林密，對應(yīng)位置為太白山向東北方向經(jīng)春林河至崖頭，海拔高度1490-1316m，地形復(fù)雜，相對高差較大。地表出露地層以第四系（Q4）黃土及松散沉積物為主，次為白堊系（K1）砂礫巖和砂巖沉積。

427區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，總體呈單斜構(gòu)造，傾向南北，中里段以新民村向斜構(gòu)造為主，軸向N15°E，兩翼傾角平緩，一般在5°以下。設(shè)計(jì)的運(yùn)順煤巖層傾角為1°32′-5°40′，平均3°29′，回順0°42′-6°14′，平均3°18′，煤巖層傾角0°30′-6°，平均3°，兩順高差0-15m，回順比運(yùn)順高。

4-2煤直接頂由粉細(xì)砂巖、4-1煤層組合而成的復(fù)合型Ⅰ類頂板，厚度1.35-5.12m，平均3.27m，穩(wěn)定性差，強(qiáng)度較低，單向抗壓強(qiáng)度9-14.6MPa，普氏硬度系數(shù)f=2.5-5.0。老頂由中細(xì)粒砂巖、3#煤煤線組合而成，厚度9.75-31.68m，平均20.75m，普氏硬度系數(shù)f=6-8，單向抗壓強(qiáng)度24.9-51.2MPa，穩(wěn)定性較好，屬Ⅱ級(jí)頂板。底板由上而下為炭質(zhì)泥巖，黑色、塊狀、含炭質(zhì)，厚度0.1-2.88m，平均1.1m；其次根土巖：灰色，塊狀，含砂質(zhì)，局部含鋁質(zhì)，植物化石及少量FeS2結(jié)核，質(zhì)脆，遇水膨脹，厚1.86-5.5m，平均3.7m。最后為砂質(zhì)泥巖：灰、灰綠、暗紫紅色，中厚層狀，具應(yīng)力面和花斑狀，中夾粉砂巖薄層，泥質(zhì)膠結(jié)，厚3.91-31.4m，平均13.94m。

2 全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)井下工業(yè)性應(yīng)用

2.1 支護(hù)方案

427兩巷設(shè)計(jì)斷面形狀均為直墻圓弧拱型（本文以427運(yùn)順為例進(jìn)行說明），運(yùn)順斷面S掘=16.1m2，S凈=15.1m2；巷道毛寬5.0m，凈寬4.8m；毛高3.4m，凈高3.3m；墻高2.8m。巷道頂板錨桿從巷道拱頂正中按設(shè)計(jì)間排距尺寸向周圍兩邊均勻布置，采用Φ18×2250mm（編碼CKJS-C-M螺18-001）螺紋鋼錨桿支護(hù)，每排7根；幫部采用Φ16×2250mm（編碼CKJS-C-M螺16-003）圓鋼錨桿支護(hù)，每排8根；錨桿間排距為800×900mm，頂部錨桿每眼使用1節(jié)Z2335、1節(jié)Z2360樹脂錨固劑，錨固長950mm，幫部錨桿每眼使用2節(jié)Z3530樹脂錨固劑，錨固長度600mm；同時(shí)每根錨桿配備δ8×120×120mm鐵托板一塊，加厚防松螺母1個(gè)；網(wǎng)采用Φ2.6×1100×11000mm菱形鐵絲網(wǎng)支護(hù)；每排使用3根10×70×3000㎜鋼筋衍架托梁，并用扎絲雙排邁步式連接；頂部錨索采用Φ15.24×7300mm鋼絞線，間排距1600mm×2700mm，雙排矩形布置，同時(shí)配備M12×600mm槽鋼一塊、δ8×150×80mm墊板和鎖具一個(gè)。

在巷道右側(cè)幫部打一組組合錨梁，每個(gè)錨梁配2根錨索，錨索規(guī)格為Φ15.24×4900mm，錨梁規(guī)格為12#×1500mm槽鋼，間距為2700mm。每根錨索使用2節(jié)Z2335、2節(jié)Z2360樹脂錨固劑，錨固長度1900mm。

永久支護(hù)距工作面的最大距離為1100mm，最小距離為200mm。

注：每掘進(jìn)300m加一排絕緣隔離帶（塑料網(wǎng)）。

2.2 錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

①按桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則對錨桿直徑進(jìn)行計(jì)算：

式中：d——錨桿直徑，cm；

Q——錨桿錨固力，70kN；

δt——抗拉強(qiáng)度，取380MPa。

代入得d=0.48cm

礦井實(shí)際使用18mm錨桿，符合支護(hù)要求。

②按單體錨桿懸吊作用計(jì)算錨桿長度：

L=L1+L2+L3

式中：L——錨桿總長度，m；

L1——錨桿外漏長度，取0.1m；

L2——有效長度（取免壓拱高b1），m；

L3——錨桿錨入堅(jiān)固穩(wěn)定巖層的深度（頂錨桿取0.7 m，幫錨桿0.3m）；

L2=b1=1/f×[B/2+Hcot（45°+φw/2）]

式中：B、H——巷道掘進(jìn)跨度和高度，B=5.0m，H=3.4m；

f——頂板巖石普氏系數(shù)，取3；

φw——兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，φw取63.43°（查表可知）

結(jié)合上述公式計(jì)算可得出：

L2=1.16m；

頂錨桿長度L頂=0.1+1.16+0.7

L頂=1.96m；

幫錨桿長度L幫=0.1+1.16+0.3

L幫=1.56m；

礦井實(shí)際使用錨桿長度2.25m，符合支護(hù)要求。

③按單體錨桿懸吊作用計(jì)算錨桿間距：

式中：a—錨桿間距，mm；Q—錨桿錨固力，70kN；

K—安全系數(shù)，一般取2；γ—巖體容重，26.7kN/m3；

L2 ——巷道頂板巖層破碎帶高度，取且1.16m。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：a=1.16m

礦井實(shí)際為0.8×0.9m，符合支護(hù)要求。

④錨索支護(hù)驗(yàn)算：

根據(jù)地質(zhì)鉆孔柱狀圖參考分析得知，直接頂無堅(jiān)硬巖層。為有效防止巷道頂板巖層發(fā)生大面積或整體垮落，選用？準(zhǔn)15.24mm×7300mm的鋼絞線，每排施工2個(gè)錨索，將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅(jiān)硬巖層中。冒落方式按最嚴(yán)重的冒落高度大于錨桿長度的整體冒落進(jìn)行考慮，此時(shí)，靠巷道兩幫的角錨桿和錨索一起發(fā)揮懸吊作用，同時(shí)在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，利用垂直方向力的平衡，選用懸吊理論校核錨索排距：

L=nF2/[（BHγ-2F1sinθ）/L1]

式中：L——錨索排距，m；

F1——錨桿錨固力，70kN；

B——巷道冒落寬度，取5.0m；

H——巷道冒落高度，按最嚴(yán)重冒落高度取2.0m；

?！獛r體容重，26.7kN/m3；

L1——錨桿排距，0.90m；

F2——錨索的極限承載力，取230kN；

θ——角錨桿與巷道頂板夾角，75°；

n——錨索每排個(gè)數(shù)，取2個(gè)。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得L=3.11m

礦井實(shí)際為2.7m，符合支護(hù)要求。

由以上驗(yàn)算數(shù)據(jù)可知，陳家山煤礦所選用的錨桿規(guī)格、錨桿間排距、錨桿長度及錨索間排距符合支護(hù)要求，為增加支護(hù)的安全系數(shù)，又采用鐵絲網(wǎng)等一系列補(bǔ)強(qiáng)措施，加強(qiáng)了各巷道的支護(hù)強(qiáng)度。

2.3 巷道支護(hù)斷面圖

巷道支護(hù)斷面圖如圖1所示。

3 施工方法及技術(shù)要求

3.1 施工方法

巷道掘進(jìn)施工均采用EBZ—160懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割施工，短掘短支一次成巷；配40T刮板輸送機(jī)與80膠帶輸送機(jī)出煤，頂部錨桿眼、錨索眼施工和錨固用MQT-85風(fēng)動(dòng)錨索機(jī)施工。工作面最大空頂距1100mm，最小空頂距200mm，堅(jiān)持割一排，支護(hù)一排。

3.2 技術(shù)要求

①毛斷面巷道輪廓尺寸誤差為0～+200mm，錨桿間排距誤差為0～±100mm，安裝角度誤差不超過±5°。②錨桿、錨索眼深誤差不得超過±50mm。③錨固劑攪拌必須一次完成，嚴(yán)禁二次攪拌，一次攪拌時(shí)間不超過30秒。④網(wǎng)壓茬200mm，扣距150～200mm，用扎絲雙排邁步式連接牢固，無壓茬或小于50mm，連接距超過200mm或未連接屬不合格。網(wǎng)必須掛到底、掛齊。⑤頂板錨桿、錨索預(yù)緊力為100kN，老空側(cè)幫錨桿錨固力為60kN，每天抽查一次，達(dá)不到要求必須及時(shí)補(bǔ)打錨桿、錨索，從而保證支護(hù)強(qiáng)度。

4 全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理分析

目前錨網(wǎng)索支護(hù)有多種理論：懸頂理論、組合梁理論、組合加固拱理論、擠壓連接作用等。這些理論與學(xué)說在一定時(shí)期對厚煤層錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。經(jīng)研究實(shí)踐證明：錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到60-70kN的范圍時(shí)，即可有效地減小巷道圍巖變形幅度，又有效控制了巷道頂板的下沉量及頂板離層。特別是該預(yù)應(yīng)力達(dá)到臨界值后，支護(hù)系統(tǒng)就能控制住圍巖變形?；诟咚降貞?yīng)力的相關(guān)作用，提出了“剛性”梁頂板，充分利用水平應(yīng)力來維護(hù)頂板的穩(wěn)定性。所以，錨桿預(yù)應(yīng)力的大小對頂板的穩(wěn)定性起決定性作用，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，錨桿長度范圍內(nèi)以及錨桿以外的頂板離層得以消除。

錨桿預(yù)應(yīng)力的作用在于給頂板及時(shí)提供很高的工作阻力以形成“剛性”頂板，“剛性”頂板本身提供了一個(gè)壓力支撐機(jī)構(gòu)，不存在橫向彎曲變形，只有縱向的微小膨脹和壓縮變形。建立“剛性”梁頂板可提高頂板整體的抗剪強(qiáng)度，使其破壞程度不向頂板縱深方向發(fā)展。在該條件下頂板的垂直壓力被轉(zhuǎn)移到兩側(cè)煤體縱深，巷道兩側(cè)煤體壓力減少，片幫現(xiàn)象得以緩和，與無預(yù)拉力錨桿支護(hù)相比較，高預(yù)應(yīng)力主動(dòng)錨桿支護(hù)的原則是先護(hù)頂，后護(hù)幫，在一定極限范圍內(nèi)，頂板穩(wěn)定性與巷道跨度關(guān)系不是很大，頂部錨桿的高預(yù)拉力作用是維護(hù)頂板的“剛性”，而兩幫錨桿的作用是維護(hù)兩幫煤體的整體性和完整性，這一支護(hù)理論彌補(bǔ)了“松動(dòng)圈”理論的缺陷，使在相對簡單的地質(zhì)條件下采用大間排距錨網(wǎng)索支護(hù)成為可能。同時(shí)頂部錨桿間通過鋼帶或托梁、菱形金屬網(wǎng)橫向連接成整體，相互作用，防止煤炮或掘進(jìn)過程中破碎煤體的冒漏，組合錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)使錨固區(qū)具有很好的剛度，其自身穩(wěn)定性很強(qiáng)，尤其對內(nèi)部圍巖起阻止和限制作用，頂板的破壞性也大大減少?；凇皠傂浴绷褐ёo(hù)理論開發(fā)出的高性能預(yù)拉力錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)已在淮北、淮南、彬長等地得到大范圍推廣應(yīng)用，并取得成功。

5 礦壓觀測結(jié)果

陳家山煤礦安裝的是KJ24礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了錨桿應(yīng)力和頂板離層不間斷監(jiān)測。

頂板離層監(jiān)測每隔300m設(shè)置1處，巷道表面位移監(jiān)測分別設(shè)3-5處，錨桿、錨索承載監(jiān)測設(shè)1-2處，螺母擰緊力矩每班必須安排專人進(jìn)行抽查，所需儀器規(guī)格及數(shù)量見表2。

為準(zhǔn)確掌握巷道圍巖的變形規(guī)律，在掘進(jìn)巷道開始時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行巷道圍巖表面位移觀測。圍巖表面位移觀測主要包括頂?shù)装宓囊平剩↘），巷道兩幫移近率（S），觀測結(jié)果如下：

①巷道剛開始掘進(jìn)期間頂板下沉量分別為35-48mm，兩幫移近量98-125mm，說明巷道圍巖位移以兩幫為主，頂部高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)發(fā)揮了有效作用，形成“剛性”梁頂板，使頂部壓力向兩幫煤體縱深轉(zhuǎn)移，可見頂板支護(hù)是厚煤層巷道支護(hù)的一個(gè)重點(diǎn)。

②回采期間工作面超前影響距離40-50m左右，劇烈影響范圍在20m左右，頂板下沉量為280-400mm，最大變形速度為6-7.5mm/d；兩幫移近量為120-300mm，最大變形速度4.6-5.4mm/d。在此期間巷道變形量占巷道總變形量的70%以上，可見全煤錨網(wǎng)索支護(hù)巷道受回采巷道影響顯著。

通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，全煤錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理對幫頂支護(hù)效果較好，其變形量特點(diǎn)是：掘進(jìn)階段以水平（即兩幫）移近為主，而在回采階段受采動(dòng)影響則以垂直（即頂?shù)祝┮平鼮橹鳌?/p>

6 結(jié)論

①錨網(wǎng)索支護(hù)體系是主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)、短掘短支等最大程度上實(shí)現(xiàn)了頂板在暴露后未出現(xiàn)離層和在未受到頂板最大應(yīng)力影響之前，就完成了巷道支護(hù)，及時(shí)有效控制了頂板下沉量，增強(qiáng)了頂板抗剪強(qiáng)度，充分發(fā)揮了錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)性和優(yōu)越性。

②通過驗(yàn)證為陳家山煤礦侏羅紀(jì)4-2煤全煤巷道提出了一個(gè)切實(shí)可行的單一錨網(wǎng)索支護(hù)新技術(shù)。

③全煤錨網(wǎng)索巷道支護(hù)與架棚巷道相比較，大幅度控制了圍巖變形量及變形速度，頂?shù)装迮c兩幫的移近量減少45%左右，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面的快速安裝，又簡化了綜放工作面端頭支護(hù)工序，為實(shí)現(xiàn)工作面穩(wěn)產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件。

④全煤錨網(wǎng)索支護(hù)一方面提高了掘進(jìn)速度，另一方面簡化了安裝程序，降低了支護(hù)成本，大大減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

⑤綜放工作面巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索技術(shù)對提高單進(jìn)和掘進(jìn)工效，降低材料消耗，延長巷道服務(wù)時(shí)間，減少回采期間維護(hù)量和保證巷道使用的安全性將產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。

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