牟 超

（晉能集團(tuán)有限公司人力資源部，山西太原 030000）

0 引 言

在煤礦井下巷道開掘過程中，巷道支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)選擇是否科學(xué)合理對巷道的支護(hù)安全和快速掘進(jìn)起著至關(guān)重要的作用。如果設(shè)計(jì)選擇不合理，若支護(hù)強(qiáng)度過高，會造成巷道掘進(jìn)成本增加，而且會降低巷道掘進(jìn)速度，影響礦井正常采掘接續(xù)。反之，若支護(hù)強(qiáng)度過低，將會造成巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破壞變形，嚴(yán)重時可能造成巷道大面積冒落，引發(fā)頂板事故[1-2]。本文針對隆安煤礦原掘進(jìn)工作面錨桿（索）支護(hù)方式中存在的問題，通過模擬試驗(yàn)和對比分析后，對原支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得較好的支護(hù)效果。

1 工作面概況

泰山隆安煤礦11305 回風(fēng)順槽位于該礦11 采區(qū)，北部為11 采區(qū)3 條大巷，南部為已回采工作面采空區(qū)，東部為未開拓區(qū)域，西部為本工作面實(shí)體煤區(qū)域。工作面地面標(biāo)高1 014～1 108m，井下標(biāo)高-90～-170m。11305 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)走向長1 118m，斷面為矩形，巷道凈高2.6m，凈寬4.5m，沿11 號下組煤層頂板掘進(jìn)，煤層厚1.61m。巷道煤層頂?shù)装迩闆r見圖1。

圖1 11305 回風(fēng)順槽煤層頂?shù)装逯鶢顖D

2 礦井原巷道支護(hù)方式及存在的問題

2.1 原巷道支護(hù)方式

原11301 回風(fēng)順槽地質(zhì)條件與11305 回風(fēng)順槽極為相似，以此巷道支護(hù)情況對比分析。原巷道頂部采用φ20 mm×2 200 mm 圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距為900 mm×1 000 mm，中間4 根錨桿與頂板呈90°夾角，兩邊角錨桿與巷道頂板垂直方向夾角為75°，每孔裝一節(jié)CK2360 型樹脂錨固劑。托盤采用尺寸為150 mm（長）×150 mm（寬）×8 mm（厚）的方形高強(qiáng)度鋼板制成，錨桿的扭矩值不低于100 N·m。

錨索采用φ15.24 mm×7 000 mm 鋼絞線，呈“3-3”布置，間排距為1 600 mm×2 000 mm。每個錨索孔采用1 節(jié)CK2360 型樹脂錨固劑和2 節(jié)K2360型樹脂錨固劑錨固，托盤規(guī)格為300mm×300mm×14mm，錨索預(yù)緊力不低于100 kN（支護(hù)方式見圖2）。

圖2 原11301 回風(fēng)順槽巷道錨網(wǎng)支護(hù)示意圖

非回采巷道幫部采用1 根φ16 mm×1 200 mm圓鋼錨桿支護(hù)，預(yù)緊力矩不小于80 N·m；回采側(cè)巷道幫部采用1 根φ20mm×2 200 mm 玻璃鋼錨桿支護(hù)。

2.2 支護(hù)存在問題

2.2.1 支護(hù)材料方面

1）頂板錨桿。頂板支護(hù)采用的φ20 mm×2 200 mm 圓鋼錨桿，承載能力為119.4 kN，φ18 mm 的螺紋鋼錨桿承載能力124.7 kN，兩者承載能力基本相同，但φ18 mm 的螺紋鋼錨桿施工起來更方便。螺紋鋼錨桿較圓鋼錨桿攪拌錨固劑更充分，錨固效果更好，能夠較好的實(shí)施加長錨固，對圍巖的控制效果更好。

2）錨桿托盤。采用高強(qiáng)度鋼板制成的長×寬×厚=150 mm×150 mm×8 mm 的方形帶拱托盤主要存在的弊端是托盤承載能力與φ20 mm 的圓鋼錨桿強(qiáng)度不匹配，調(diào)心球墊和減摩墊片不配套，從而降低錨桿支護(hù)效果。

3） 錨索托盤。錨索支護(hù)采用的 300 mm×300mm×14 mm 方形錨索平托盤主要存在的弊端是承載力差，托盤孔小與調(diào)心球墊不配套，當(dāng)錨索與頂板不垂直施工時，托盤與錨索容易形成剪切力造成錨索切斷。

2.2.2 技術(shù)參數(shù)方面

巷道頂部角錨桿與頂板鉛錘線有10°~15°夾角，造成頂板角錨桿與中間的錨桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場不能形成一個整體性，破壞錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性，降低了錨桿支護(hù)強(qiáng)度[3]。

3 錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）錨桿角度設(shè)計(jì)。巷道頂部兩邊角錨桿布置的角度對巷道頂板圍巖應(yīng)力場分布有著重要影響[4]，圖3為模擬試驗(yàn)的頂板角錨桿施工角度不同時附加應(yīng)力場變化情況。當(dāng)角錨桿與巷道頂板夾角呈90°布置時，它與中部錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)形成連接疊加區(qū)域，錨桿支護(hù)效果最好。隨著角錨桿布置角度的增大，角錨桿與巷道頂板中部錨桿之間產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)逐漸分割開，疊加連接范圍逐漸減小。當(dāng)頂板角錨桿打設(shè)的角度增大到15°, 有效壓應(yīng)力區(qū)基本分割開。當(dāng)繼續(xù)增大布置角度時，2 個錨桿形成的應(yīng)力區(qū)完全分割開成為獨(dú)立的支護(hù)單元。所以，在掘進(jìn)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)中，為保證支護(hù)效果，頂板角錨桿與鉛垂線的夾角應(yīng)小于10°。

圖3 錨桿在不同角度布置情況下形成的壓應(yīng)力區(qū)變化分布圖

2）頂板錨桿布置間距設(shè)計(jì)。為了解在11305 回風(fēng)順槽地質(zhì)條件下，錨桿布置間距不同時產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場變化分布情況，為錨桿間距參數(shù)的選擇提供依據(jù)。試驗(yàn)?zāi)M了在預(yù)緊力為30 kN，頂板錨桿按間距1 000、1 100、1 200 mm 布置時錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)的分布變化情況，如圖4 所示。

圖4 頂板錨桿不同間距布置下壓應(yīng)力區(qū)分布情況

從圖4 中可以看出：①錨桿布置間距分別為1 000、1 100 mm 時，同一排錨桿預(yù)緊力均在頂板形成了一定厚度的壓應(yīng)力區(qū)域和厚度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)；②當(dāng)錨桿間距逐漸增大，錨桿預(yù)緊力在頂板圍巖中形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸分離，當(dāng)錨桿布置間距達(dá)到1 200 mm 時，錨桿尾部形成的壓應(yīng)力較大的區(qū)域已經(jīng)完全分離，此時巷道頂板圍巖不能形成一個連續(xù)整體的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，巷道圍巖穩(wěn)定性難以保持。

綜上，在錨桿預(yù)緊力30 kN 的條件下，頂板錨桿間距最大為1 100 mm，如果再增加錨桿間距，則錨桿預(yù)緊力形成的壓應(yīng)力區(qū)難以在巷道頂板形成一個統(tǒng)一的整體。11305 回風(fēng)順槽寬度4.5 m，巷道頂板至少要有4 根錨桿，間距為1 100 mm，此時在巷道頂板能夠形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，保持巷道穩(wěn)定。

3）頂板錨桿排距設(shè)計(jì)。為了解在11305 回風(fēng)順槽地質(zhì)條件下，錨桿布置排距不同時預(yù)應(yīng)力場分布情況，為錨桿排距參數(shù)的選擇提供依據(jù)。試驗(yàn)?zāi)M了在預(yù)緊力為30 kN，頂板錨桿按排距1 000、1 100 mm、1 200 mm 布置時錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)的分布變化情況，如圖5 所示。

圖5 不同排距下頂錨桿壓應(yīng)力區(qū)變化分布情況

由圖5 可以看出：①頂板錨桿布置排距分別為1 000、1 100 mm 時，錨桿預(yù)緊力在頂板沿巷道軸向形成了一定厚度的壓應(yīng)力區(qū)域和預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，有利于巷道保持穩(wěn)定；②錨桿排距逐漸增大時，錨桿預(yù)緊力在頂板圍巖中形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸分離，當(dāng)錨桿排距為1200 mm 時，錨桿尾部形成的壓應(yīng)力較大的區(qū)域已經(jīng)分離，中部形成的壓應(yīng)力區(qū)也開始分離，不能形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，對巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成較大影響。

綜上，錨桿預(yù)緊力30 kN 時，排距最大1 100mm，若繼續(xù)增大排距，不能形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，巷道頂板難以保持穩(wěn)定。

以上對錨桿支護(hù)參數(shù)的模擬試驗(yàn)分析也同樣適用于錨索支護(hù)參數(shù)選擇，在此不再逐一分析。

4 11305 回風(fēng)順槽支護(hù)方案

結(jié)合上述綜合分析結(jié)果，11305 回風(fēng)順槽掘進(jìn)時支護(hù)設(shè)計(jì)為：

1）巷道頂部錨桿索布置設(shè)計(jì)。頂部錨桿：采用φ18 mm×2 400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距布置為1 100 mm×1 100 mm。錨桿托盤選取方形帶拱托盤，尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，采用不低于Q235 鋼材加工，選取配套的1010 尼龍墊圈和調(diào)心球墊，每根錨桿孔內(nèi)裝填1 支CK2360 型樹脂藥卷加長錨固。錨桿預(yù)緊扭矩值為200～400 N·m。錨桿全部垂直巷道頂板布置，誤差不超過±5°。

頂部錨索：錨索采用φ17.8 mm×5 300 mm 鋼絞線，按照“2-1”方式布置，錨索排距為2 200 mm，每根錨索采用2 支K2360 型樹脂藥卷，1 支CK2360 型樹脂藥卷進(jìn)行錨固。

錨索托板采用方形帶拱錨索托板，尺寸大小為300 mm×300 mm×14 mm，配套調(diào)心球墊。與巷道頂板呈90°夾角布置，錨索預(yù)緊力不低于200 kN。

2）非回采側(cè)巷道幫部錨桿布置設(shè)計(jì)。采用φ16 mm×1 200 mm 圓鋼錨桿，每根錨桿孔裝填1 支K2360 型樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固。托盤選取方形帶拱托盤，尺寸150 mm×150 mm×8 mm，采用不低于Q235 鋼材加工，選取配套的1010 尼龍墊圈和調(diào)心球墊，錨桿預(yù)緊扭矩不低于80 N·m。錨桿垂直幫部安裝。

3） 工作面回采側(cè)幫部錨桿布置設(shè)計(jì)。采用φ20mm×2 200 mm 玻璃鋼錨桿，每根錨桿孔裝填1支K2360 型低粘度樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固，預(yù)緊力扭矩不低于40 N·m，錨桿與巷道幫部呈90°夾角布置。（具體支護(hù)設(shè)計(jì)如圖6 所示）

圖6 11305 回風(fēng)順槽巷道錨網(wǎng)索支護(hù)示意圖

5 應(yīng)用效果分析

圖7 11305 回風(fēng)順槽巷道圍巖變化曲線圖

為了檢驗(yàn)新支護(hù)方案是否達(dá)到巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，在11305 回風(fēng)順槽施工后采用“十字”觀測法對巷道圍巖變形情況進(jìn)行了為期60d 的現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測采集，根據(jù)監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)，繪制出巷道圍巖變化特征曲線，如圖7 所示。

通過分析圖7 可知：巷道在0～20 d 內(nèi)圍巖變形量較大，在20 d 后，巷道頂?shù)装逡平繛?1mm，兩幫位移量為43 mm；隨著時間的增長，巷道圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，支護(hù)后20～58 d 范圍內(nèi),圍巖基本不出現(xiàn)變形，基于此可知圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道最終的頂?shù)装遄畲笠平繛?7 mm，幫部最大位移量為46 mm，巷道頂部和幫部圍巖變形得到有效控制。采用原支護(hù)方式掘進(jìn)時，日掘進(jìn)進(jìn)尺平均為4 m，改用優(yōu)化后的支護(hù)方式后，日掘進(jìn)進(jìn)尺平均達(dá)到5 m，比原支護(hù)方式多1m。

6 結(jié) 論

針對隆安煤礦原巷道掘進(jìn)支護(hù)方式中存在的問題，通過模擬試驗(yàn)對比分析，對原巷道錨網(wǎng)索支護(hù)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明，新的支護(hù)方案不僅能夠有效控制巷道圍巖變形，達(dá)到巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，而且大大降低了掘進(jìn)成本，平均每米巷道降低掘進(jìn)支護(hù)成本182.71 元，同時提高了巷道掘進(jìn)效率，掘進(jìn)進(jìn)尺平均每天比原方案增加1m。該方案的成功應(yīng)用為今后礦井在掘進(jìn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中提供了參考，具有較大的推廣應(yīng)用價值。