王 炎

(山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036600）

針對沿空留巷、小煤柱巷道等復(fù)合巷道受采空區(qū)、以及回采影響，巷道圍巖受力大，圍巖破壞嚴(yán)重，傳統(tǒng)錨網(wǎng)（索）支護(hù)對圍巖破壞控制效果差，錨桿支護(hù)后在破碎圍巖中出現(xiàn)錨固失效效應(yīng)機(jī)理，導(dǎo)致錨桿支護(hù)強(qiáng)度降低，錨桿起不到預(yù)期支護(hù)效果；所以在對應(yīng)力區(qū)圍巖進(jìn)行錨桿、錨索進(jìn)行支護(hù)前，必須針對圍巖受力情況，對不同技術(shù)參數(shù)的錨桿、錨索力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，然后合理選擇相匹配的支護(hù)體對變形圍巖進(jìn)行支護(hù)，這有這樣才能對變形圍巖進(jìn)行有效控制；本文以18105 回風(fēng)順槽為例，分析了巷道受力情況，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

王家?guī)X煤業(yè)是晉能集團(tuán)主力礦井，年生產(chǎn)能力超過400 萬t，埋深超過400 m，煤層厚度6~8 m，為高瓦斯礦井，采用綜采放頂煤開采。由于為解工作面決瓦斯抽放問題和采掘接續(xù)問題，工作面采用兩進(jìn)一回布置方式，其中一條巷道留下復(fù)用，作為下一工作面的回風(fēng)順槽。復(fù)用巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支護(hù)難度極大，自王家?guī)X煤業(yè)建礦以來一直是困擾礦井的生產(chǎn)技術(shù)難題，需要專門研究。本文主要從復(fù)用巷道錨桿支護(hù)材料合理化方面開展研究，包括支護(hù)材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室檢測，支護(hù)材料不足分析，提出王家?guī)X煤業(yè)支護(hù)材料改進(jìn)和引進(jìn)新型支護(hù)材料等具體措施。

1 18105 工作面復(fù)用巷道受力影響分析

18103 工作面與18105 工作面為鄰近工作面，在兩個工作面之間布置了18105 回風(fēng)順槽及18103運(yùn)輸順槽；18103 工作面回采中18105 回風(fēng)順槽作為輔助進(jìn)風(fēng)巷，18103 工作面回采結(jié)束后作為18105工作面回風(fēng)巷道，18103、18105 工作面回采過程中通過對18105 運(yùn)輸順槽圍巖變形情況觀察發(fā)現(xiàn)，圍巖變形及支護(hù)主要存在以下特點(diǎn)：

1）由于18105 運(yùn)輸順槽埋深大，巷道在開拓延伸中圍巖受力大，當(dāng)18103 工作面在回采中工作面前后50 m 范圍內(nèi)分別受同側(cè)回采應(yīng)力、采空區(qū)殘余應(yīng)力作用，導(dǎo)致巷道位于18103 工作面?zhèn)认飵推茐膰?yán)重，支護(hù)難度大。

2）當(dāng)18103 工作面回采后，18105 工作面在回采時18105 回風(fēng)順槽圍巖主要受工作面回采應(yīng)力，18103 采空區(qū)殘余應(yīng)力破壞作用，巷道在二次動壓作用下，圍巖壓力顯現(xiàn)明顯。

3）由于工作面回采煤層厚度大，巷道預(yù)留頂煤厚度達(dá)3.0 m，煤層賦層穩(wěn)定性差，在巷道在多重應(yīng)力作用下，頂煤穩(wěn)定性差，頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，局部出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，頂板錨桿、錨索支護(hù)效果差，難以對巷道頂板進(jìn)行有效控制維護(hù)。

2 原有錨桿支護(hù)材料力學(xué)性能檢測

2.1 錨桿及其配件力學(xué)性能檢測

1）錨桿及其附件主要包括錨桿桿體、螺母和錨桿托板。其力學(xué)性能檢測主要按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)室開展。王家?guī)X煤業(yè)采用直徑22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，對其力學(xué)性能進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如表1 所示。

表1 錨桿/錨索桿體拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)

2）從表1 可以看出錨桿其屈服強(qiáng)度沒有小于335 MPa 情況出現(xiàn)，說明錨桿材質(zhì)滿足要求。根據(jù)國標(biāo)MT 146.1—2002 的相關(guān)規(guī)定錨桿桿體應(yīng)優(yōu)先選用屈服強(qiáng)度大于335 MPa 螺紋鋼桿體，桿體的延伸率應(yīng)不小于15%。而錨桿桿體伸長率均大于32%，錨桿鋼材的延伸率滿足要求。

3）選取王家?guī)X煤業(yè)常用的錨桿托板，進(jìn)行承載力試驗(yàn)。托板規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm 的拱形托板，試驗(yàn)時把托盤擺放好后放置在試驗(yàn)機(jī)上準(zhǔn)備開始試驗(yàn)。啟動試驗(yàn)機(jī)直至試樣托盤被壓平，加載速率從0.2 kN/s 提升至1 kN/s，觀察托盤破壞形式，拍照、記錄，如圖1 所示。

圖1 錨桿托板承載力- 變形曲線

由圖1 可見，托板的承載能力在155 kN 到165 kN 之間（第一個拐點(diǎn)），托板的承載能力與直徑22 m的屈服強(qiáng)度335 MPa 錨桿不配套。錨桿托板還需要增加調(diào)心球墊和減摩墊片，不配套調(diào)心球墊和減摩墊片，預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化系數(shù)低，當(dāng)錨桿與巷道圍巖表面不垂直時，容易被托板口卡住，錨桿受復(fù)合應(yīng)力嚴(yán)重，導(dǎo)致錨桿不能充分發(fā)揮原有的支護(hù)作用。

2.2 錨索及其配件力學(xué)性能檢測

1）錨索及其配件包括錨索索體、鎖具和錨索托板，索體力學(xué)性能測試采用方法同錨桿。王家?guī)X煤業(yè)原采用1×7 股直徑21.6 mm 錨索，其力學(xué)性能和變形參數(shù)如表2 所示。從表2 可知，其力學(xué)性能和延伸率符合規(guī)范要求。

表2 錨索試件拉伸變形參數(shù)

2）鎖具承載力系數(shù)試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)鎖具強(qiáng)度與錨索抗拉強(qiáng)度是否匹配，鎖具與錨索組合抗拉時的各參數(shù)是否滿足國標(biāo)要求。鎖具的靜載錨固性能同時滿足效率系數(shù)大于0.95，鎖具、索體組合構(gòu)件達(dá)到極限拉力時的總應(yīng)變大于2.0%的要求，錨索鎖具滿足錨索承載力的要求。

3）18105 回風(fēng)順槽原有錨索托板為方形平托版，無法進(jìn)行承載力試驗(yàn)，從井下使用變形情況來看，平托板極易翻蓋變形，喪失承載力，降低支護(hù)效果。

2.3 試驗(yàn)總結(jié)分析

分析錨桿支護(hù)材料測試結(jié)果，結(jié)合井下實(shí)際應(yīng)用情況，18105 回風(fēng)順槽原有支護(hù)材料主要存在以下不足：

1）錨桿桿體和螺母能滿足要求，但錨桿托板需要改進(jìn)，需要提高承載力；托板球窩需要改進(jìn)，增加調(diào)心球墊和減摩墊圈，改善桿尾受力狀態(tài)，提高錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化效率。

2）錨索托板同樣需要改進(jìn)，改用拱形托板，使托板承載力與錨索相匹配，增加調(diào)心球墊。

3 18105 回風(fēng)順槽支護(hù)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 支護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)

1）金屬錨桿保持為直徑22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，改變托板結(jié)構(gòu)，規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm，厚度不小于8 mm，托板高度不小于34 mm，承載力與桿體匹配；添加調(diào)心球墊和減摩墊圈。

2）錨索多樣化，頂錨索采用1×19 股直徑21.8 mm錨索，幫錨索采用1×7 股直徑17.8 mm 錨索，動壓巷道加固采用1×19 股直徑28.6 mm 大錨索；棄用錨索平托版，改用拱形方托板，長寬尺寸為300 mm×300 mm，厚度分別為12、14、20 mm，托板高度分別不小于58、60、64 mm；添加調(diào)心球墊。

3）為減少巷道頂煤的破壞，錨桿組合構(gòu)件仍采用鋼筋托梁，錨索組合構(gòu)件采用W 鋼帶，與W 鋼帶配套使用的錨索采用W 形錨索托板。

4）二次動壓巷道兩幫均采用金屬錨桿，不用玻璃鋼錨桿；埋深超過450 m 的靜壓順槽回采幫同樣采用金屬錨桿，不用玻璃鋼錨桿，減少錨桿破斷現(xiàn)象。

3.2 應(yīng)用效果分析

截止2019 年2 月14 日18103 工作面已回采到位，18105 輔助運(yùn)輸順槽正掘進(jìn)施工階段，為了降低巷道二次動壓影響，決定對18105 輔助運(yùn)輸順槽支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，通過后期工作面回采對比分析發(fā)現(xiàn),18105 輔助運(yùn)輸順槽與18105 回風(fēng)順槽相比，18105、18104 工作面在回采中對18108 輔助運(yùn)輸順槽影響小，控制了二次動壓對巷道圍巖變形影響，頂板最大下沉量控制在0.12 m，兩幫最大移進(jìn)量控制在0.35 m 以下，未發(fā)生大面積頂板破碎、煤壁片幫現(xiàn)象，保證了回采巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

根據(jù)18105 回風(fēng)順槽二次動壓影響情況，通過采用力學(xué)性能測試對動壓巷道圍巖支護(hù)可靠性進(jìn)行分析，并在原有支護(hù)材料不足以及現(xiàn)有的地質(zhì)生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，對支護(hù)材料進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)后的支護(hù)材料，在受動壓影響的18105 輔運(yùn)順槽進(jìn)行推廣使用，實(shí)踐證明，改進(jìn)后的支護(hù)材料，大幅改善支護(hù)支護(hù)效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)。