任建忠

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦1228工作面運(yùn)輸巷位于一采區(qū)西翼，巷道沿2#煤頂板掘進(jìn)。2#煤位于山西組的中下部，煤層厚度2.83m，傾角2°～5°，夾矸巖性多為含炭質(zhì)泥巖或泥巖，有時(shí)為泥砂巖。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，均厚2.56m，基本頂為細(xì)砂巖，均厚7m，底板為粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。

1228工作面運(yùn)輸巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)，巷道寬5.5m×高3.5m，原有錨網(wǎng)索支護(hù)方案具體支護(hù)參數(shù)如下：頂板錨桿采用3根Ф20mm×2400mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為2000mm×1000mm，頂板3根錨索采用Ф21.6mm×6500mm的 1×7股鋼絞線，間排距為2000mm×1000mm，錨桿索的托盤均采用規(guī)格300mm×300mm×12mm平鋼板。頂板右邊角錨桿與水平線成75°角，其余均垂直頂板布置；巷幫錨桿規(guī)格與頂板相同，每幫布置4根錨桿，全部垂直于巷道打設(shè)，間排距為900mm×1000mm，如圖1所示。巷道掘進(jìn)期間在原有支護(hù)方案下不能保障圍巖的穩(wěn)定，頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笠平糠謩e為500mm和480mm，急需對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 1228工作面運(yùn)輸巷原有支護(hù)斷面圖

2 巷道變形與支護(hù)參數(shù)分析

2.1 巷道變形原因分析

（1）錨桿錨索布置方式。原有支護(hù)方案中的錨桿索布置在同一排內(nèi)，與現(xiàn)有的錨桿索支護(hù)理論相違背。錨桿、錨索分別在巷道圍巖淺部和深部形成范圍有限的主承載結(jié)構(gòu)和次承載結(jié)構(gòu)，但將錨桿與錨索布置在同一排時(shí)會(huì)嚴(yán)重削弱錨桿的控制承載結(jié)構(gòu)，使得錨桿支護(hù)效果不能得到有效的發(fā)揮，影響錨桿索對(duì)頂板圍巖的整體加固效果[1-2]。

（2）錨桿錨索預(yù)緊力。預(yù)緊力在錨桿索的支護(hù)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，根據(jù)規(guī)范可知預(yù)應(yīng)力應(yīng)為其桿體屈服強(qiáng)度的30%～60%。1228運(yùn)輸順槽原有支護(hù)方案下錨桿預(yù)緊力矩190N·m，換算為預(yù)應(yīng)力約為20kN。根據(jù)原有支護(hù)方案使用的錨桿參數(shù)可知，錨桿屈服力105kN時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力至少應(yīng)達(dá)到30kN以上，故預(yù)應(yīng)力水平較低，錨桿仍然處于被動(dòng)支護(hù)狀態(tài)，控制圍巖效果較差。如果錨桿安裝初期能夠施加高預(yù)應(yīng)力，能夠有效控制圍巖弱結(jié)構(gòu)面離層發(fā)育，促使圍巖由載荷體轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d體，防止圍巖破壞區(qū)和塑性區(qū)的繼續(xù)擴(kuò)展，保持巷道穩(wěn)定。

（3）錨桿托盤。1228工作面運(yùn)輸巷錨桿配套附件托板有兩種類型：規(guī)格為Ф100mm×100mm×8mm的斜托盤以及規(guī)格為Ф120mm×8mm的蝶形托盤。觀察托板外形，存在以下設(shè)計(jì)缺陷：托板孔口直徑偏小，錨桿桿體與孔口無(wú)間隙，容易使得錨桿在扭矩、剪力和彎矩的作用下出現(xiàn)破斷[3-4]；另原有錨桿托盤中無(wú)調(diào)心球閥，使得錨桿易受到偏載的作用，進(jìn)而錨桿在偏載的作用下出現(xiàn)破斷。

（4）錨索托盤。1228工作面運(yùn)輸巷錨索托板常用規(guī)格為300mm×300mm×12mm。平托板有很大缺陷：平托盤受力不均勻，施加高預(yù)應(yīng)力或者承受高載荷，因非整個(gè)平面承載而造成四周翹起，托板有效承載面積大大減少，影響錨索應(yīng)力傳遞和擴(kuò)散；平托板不能與調(diào)心球閥配套，當(dāng)錨索受到偏載作用，錨索索體同樣受到復(fù)合應(yīng)力作用，造成錨索破斷，引起支護(hù)失效；平托盤因受力不均勻，施加預(yù)應(yīng)力與傳遞工作阻力差。

2.2 支護(hù)參數(shù)分析

基于1228工作面運(yùn)輸順槽圍巖變形的具體條件，結(jié)合上述分析得出的此條巷道圍巖變形的原因，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行具體的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）錨桿托盤。為充分保障錨桿的支護(hù)效果，展開(kāi)Ф120mm×8mm型錨桿托板的承載力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 Ф120mm×8mm型錨桿托板承載-位移曲線

通過(guò)具體分析圖2可知，托盤承載力最小為185.82kN，最大為191.50kN。錨桿托板承載力應(yīng)超過(guò)錨桿桿體極限載荷，同時(shí)要求托板具有較大的變形特征，與錨桿桿體協(xié)調(diào)變形共同抵抗圍巖壓力。托板達(dá)到極限承載力的變形量為6mm，相對(duì)位移太小，不利于圍巖變形過(guò)程壓力的釋放，不利于錨桿桿體壓力的緩沖。

針對(duì)托板設(shè)計(jì)缺陷，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，并經(jīng)試驗(yàn)加工出滿足要求的高強(qiáng)度拱形托板。新型托板具有以下優(yōu)勢(shì)性能：① 拱形托盤承載能力大，規(guī)格為150mm×150mm×10mm型號(hào)錨桿托盤承載力可達(dá)到450kN，可滿足不同強(qiáng)度等級(jí)錨桿配套使用；另外，托板拱形高度達(dá)到36mm，托板壓縮變形過(guò)程可實(shí)現(xiàn)較大位移，可與錨桿桿體協(xié)調(diào)變形，起到卸壓作用，保證錨桿桿體穩(wěn)定；② 孔口加工成倒角，調(diào)心球墊能夠相匹配，進(jìn)而有效防止錨桿在復(fù)合應(yīng)力下破斷。

（2）錨索托盤。為研究合理的錨索托盤，采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)平托盤和拱形托盤進(jìn)行模型分析。以錨索托板模擬為例，數(shù)值計(jì)算如圖3所示。

分析圖3可知，采用相同的預(yù)應(yīng)力水平，平托板僅僅在孔口周邊形成壓應(yīng)力區(qū)，且應(yīng)力傳遞到圍巖內(nèi)部有限，圍巖控制效果很差；而拱形托板在整個(gè)托板平面內(nèi)都形成壓應(yīng)力區(qū)，并且向深部圍巖傳遞，形成柱狀的壓應(yīng)力帶，控制圍巖效果非常理想。

（3）錨桿索預(yù)應(yīng)力。錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道支護(hù)效果也起著決定性作用，預(yù)應(yīng)力要求達(dá)到錨索索體破斷載荷的40%～70%，具體數(shù)值也需要結(jié)合實(shí)際圍巖條件和巷道控制難易程度綜合確定。曙光煤礦錨索破斷載荷約為520kN，錨索預(yù)緊力要求200kN，設(shè)計(jì)達(dá)到下限40%的要求。正式設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際工程條件，提出預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值。

圖3 錨索托板預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布圖

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 支護(hù)方案

基于上述巷道圍巖變形原因分析及支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果可知，支護(hù)方案優(yōu)化措施采用更換錨桿索托板為可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤配減摩墊片，其中錨桿托盤規(guī)格為150mm×150mm×10mm，承載能力不低于250kN，錨索托盤規(guī)格300mm×300mm×14mm，承載力不低于700kN。另外提高錨桿的桿體直徑Ф22mm，調(diào)整錨桿索的布置方式，提升錨桿預(yù)緊力矩到300 N·m，錨索預(yù)緊力提升到不小于300kN。

具體優(yōu)化后的支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿形式和規(guī)格：Ф22mm×2400mm的左旋縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，全部垂直于頂板打設(shè)，托板采用可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤配減摩墊片，設(shè)置預(yù)緊力矩≥300 N·m。錨索采用直徑Ф21.8mm×6300mmd的1×19股高強(qiáng)度鋼絞線，間排距為1800mm×2000mm，采用“三 零”布置，預(yù)緊力≥300kN，采用1支MSK2355和2支MSZ2355樹(shù)脂藥卷錨固， 托盤采用拱型高強(qiáng)度錨索托盤。

（2）兩幫支護(hù)。錨桿、托盤各項(xiàng)參數(shù)規(guī)格與頂板錨桿相同，錨桿排距1000mm，每排4根錨桿，間距900mm，錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m，錨桿全部垂直巷幫打設(shè)。

巷道網(wǎng)片采用10#鐵絲編織的六角形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格3000mm×1100mm，頂板采用W型鋼帶進(jìn)行護(hù)頂，W型鋼帶寬度280mm，長(zhǎng)度5300mm，孔間距1000mm，厚度4.5mm，兩幫采用鋼護(hù)板護(hù)幫。具體支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)方式布置示意圖

3.2 支護(hù)效果分析

為分析1228工作面運(yùn)輸巷優(yōu)化后支護(hù)效果，在巷道掘進(jìn)期間對(duì)巷道圍巖的表面位移進(jìn)行持續(xù)55d的觀測(cè)，如圖5所示。

分析圖5可知，巷道優(yōu)化支護(hù)方案實(shí)施后，圍巖的變形主要發(fā)生在巷道掘進(jìn)后0～15d，頂?shù)装迤骄冃嗡俾蕿?.33mm/d，兩幫平均變形速率為2.20mm/d，15d后巷道圍巖的變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，這能夠說(shuō)明巷道圍巖已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笠平糠謩e為22cm和34cm，有效地控制了圍巖的變形。

圖5 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)1228工作面運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)條件，采用試驗(yàn)+數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方式對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行具體優(yōu)化，確定更換原有平托盤為拱形托盤，提升錨桿索的預(yù)緊力。礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，支護(hù)優(yōu)化后的頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟孔畲笾捣謩e為22cm和34cm，能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定。