祁虎根，薛旭輝

(1.霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400； 2.霍州煤電集團(tuán) 研究院，山西 霍州 031400)

軟弱圍巖回采巷道支護(hù)優(yōu)化研究

祁虎根1，薛旭輝2

(1.霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400； 2.霍州煤電集團(tuán) 研究院，山西 霍州 031400)

三交河煤礦下組煤回采巷道圍巖巖性特征變化較大，部分回采巷道頂板存在軟弱泥巖，局部巷道在掘進(jìn)過程中頂板出現(xiàn)隨掘隨冒落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。為保證巷道支護(hù)安全，同時進(jìn)一步降低巷道支護(hù)成本，提高巷道掘進(jìn)效率，通過現(xiàn)場調(diào)研、錨固力試驗、巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試，結(jié)合已有經(jīng)驗成果，分析了現(xiàn)有巷道支護(hù)存在的問題，提出了合理的巷道支護(hù)初始設(shè)計，增加了錨桿錨索預(yù)緊力。通過對支護(hù)設(shè)計井下現(xiàn)場應(yīng)用跟蹤和礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)收集分析，得出錨桿錨索受力滿足高預(yù)應(yīng)力要求，最大錨桿受力接近其屈服強(qiáng)度，錨桿錨索承載力得到充分發(fā)揮，在保證安全的條件下巷道掘進(jìn)效率提高38%，驗證了新支護(hù)設(shè)計的合理性。

軟弱圍巖；高預(yù)緊力；支護(hù)優(yōu)化；地應(yīng)力測試

1 試驗巷道布置情況

11-0031巷井下位于+850 m水平，埋深280 m，其東側(cè)為11-001回采工作面煤柱寬度40 m，西側(cè)為實體煤，南端為實體煤，北端為下組煤東軌道巷。11-0031巷總工程量為1 507 m，11-0032巷總工程量為1 667 m. 工作面布置示意圖見圖1.

圖1 11-003工作面布置示意圖

2 工作面煤層頂?shù)装鍑鷰r分布情況

11-003工作面11#煤層厚度2.7 m，煤層之上依次為平均厚度2 m的泥巖，平均厚度2 m的10#下煤層，基本頂為K2灰?guī)r。煤層之下依次為平均厚度2.7 m的泥巖，平均厚度2.2 m的泥灰?guī)r，平均厚度2 m的泥巖。煤層及頂?shù)装迩闆r見圖2.

3 下組煤圍巖地質(zhì)力學(xué)特征[1]

對三交河煤礦下組煤巷道支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，選定圍巖地質(zhì)力學(xué)測試點(diǎn)，進(jìn)行地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度與圍巖結(jié)構(gòu)測試，為確定巷道支護(hù)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。圍巖結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果、圍巖強(qiáng)度和水力壓裂曲線分別見圖3，圖4，圖5.

圖2 11-003工作面巖層柱狀圖

圖4 頂板巖體強(qiáng)度測試結(jié)果圖

圖5 測站水力壓裂曲線圖

4 原有支護(hù)形式及存在的不足

11-003正副巷為矩形斷面，沿11#煤層頂板掘進(jìn)，掘?qū)?.3 m，掘高3 m，頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)、鋼帶、錨索、槽鋼聯(lián)合支護(hù)方式，頂錨桿選用d22 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm. 錨索選用d21.6 mm×8 200 mm的鋼絞線，每6 m施工一組至K2灰?guī)r1 m以上，錨索“二·二”布置，間排距1 600 mm×2 000 mm，錨索托盤采用22#槽鋼配套180 mm×180 mm×12 mm平鋼板。幫部采用錨網(wǎng)梁支護(hù)方式，幫錨桿選用d20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼，“四·四”布置，間排距900 mm×1 000 mm. 巷道支護(hù)參數(shù)見圖6.

圖6 11-003原有巷道斷面支護(hù)圖

原有巷道支護(hù)存在的不足：1) 錨索預(yù)緊力偏低。原設(shè)計中錨索預(yù)緊力為40 MPa，現(xiàn)場查看錨索張拉機(jī)具，40 MPa所對應(yīng)的預(yù)緊力為160 kN，考慮錨索張拉后30%的預(yù)緊力損失，實際預(yù)緊力為110 kN. 通過實驗d21.6 mm的錨索體破斷載荷為520 kN. 康紅普院士在錨桿錨索預(yù)緊力初始值的選擇中提出，錨桿預(yù)緊力為桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%，錨索預(yù)緊力初始值應(yīng)達(dá)到索體破斷載荷的40%～70%. 因此，原設(shè)計錨索預(yù)應(yīng)力偏低，影響了錨桿錨索支護(hù)作用的發(fā)揮。2) 錨索托盤采用22#槽鋼配套180 mm×180 mm×12 mm平鋼板。a) 由于圍巖表面不平整等原因，較難保障所施工的錨索間距正好為槽鋼的孔距，容易使錨索尾部受到彎剪破壞，不利于錨索預(yù)緊力擴(kuò)散。b) 槽鋼孔和鋼板均為氧焊燒孔，成孔光滑度較差，容易剪切錨索。c) 平托板無法調(diào)心，只適用于錨索垂直巷道表面布置的情況，如果巷道表面不夠平整則容易造成錨索受偏載的作用，對錨索受力狀態(tài)造成不利影響，嚴(yán)重時托盤會剪切錨索，將錨索切斷。3) 頂板焊接鋼筋網(wǎng)為d4 mm鋼筋，網(wǎng)格為110 mm×105 mm，搭接采用點(diǎn)焊，根據(jù)同類鋼筋網(wǎng)在大變形巷道的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，鋼筋網(wǎng)焊點(diǎn)易開裂，難以抵抗巷道的網(wǎng)包變形。4) 頂板錨索每6 m施工一組錨固至K2灰?guī)r1 m，導(dǎo)致K2灰?guī)r水從錨索孔流出，同時由于頂板為10#煤和泥巖復(fù)合層且含硫量較高，泥巖遇水后承載力顯著降低，不僅影響錨索錨固，而且對錨索造成銹蝕。

5 11-003巷道支護(hù)優(yōu)化初始設(shè)計[2-4]

11-003巷斷面設(shè)計為矩形斷面，掘?qū)?.3 m，掘高3.0 m，掘進(jìn)斷面12.9 m2. 頂板錨桿形式和規(guī)格為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.5 m，鋼材屈服強(qiáng)度為335 MPa. 錨固方式為樹脂加長錨固，采用一支規(guī)格為CK2340，另一支規(guī)格為Z2360. 鉆孔d28 mm，錨固長度為1 763 mm. 托板采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm，配調(diào)心球墊和減摩墊圈。采用單體錨桿配W鋼護(hù)板，規(guī)格為厚度3 mm，寬280 mm，長度450 mm. 錨桿排距1 100 mm，每排5根錨桿，間距950 mm. 錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m. 錨索形式和規(guī)格：錨索材料為d21.6 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度8.3 m，每排兩根布置，間排距1 600 mm×2 200 mm. 錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部。采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高強(qiáng)錨索托板，托板高不低于60 mm，配調(diào)心球墊。錨索張拉預(yù)緊力：200～250 kN.

巷幫支護(hù)錨桿形式和規(guī)格為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，采用拱型高強(qiáng)度托盤，配調(diào)心球墊和減摩墊圈。W鋼護(hù)板規(guī)格為厚度3 mm，寬280 mm，長度450 mm，錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m. 巷道支護(hù)斷面示意圖見圖7.

6 礦壓監(jiān)測分析

在11-003(1)巷310 m位置設(shè)置一組礦壓綜合觀測站，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂幫錨桿初始預(yù)緊力在53～83 kN，超過錨桿桿體屈服載荷的50%，錨索初始預(yù)緊力為160 kN，實現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)，之后頂板錨桿受力始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。11-0031巷錨桿錨索受力曲線見圖8.

圖7 11-003巷優(yōu)化支護(hù)斷面圖

圖8 11-0031巷錨桿錨索受力曲線圖

在11-003(2)巷550 m位置，安設(shè)一組礦壓監(jiān)測測站，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂幫錨桿初始預(yù)緊力最低達(dá)到了41 kN，穩(wěn)定在60 kN左右，隨著巷道向前繼續(xù)掘進(jìn)，錨桿受力基本穩(wěn)定，巷道圍巖穩(wěn)定。頂板錨索初期預(yù)緊力131 kN，考慮損失滿足要求，之后略有減小，直至平穩(wěn)。11-0032巷錨桿錨索受力曲線圖見圖9.

圖9 11-0032巷錨桿錨索受力曲線圖

7 結(jié) 論

通過現(xiàn)場調(diào)研、錨固力試驗、巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試，結(jié)合已有經(jīng)驗成果，分析了現(xiàn)有巷道支護(hù)存在的問題，增加了錨桿錨索預(yù)緊力，提出了合理的巷道支護(hù)初始設(shè)計，通過對支護(hù)設(shè)計井下現(xiàn)場應(yīng)用跟蹤和礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)收集分析，錨桿錨索受力滿足高預(yù)應(yīng)力要求，最大錨桿受力接近其屈服強(qiáng)度，錨桿錨索承載力得到充分發(fā)揮，在保證安全的條件下巷道掘進(jìn)效率提高38%，驗證了新支護(hù)設(shè)計的合理性。

[1] 康紅普.煤巖體地質(zhì)力學(xué)原位測試及在圍巖控制中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2013：216-228.

[2] 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，2009：67-95.

[3] 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[J].煤炭學(xué)報，2008，33(7)：721-726.

[4] 張 農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(5)：524-527.

Study on Optimization of Mining Roadway Support in Soft Surrounding Rock

QI Hugen, XUE Xuhui

The lithologic characteristics of the surrounding rock of the coal mining tunnel in the Sanjianhe coal mine varies greatly. The roof appears soft in some section, and is prone to collapse while excavation all of which affects the mine safety production and economic benefit seriously. In consideration of the safety and cost reduction for the roadway support during tunneling, field investigation and anchoring stress test and geotechnical test are conducted, combined with existing experience, the paper puts forward reasonable design improvement on roadway support and the pre-tightening force of anchor cable. Field application and monitoring data of rock pressure monitoring show that the stress of anchor and anchor cable meets the requirement of high prestress, with the maximum anchor force is close to its yield strength, and the bearing capacity of the anchor cable is given full play. Under the safe conditions, the tunneling efficiency improved by 38%, which on the other hand proves the rationality of the new support design.

Soft surrounding rock; High pre-stress; Support optimization; Ground stress test

2017-04-21

祁虎根(1974—)，男，山西靈石人，2014年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全管理和工程技術(shù)工作

(E-mail)836074373@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)06-0016-05