薛 強

(山西潞安工程有限公司，山西 長治 046031)

為了提高巷道掘進速度，降低巷道支護成本，在確保巷道支護穩(wěn)定、生產(chǎn)安全的前提下，根據(jù)煤層所賦地質(zhì)條件、已有支護條件、巷道功能等對巷道支護進行分段優(yōu)化設(shè)計，是目前巷道支護領(lǐng)域研究的一個重要課題。根據(jù)本文所選研究對象，某礦15203工作面數(shù)值模擬結(jié)果分析，在煤柱寬度確定的情況下，影響巷道支護效果的因素主要為煤層埋深和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。其中，煤層埋深越大，巷道圍巖變形越大，所需的巷道支護強度就越大；構(gòu)造應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)與巷道圍巖的變形量呈正比，因此需加大該區(qū)域的支護強度。

1 工作面概況

15203工作面位于某礦二采區(qū)東部，主采太原組15號煤層，煤層均厚4.4 m，煤層傾角2～8°，工作面標高938～944 m，對應(yīng)地面標高1 078～1 181 m，工作面煤層埋深100～300 m。工作面東西巷道沿煤層頂板掘進，根據(jù)相鄰工作面采掘過程中地質(zhì)構(gòu)造揭露情況推測，在掘進過程中可能會揭露F18和F12斷層延伸段，除此之外，工作面可能還存在其他陷落柱、小斷層等隱伏地質(zhì)構(gòu)造以及其他異常情況。根據(jù)已有資料論證及15203工作面數(shù)值模擬分析得出：①工作面留設(shè)煤柱寬度確定為15 m；②決定以巷道埋深為基礎(chǔ)對工作面進行分段支護設(shè)計，本文選擇了埋深為100～200 m、200～300 m兩個巷道支護分段；③除此之外，在巷道掘進過程中可能遇見地質(zhì)構(gòu)造等異常情況，應(yīng)當加強巷道支護強度或進行補強支護。

2 錨桿支護參數(shù)對預(yù)應(yīng)力場的影響

錨桿支護參數(shù)主要包括錨桿預(yù)緊力、錨桿長度、錨桿間排距、打設(shè)錨桿角度、錨固方式等，錨桿支護參數(shù)的正確選擇，對巷道圍巖的穩(wěn)定性，降低巷道支護成本以及提高巷道掘進速度等具有重要意義。

1) 預(yù)緊力是錨桿支護體系中起到主動應(yīng)力支護的關(guān)鍵參數(shù)，對錨桿支護體系的穩(wěn)定性和作用力起著決定性的作用。隨著錨桿預(yù)緊力的不斷增加，形成了預(yù)應(yīng)力場值會不斷增加，錨桿預(yù)緊力的擴散作用愈發(fā)明顯，不同錨桿間所形成的應(yīng)力場相互疊加覆蓋，作用力范圍不斷擴散，逐漸形成對巷道頂板有效的支護結(jié)構(gòu)。

2) 錨桿長度對預(yù)應(yīng)力場的影響。隨著錨桿長度的增加，預(yù)應(yīng)力場中壓實力區(qū)的范圍和厚度也隨之增大，但上部壓實力區(qū)應(yīng)力作用降低，相鄰錨桿間形成的中部圍巖應(yīng)力作用減小。而在預(yù)應(yīng)力作用不變的條件下，錨桿越長，這種現(xiàn)象會越明顯，但在此情況下可以通過提高預(yù)緊力來增強錨桿應(yīng)力作用的擴散范圍。

3) 錨桿的間排距對預(yù)應(yīng)力場的影響。間排距越小，錨桿支護形成的應(yīng)力場疊加區(qū)域越大，雖然形成了巷道空間上的支護結(jié)構(gòu)，但限制了錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散，錨桿支護的實際作用不能充分發(fā)揮。所以，應(yīng)當選擇合理的錨桿間排距，使錨桿支護作用充分發(fā)揮。

4) 錨桿角度對應(yīng)力場的分布具有重要影響，隨著錨桿打設(shè)角度的逐漸增大，錨桿間的應(yīng)力場疊加區(qū)域會不斷減少，相互之間產(chǎn)生的應(yīng)力作用會逐漸降低直至孤立，不能有效形成整體支護結(jié)構(gòu)。

5) 不同錨固方式對預(yù)應(yīng)力場的分布具有不同影響。全長錨固時錨桿的預(yù)應(yīng)力作用范圍和有效預(yù)應(yīng)力的厚度較小，且產(chǎn)生應(yīng)力集中。 端頭錨固雖然能夠形成較厚的有效壓實力區(qū)，但錨桿中部壓實力較小。加長錨固兼?zhèn)淞松鲜鰞煞N錨固方式的特點，在借助不同固話速度的錨固劑搭配作用，可以形成有效的支護結(jié)構(gòu)。

3 不同應(yīng)力段巷道支護方案設(shè)計

本文中以15203工作面西巷道為工程背景進行支護方案設(shè)計，該巷道設(shè)計斷面為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，巷道斷面設(shè)計為5.0 m×4.0 m，采用錨網(wǎng)支護。通過錨桿支護參數(shù)理論計算，并根據(jù)現(xiàn)場施工條件及現(xiàn)有支護材料，得出巷道頂板錨桿直徑取值為20 mm，錨桿長度取值2.4 m，錨桿間排距均為1.1 m，錨固劑選取樹脂錨固劑MSK2335和MSZ2360各一支，錨固劑總長度0.95 m，錨索長度為6.3 m，錨索排距2.2 m，所需錨索用錨固劑長度為1.43 m，選取一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑。

3.1 200～300 m埋深段錨桿支護設(shè)計

1) 頂板支護，見圖1。錨桿采用采用MSGLW-400鋼材，桿體為D20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M22 mm。錨桿支護設(shè)計每排5根錨桿，錨桿排距1 100 mm，錨桿間距1 100 mm，距頂角300 mm布置，錨桿全部垂直頂板打設(shè)(考慮到施工需要，允許5°誤差)。錨桿預(yù)緊力矩選擇范圍300～400 N·m，錨桿安裝完畢后半小時內(nèi)預(yù)緊結(jié)束。樹脂加長錨固，鉆孔直徑D28 mm，理論錨固長度1 311 mm，錨固力不低于125 kN。150 mm×150 mm×10 mm的高強度拱形托盤，配套使用調(diào)心球墊和尼龍墊片。錨索排距2 200 mm，隔排打設(shè)2根錨索，間距2 200 mm，距頂角1 400 mm，錨索直徑17.8 mm，長度6 300 mm，300 mm×300 mm×14 mm的高強度拱形托盤，配套使用調(diào)心球墊，要求托盤承載力大于355 kN。錨索錨固鉆孔直徑為28 mm，理論錨固長度1 755 mm，預(yù)緊力鎖定損失后不小于200 kN。頂板采用12號菱形鐵絲網(wǎng)進行護表，規(guī)格尺寸5 100 mm×1 300 mm，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，鋪網(wǎng)時應(yīng)拉緊壓實，搭接長度為100 mm，搭接處用16號雙股鐵絲以三花扣方式搭接，聯(lián)點間距≤200 mm。

2) 巷幫支護，見圖1。錨桿采用MSGLW-400鋼材，桿體為D20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度1 800 mm，桿尾螺紋為M22。錨桿布置采用錨桿排距1 100 mm，每排4根錨桿，錨桿間距1 100 mm，底部錨桿距底角400 mm，頂部錨桿距頂角300 mm，錨桿全部垂直巷幫打設(shè)(考慮到施工需要，允許5°誤差)。錨桿預(yù)緊力矩選擇范圍300～400 N·m，錨固方式采用樹脂加長錨固，鉆孔直徑D28 mm，理論錨固長度為826 mm，錨固力不小于125 kN。錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm的高強度拱形托盤，配套使用調(diào)心球墊和尼龍墊片。護表構(gòu)件規(guī)格尺寸3 300 m×1 300 m，其他參數(shù)同上。

圖1 200～300 m埋深段錨桿錨索支護示意(mm)

3.2 100～200 m埋深段錨桿支護設(shè)計

該段埋深較淺，巷道圍巖應(yīng)力作用較小，可以適當弱化支護強度，具體錨(索)網(wǎng)支護參數(shù)，見圖2。

1) 頂板支護。錨桿采用MSGLW-400鋼材，桿體為D20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M22 mm。錨桿布置采用每排5根錨桿，錨桿排距1 200 mm，錨桿間距1 200 mm，距頂角100 mm布置，錨桿全部垂直頂板打設(shè)(考慮到施工需要，允許5°誤差)，錨桿預(yù)緊力矩選擇范圍300～400 N·m，錨固方式選擇樹脂加長錨固，鉆孔直徑D28 mm，理論錨固長度1 311 mm，錨固力不低于125 kN。錨桿托盤150 mm×150 mm×10 mm的高強度拱形托盤，配套使用調(diào)心球墊和尼龍墊片。錨索布置選擇錨索排距2 400 mm，沿巷道中央隔排打設(shè)1根錨索，錨索直徑17.8 mm，長度6 300 mm，錨索托盤采用300 mm×300 mm×14 mm的高強度拱形托盤，配套使用調(diào)心球墊，要求托盤承載力大于355 kN，錨索錨固方式采用樹脂端頭錨固，采用三支錨固劑，一支MSK2335，兩支MSZ2360，鉆孔直徑為28 mm，理論錨固長度1 755 mm，預(yù)緊力鎖定損失后不小于200 kN。

2) 巷幫支護。錨桿采用MSGLW-400鋼材，桿體為D20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度1 800 mm，桿尾螺紋為M22。錨桿布置為錨桿排距1 200 mm，每排4根錨桿，錨桿間距1 100 mm，底部錨桿距底角400 mm，頂部錨桿距頂角300 mm，錨桿全部垂直巷幫打設(shè)(考慮到施工需要，允許5°誤差)，錨桿預(yù)緊力矩選擇范圍300～400 N·m，錨固方式采用樹脂加長錨固，采用一支樹脂錨固劑，規(guī)格為MSZ2360。鉆孔直徑D28 mm，理論錨固長度為826 mm，錨固力不小于125 kN。錨桿托盤規(guī)格：150 mm×150 mm×10 mm的高強度拱形托盤，配套使用調(diào)心球墊和尼龍墊片。

圖2 100～200 m埋深段錨桿錨索支護示意(mm)

3.3 地質(zhì)異常段巷道支護設(shè)計

在現(xiàn)場施工過程中，若遇巷道頂板破碎、局部存在黃泥裂隙等地質(zhì)異常區(qū)域，巷道頂板錨桿及錨索均無法有效錨固，則需采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚支護方式對巷道圍巖進行加強支護，棚距正常取值800 mm。對冒頂、過空、頂板壓力顯現(xiàn)地段可縮小棚距或采用排架密集支護，見圖3。

1) 巷道架棚支護參數(shù)。采用梯形斷面，沿15號煤層頂板掘進，上掘?qū)挒?.90 m，下掘?qū)挒?.90 m，掘高為4.10 m，斷面為22.14 m2，上凈寬為4.46 m，下凈寬為5.57 m，凈高為3.91 m，斷面為19.61 m2。梯形棚頂梁長4 806 mm，棚腿長4 200 mm，在頂梁與棚腿搭接處焊接擋塊，梯形棚采用12號工字鋼，棚距800 mm。巷道兩幫采用木背板背實，背板長900 mm、寬100 cm、厚50 m，平鋪在工字鋼梁上。棚架聯(lián)鎖采用采用D20 mm的圓鋼制作的拉桿，拉桿兩端呈90°彎曲50 mm，對棚架進行連鎖，使棚架形成一體。

2) 巷道錨網(wǎng)索支護參數(shù)。頂板錨桿采用D20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，鉆孔深度2 350 mm；錨桿間排距為1 100 mm×800 mm，每排5根錨桿，錨索采用“二二”布置，錨索規(guī)格：桿體為D17.8 mm的7股鋼絞線，長度6 300 mm，鉆孔深度6 100 mm，間排距為2 200 mm×600 mm。

圖3 地質(zhì)異常段錨網(wǎng)索+工字鋼棚支護示意(mm)

4 結(jié) 語

為了保證巷道支護強度以及巷道圍巖的穩(wěn)定性，施工前應(yīng)當對錨桿錨固力進行抽檢，發(fā)現(xiàn)不合格錨桿，應(yīng)當進行錨桿補打。在施工過程中應(yīng)當嚴格按照設(shè)計要求，保證施工質(zhì)量，定期進行巷道內(nèi)錨桿錨固力拉拔試驗，如發(fā)現(xiàn)錨桿實際錨固力與設(shè)計相差較大，必須調(diào)整錨固參數(shù)。在掘進過程中形成的巷幫超寬或片幫超寬情況，應(yīng)及時補打單體錨桿+W鋼護板進行補強，遇見巷道地質(zhì)條件發(fā)生變化，應(yīng)當根據(jù)實際情況調(diào)整支護參數(shù)。除此之外，應(yīng)當加強錨桿索受力及巷道圍巖變化的動態(tài)監(jiān)測，保證巷道的安全穩(wěn)定。