高 梓

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地礦, 太原 030022)

裂隙發(fā)育巖體巷道快速支護(hù)技術(shù)研究

高 梓

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地礦, 太原 030022)

針對(duì)官地礦裂隙發(fā)育頂板巷道支護(hù)困難、掘進(jìn)速度慢的問題，采用了鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視和強(qiáng)度測(cè)試，掌握了頂板的裂隙發(fā)育和強(qiáng)度分布規(guī)律，提出了采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，巷道頂板保持良好的穩(wěn)定性，巷道的日單進(jìn)水提高46.7%，效果顯著。

結(jié)構(gòu)窺視；強(qiáng)度測(cè)試；組合構(gòu)件；快速支護(hù)

錨桿支護(hù)是我國(guó)煤礦巷道最主要的支護(hù)方式[1]，安全、快速、高效的巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，在總的成巷時(shí)間內(nèi)，支護(hù)工序占據(jù)了大部分時(shí)間，因此提高成巷速度的關(guān)鍵是縮短支護(hù)時(shí)間，提高支護(hù)速度[2]。目前常用的煤巷快速掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)大致可以分為三種：連續(xù)采煤機(jī)與錨桿臺(tái)車交叉換位掘進(jìn)；掘錨一體化的掘錨機(jī)組；懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體鉆機(jī)配合工藝[3-5]。但前兩種對(duì)煤巷的數(shù)目、地質(zhì)條件、斷面形狀、工序組織要求苛刻，大面積的推廣受到了限制,目前多采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配合工藝，如何在現(xiàn)有的條件下實(shí)現(xiàn)巷道的快速掘進(jìn)需要開展進(jìn)一步的研究。

官地煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，截止2014 a，揭露陷落柱696個(gè)，落差大于20 m的5條,在采掘過程中揭露3 m～5 m正斷層127條、逆斷層19條，1 m～3m正斷層730條、逆斷層114條，地質(zhì)類型為復(fù)雜。官地煤礦目前正在掘進(jìn)的2號(hào)煤層，頂板構(gòu)造復(fù)雜，頂板裂隙發(fā)育，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)速度，需要對(duì)開展深入的研究。

1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

官地煤礦2號(hào)煤層12605正巷埋藏深度315.5 m，2號(hào)煤層平均厚度2.8 m，巷道不受周邊采動(dòng)影響。為了掌握巷道頂板裂隙發(fā)育狀況，開展了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試， 測(cè)試了圍巖的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征，見圖1和圖2。

頂板0 m～1.2 m為砂質(zhì)泥巖，裂隙非常發(fā)育，巖層不完整，巖層平均強(qiáng)度為33.65 MPa；頂板1.2 m～5.0 m為細(xì)砂巖，3.4 m處有泥巖夾層，離層較多，裂隙發(fā)育，巖層平均強(qiáng)度為61.58 MPa。5.0 m～8.0 m為砂質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育，少量離層，巖層平均強(qiáng)度為24.04 MPa。

圖1 圍巖結(jié)構(gòu)窺視Fig.1 Structure peep of surrounding rock

圖2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試Fig.2 Strength test of surrounding rock

從強(qiáng)度測(cè)試曲線可以看出，同一巖層的強(qiáng)度波動(dòng)范圍極大，對(duì)于砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度最低位21 MPa，最高為48 MPa，同時(shí)受地質(zhì)構(gòu)造的影響也會(huì)對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，因此必須注重頂板的護(hù)表能力，同時(shí)提高支護(hù)強(qiáng)度和剛度，防止頂板淺部裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2 原支護(hù)材料解析

12605正巷目前均沿2號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道采用矩形斷面，尺寸為4.2 m×2.8 m，，采用錨桿、錨索及鋼筋托梁支護(hù)。

2.1 頂板護(hù)表構(gòu)件

目前官地煤礦采用的是鋼筋托梁，但對(duì)于裂隙發(fā)育煤巖體頂板，鋼筋托梁護(hù)表面積小，同頂板呈線性接觸，支護(hù)效果差，但全部采用W鋼帶，支護(hù)效果好，但成本過高，為此針對(duì)官地礦頂板研制了W短鋼帶和鋼筋托梁組合構(gòu)件，既保證有一定的護(hù)表面積、強(qiáng)度和剛度，又經(jīng)濟(jì)合理，便于施工。

2.2 錨桿托板

圖3是不同尺寸錨桿托板在圍巖應(yīng)力中分布狀態(tài)，從圖中可看出：隨著錨桿托板尺寸增加，圍巖內(nèi)部高壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，錨桿托板尺寸對(duì)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分布有明顯影響，托板在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中起非常重要的作用。因此對(duì)于節(jié)理裂隙巖體，應(yīng)選擇護(hù)表更大的錨桿托板，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散。

官地煤礦目前采用的是110 mm×110 mm×8 mm的拱形托板，錨桿托板球窩幾何形狀與力學(xué)性能應(yīng)與球形墊圈匹配，因此選擇150 mm×150 mm×10 mm可調(diào)心拱形錨桿托板作為支護(hù)構(gòu)件。

圖3 不同尺寸錨桿托板圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)Fig.3 Prestressed field of surrounding rock under anchored bolt plates with different sizes

2.3 錨索

錨索應(yīng)將錨桿支護(hù)形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，發(fā)揮深部圍巖的承載能力，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，錨索應(yīng)錨固在圍巖內(nèi)部相對(duì)較穩(wěn)定的巖層中，根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可知在頂板3.8 m～5.0 m范圍為細(xì)砂巖，強(qiáng)度較高，為此選擇錨索錨固在此范圍。同時(shí)在巷道支護(hù)中，應(yīng)優(yōu)先選用抗拉強(qiáng)度等級(jí)不低于1 860 MPa，延伸率不低于3.5%，直徑不小于17.8 mm的鋼絞線；對(duì)于高應(yīng)力、大斷面、動(dòng)壓影響等復(fù)雜困難巷道應(yīng)優(yōu)先選擇直徑不小于20 mm的強(qiáng)力錨索。

根據(jù)12605工作面巷道服務(wù)年限和使用用途，以及官地礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果，3.8 m～5.0 m范圍圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度相對(duì)較好，確定12605正巷采用Φ21.6 mm×4 300 mm的低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試成果、支護(hù)材料和支護(hù)參數(shù)的研究，確定12605支護(hù)設(shè)計(jì)，見圖4。

頂板錨桿Φ20-M22-2 400 mm螺紋鋼錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距900 mm；采用1支CK2360和1支K2380樹脂錨固劑加長(zhǎng)錨固；幫錨桿Φ20-M22-2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 000 mm，采用1支K2380樹脂錨固劑錨固，配合W鋼護(hù)板；托板采用可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。

4-a 巷道支護(hù)仰視圖

4-b 巷道支護(hù)正視圖

頂板組合構(gòu)件：采用鋼筋托梁和W短鋼帶組合焊接而成，鋼筋托梁：采用直徑為12 mm的圓鋼焊接而成，寬度為210 mm，長(zhǎng)度為3 950 mm；W短鋼帶，寬度280 mm，長(zhǎng)度300 mm，厚度3 mm。

錨索為Φ21.6 mm×4 300 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用一支CK2360和兩支K2380低粘度樹脂藥卷錨固；采用“二一二一”間隔布置，錨索排距2 400 mm，間距1 800 mm。

頂錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m；頂錨索預(yù)緊力為200 kN。

通過井下支護(hù)效果可以看出，對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的煤巖體，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，采用新型頂板組合護(hù)表構(gòu)件，巷道頂板保持了良好的穩(wěn)定性。采用原支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿排距為1.0 m，新支護(hù)方案錨桿排距為1.2 m，同時(shí)優(yōu)化施工工序，實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，使得巷道的日單進(jìn)水平由日單進(jìn)9.0 m提升至13.2 m，掘進(jìn)速度提高46.7%，有效的保證了工作面的正常銜接，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

1)采用鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視和強(qiáng)度測(cè)試掌握頂板的裂隙發(fā)育和強(qiáng)度分布規(guī)律，有效指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)。

2)對(duì)各構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，同時(shí)研發(fā)出新型護(hù)表構(gòu)件，加大裂隙發(fā)育巖體的護(hù)表面積，提高錨桿的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效率，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)

3)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，巷道頂板保持了良好的穩(wěn)定性，巷道的日單進(jìn)水提高46.7%，效果顯著。

[1] 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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RapidSupportingTechnologyinRockRoadwayswithFractureDevelopment

GAOZi

(GuandiMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Taiyuan030022,China)

To solve the difficult supporting and slow draining in roof roadway with fracture development in Guandi Mine, structure peep and strength test with boreholes on surrounding rock are adopted to achieve the law of the fracture development and strength distribution. High prestressed bolt and cable support technology could guarantee roof stability and increase water intake per day by 46.7% remarkably.

structure peep;strength test;combined components; rapid supporting

1672-5050(2017)01-0014-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.004

2016-12-13

高梓(1978-)，男，山西朔州人，大學(xué)本科，工程師，從事煤炭開采技術(shù)研究及實(shí)踐工作。

TD322

A

(編輯:武曉平)