白 宇

1 盤(pán)區(qū)地質(zhì)概述

寺河煤礦二號(hào)井九七盤(pán)區(qū)大巷沿9#煤層的底板施工，設(shè)計(jì)三條大巷分別稱為97101、97102、97103大巷，作為盤(pán)區(qū)的準(zhǔn)備巷道。盤(pán)區(qū)內(nèi)9#煤層位于石炭系太原組中部，上限標(biāo)高為636 m，下限標(biāo)高為468 m，地面標(biāo)高為793～1024 m。直接頂板為厚3.3 m粉砂巖，老頂為厚5.3 m的細(xì)砂巖，底板為厚0.8 m的石灰?guī)r。

現(xiàn)有的支護(hù)方案頂板的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到了90，000 kg/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定支護(hù)強(qiáng)度，增加了成本。同時(shí)也造成巷道掘進(jìn)速度慢、效率低。

2 巷道應(yīng)力測(cè)試與分析

為了科學(xué)合理的設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案，研究地應(yīng)力對(duì)巷道布置的影響，掌握測(cè)試區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力的大小與方向和9#煤圍巖特性。對(duì)實(shí)驗(yàn)巷道進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。

根據(jù)礦井生產(chǎn)技術(shù)條件和地應(yīng)力測(cè)試要求，分別在九七盤(pán)區(qū)大巷的聯(lián)絡(luò)巷（測(cè)點(diǎn)A）和97202大巷950 m處（測(cè)點(diǎn)B）選定兩處位置實(shí)施試驗(yàn)。

2.1 測(cè)試過(guò)程與應(yīng)力數(shù)據(jù)

在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別施工鉆孔并安裝應(yīng)力計(jì)，利用鉆孔取出的巖芯在實(shí)驗(yàn)室加工成標(biāo)準(zhǔn)試塊。通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)確定測(cè)量段巖石的彈性模量、泊松比和單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B附近區(qū)域地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果。

表1 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

可以看出，九七盤(pán)區(qū)大巷的聯(lián)絡(luò)巷和97202大巷最大水平主應(yīng)力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E，垂直主應(yīng)力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說(shuō)明該區(qū)域地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。

2.2 應(yīng)力分析

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，九七盤(pán)區(qū)所在的位置的屬于低應(yīng)力區(qū)，井下的工程實(shí)踐也證明此區(qū)域的水平應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯。九七盤(pán)區(qū)頂板巖石穩(wěn)定性好，強(qiáng)度較高。因水平應(yīng)力對(duì)九七盤(pán)區(qū)大巷和順槽的布置影響很小，最大水平主應(yīng)力的方向與大巷和順槽也均不是垂直和平行的關(guān)系。

3 大巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 整體耦合支護(hù)工況點(diǎn)

根據(jù)整體耦合讓均壓的設(shè)計(jì)理念，支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須包括：錨桿（索）長(zhǎng)度，支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)系統(tǒng)的變形耦合讓均壓距離。這三個(gè)參數(shù)相互影響且相互制約，三者必須達(dá)到耦合。單獨(dú)改變一個(gè)因素而忽略其他因素都達(dá)不到支護(hù)效果，這三者就是耦合支護(hù)工況點(diǎn)。利用錨桿耦合支護(hù)工況點(diǎn)設(shè)計(jì)曲線圖可以設(shè)計(jì)耦合支護(hù)工況點(diǎn)、檢查參數(shù)設(shè)置是否合理。

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

（1）錨桿支護(hù)系統(tǒng)工況點(diǎn)確定

圍巖應(yīng)力變形特性的特點(diǎn)決定錨桿特性曲線設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采礦地質(zhì)條件及采動(dòng)影響，利用數(shù)值模擬方法得出圍巖應(yīng)力和變形特性曲線。據(jù)此再結(jié)合錨桿耦合支護(hù)工況點(diǎn)設(shè)計(jì)曲線，可以確定錨桿支護(hù)系統(tǒng)的工況點(diǎn)：最小支護(hù)強(qiáng)度：600 kN/m、巷道圍巖位移20 mm、允許的最小變形20 mm。

而錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)該足以錨固到松散破碎范圍以外的穩(wěn)定巖層中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖松散破碎圈分析，頂幫錨桿的長(zhǎng)度均選為2000 mm，以保證錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中。

根據(jù)以上工況點(diǎn)，選擇Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿。其理論屈服強(qiáng)度為120 kN，抗拉強(qiáng)度值150 kN。

（2）錨桿安裝應(yīng)力確定

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建立有限元二級(jí)模型，模擬分析錨桿安裝應(yīng)力。頂板每排布置5根錨桿，排距1.2 m。通過(guò)改變模型中錨桿的安裝應(yīng)力，達(dá)到無(wú)離層、頂板中的拉應(yīng)力最小的最佳組合梁效果為宜。

圖1為安裝應(yīng)力增加至40 kN時(shí)的應(yīng)力分布變形圖和頂板離層圖，灰色區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)。通過(guò)模型可以看出，安裝應(yīng)力到40 kN時(shí)，頂板拉應(yīng)力區(qū)絕大多數(shù)消除，絕大多數(shù)頂板離層都閉合，從而取得最佳組合梁的效果。所以沿頂掘進(jìn)時(shí)所需的最小錨桿安裝應(yīng)力為40 kN。

圖1 應(yīng)力分布變形圖和放大后的頂板離層

3.3 輔助支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證錨索能錨固到頂板穩(wěn)定圍巖中，結(jié)合井下具體施工地點(diǎn)情況，選擇快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥(niǎo)窩”錨索。其參數(shù)如下：直徑15.24 mm、長(zhǎng)度5300 mm、安裝應(yīng)力90±10 kN、采用“三花”布置，排距2.4 m。

每套錨桿采用1支K2335的快速樹(shù)脂藥卷與1支Z2360的中速樹(shù)脂藥卷；每套錨索采用1支K2335的快速樹(shù)脂藥卷與2支Z2360的中速樹(shù)脂藥卷。

4 大巷支護(hù)效果檢驗(yàn)

為全面檢測(cè)97102大巷采用新支護(hù)方案的支護(hù)狀態(tài)，驗(yàn)證錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，檢驗(yàn)支護(hù)質(zhì)量，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)。

4.1 錨桿錨固力檢測(cè)

在試驗(yàn)段掘進(jìn)10 m后隨機(jī)抽取4根錨桿做拉拔試驗(yàn)，對(duì)錨桿錨固力進(jìn)行檢測(cè)。下圖是其中1根錨桿拉拔試驗(yàn)曲線圖，可以看出。拉拔力到20 kN時(shí)，錨桿頭位移為零；到30 kN時(shí)，錨桿托盤(pán)已經(jīng)把鋼帶緊貼巖壁，當(dāng)拉拔力在140～160 kN，錨桿已經(jīng)接近屈服階段。當(dāng)拉拔力達(dá)到160 kN時(shí)支護(hù)體拉力仍有上升趨勢(shì)，錨桿沒(méi)有被拉出，說(shuō)明Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿用一卷MSK2335加一卷MSZ2360的樹(shù)脂錨固劑時(shí)，錨固力與錨桿抗拉強(qiáng)度匹配完好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 拉拔試驗(yàn)曲線

4.2 錨桿安裝扭矩與預(yù)緊力關(guān)系

在試驗(yàn)段掘進(jìn)10 m后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先把安裝應(yīng)力測(cè)試表放在托盤(pán)與螺母之間；其次利用扭矩扳手緊固螺母，每增加50 N·m，讀數(shù)一次安裝應(yīng)力測(cè)試表并記錄。

表2 扭矩實(shí)驗(yàn)記錄

由表可知：當(dāng)頂板的錨桿安裝扭矩大于180 N·m時(shí)，錨桿的預(yù)緊力即大于設(shè)計(jì)中要求的40 kN?，F(xiàn)在規(guī)程規(guī)定頂錨的安裝扭矩要大于200 N·m，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且有富裕系數(shù)。

4.3 巷道位移觀測(cè)

在實(shí)驗(yàn)巷道選定4個(gè)測(cè)點(diǎn)（間距50 m）觀測(cè)頂?shù)装逡平?。每?jī)商煊^測(cè)一次，直到巷道基本穩(wěn)定，然后畫(huà)出巷道表面位移變化曲線。分析巷道受掘進(jìn)和回采影響情況，總結(jié)規(guī)律，取巷道的穩(wěn)定程度和扭矩應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果得平衡點(diǎn)。

圖3 測(cè)點(diǎn)4位移變化曲線

由圖可知，采用新設(shè)計(jì)支護(hù)方案后，掘進(jìn)期間大巷兩幫的最大移近量為79 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?2 mm。大巷在滯后掘進(jìn)迎頭150 m后趨于穩(wěn)定，250 m后完全穩(wěn)定。

根據(jù)九七盤(pán)區(qū)97301及相鄰的97302和97303工作面的采礦與支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，97102大巷試驗(yàn)段受時(shí)間和臨近采煤工作面的動(dòng)壓影響較小。預(yù)計(jì)采煤工作面影響期間兩幫最大移近量會(huì)增加20 mm左右，頂?shù)装逡平繒?huì)增加30 mm。回采影響結(jié)束后，預(yù)計(jì)試驗(yàn)段兩幫最大變形量在100 mm左右，頂?shù)装遄畲笞冃瘟吭?0 mm左右。大巷在整個(gè)服務(wù)期限內(nèi)均能夠保持穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

1）九七盤(pán)區(qū)大巷和97202大巷最大水平主應(yīng)力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E， 垂直主應(yīng)力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，該區(qū)域地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，屬于低應(yīng)力區(qū)。

2）新型支護(hù)設(shè)計(jì)保證了錨桿(索)的錨固力，實(shí)現(xiàn)了“三徑比”的合理優(yōu)化。通過(guò)施加足夠預(yù)緊力并通過(guò)組合構(gòu)件實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，將圍巖錨固成一整體，提高錨固體的強(qiáng)度，阻止圍巖變形、裂隙擴(kuò)展。

3）試驗(yàn)表明，掘進(jìn)期間大巷試驗(yàn)段兩幫最大移近量為79 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?2 mm。大巷在滯后掘進(jìn)迎頭150 m后趨于穩(wěn)定，250 m后完全穩(wěn)定。大巷在整個(gè)服務(wù)期限內(nèi)均能夠保持穩(wěn)定。

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