張亞軍

（晉能控股煤業(yè)公司挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038000）

引言

煤礦井下頂板事故是煤礦安全生產(chǎn)中七大主要災(zāi)害之一，其一旦發(fā)生安全事故，輕則制約著煤礦開采效率，重則會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。有效的頂板支護(hù)是煤礦頂板管理的重要手段，因此如何通過優(yōu)化頂板支護(hù)加強(qiáng)掘進(jìn)工作面頂板管理，預(yù)防頂板事故的發(fā)生具有重要實(shí)踐意義。

1 81505 工作面工程概況

山西某煤礦位于山西省朔州市懷仁縣云中鎮(zhèn)，兼并重組后設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 萬t/年，主要開采5 號(hào)煤層，開采水平為+1 062 m。81505 工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度1 488 m，煤層厚度為11.99～14.36 m，平均煤層厚度12.73 m，煤層傾角3°～5°，平均傾角4°。煤層直接頂為粉砂巖，平均厚度2.71 m，3.6≥硬度，f≥3；煤層老頂為中粗砂巖，平均厚度9.61 m，3.0≥硬度，f≥1.3。礦井正常涌水量為4.9 m3/h，最大涌水量為19.5 m3/h。巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4 500 mm×3 500 mm，掘進(jìn)斷面積15.75 m2[1-2]。

2 巷道支護(hù)技術(shù)方案分析

該煤礦以往同類型的綜采工作面采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)+錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，頂板出現(xiàn)大面積失穩(wěn)現(xiàn)象，必須進(jìn)行二次維護(hù)，巷道維護(hù)成本非常高。

2.1 支護(hù)方式的優(yōu)化

對(duì)于81505 工作面運(yùn)輸巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用錨噴+鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)，噴厚T=70 mm。頂部采用Φ20 mm×2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm、1 000 mm。每根錨桿充填1 節(jié)MSCK2335 型樹脂藥卷和1 節(jié)MSZ2360 型樹脂藥卷，錨固長度為950 mm，錨固力不應(yīng)小于50 kN，擰緊扭矩不小于200 N·m。托盤為蝶形托盤，規(guī)格為長×寬×厚=150 mm×150 mm×12 mm；鋼帶采用Φ16 mm 圓鋼焊制，與頂部錨桿同排布置，鋼帶長度為6 300 mm。頂部鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，采用Φ6.5 mm 鋼筋焊接，網(wǎng)目規(guī)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格1 000 mm×5 700 mm。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 000 mm，每根錨索充填1 節(jié)MSK2360 型樹脂藥卷和1 節(jié)MSZ2360 型樹脂藥卷，錨固長度為1 550 mm，錨索間排距均為2 000 mm、2 000 mm，錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm 錳鋼托板，錨固力不小于100 kN。噴混凝土及鋪底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，噴漿厚度T1=70 mm，地坪厚度T2=200 mm。

2.2 支護(hù)參數(shù)計(jì)算、校核

根據(jù)81505 工作面運(yùn)輸順槽頂板巖層特征：直接頂為2.71 m 厚粉砂巖，老頂為9.61 m 厚中粗粒砂巖。按照懸吊理論計(jì)算校驗(yàn)錨桿支護(hù)參數(shù)。

2.2.1 頂錨桿長度驗(yàn)算

頂桿通過懸吊作用達(dá)到支護(hù)效果的條件，應(yīng)滿足如下公式：

式中：L 為錨桿長度，m；H 為軟弱巖層厚度或冒落拱高度，m；k 為錨桿安全系數(shù)，取2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，取0.081 m。

軟弱巖層厚度是根據(jù)地質(zhì)資料、實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)；冒落拱高度是按下式估算：

式中：B 為巷道開挖寬度，取5.14 m；f 為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，本規(guī)程取3。

計(jì)算可得：H=5.14/6=0.86m；L=2×0.86+0.5+0.081=2.29 m。

通過以上計(jì)算及設(shè)計(jì)要求，使用2 500 mm 長左旋螺紋鋼錨桿可以滿足頂部錨桿懸吊要求。

2.2.2 頂錨桿間、排距驗(yàn)算

每根錨桿懸吊巖石重量G=γHa2，錨桿錨固力Q應(yīng)能承擔(dān)G 的質(zhì)量，為安全起見，再考慮安全系數(shù)k，取k=2。錨桿間距為：

式中：a 為錨桿的間、排距，m；Q 為錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，本規(guī)程中取50 kN；γ 為被懸吊巖石的重力密度，本工作面取20 kN/m3；H 為軟弱巖層厚度或冒落拱高度，取0.86 m；k 為安全系數(shù)，取2。

根據(jù)式（3）計(jì)算得：a＜[50/（2×20×0.86112]1/2=1.21 m。

因此，a＜1.21 m，因此錨桿間、排距800 mm、1 000 m 能滿足要求。

通過以上計(jì)算得出，錨桿永久支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)均能夠滿足安全要求。

2.2.3 錨索長度計(jì)算錨索直徑按17.8 mm 計(jì)算：式中：L 為錨索長度，m；La為錨索錨入較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取2.1 m；Lb為需要懸掛的不穩(wěn)定巖層厚度，取2.71 m；Lc為上托盤及錨具的厚度，取0.1 m；Ld為錨索外露長度，取0.2 m。

將數(shù)值代入式（4）得L=5.11 m。

根據(jù)GBJ 213—1990 要求，錨索錨固長度La按式（5）確定：

式中：K 為錨索安全系數(shù)，取2；d1為錨索鋼絞線直徑，取17.8 mm；fa為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，取1 770 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的黏合強(qiáng)度，取10 N/mm2。

通過計(jì)算可知長度La≥1 575 mm，所以施工時(shí)選取Φ 17.8 mm×8 000 mm 的錨索可以滿足支護(hù)要求。

3 巷道支護(hù)施工過程存在的問題及優(yōu)化

3.1 巷道支護(hù)施工過程存在的問題

81505 工作面運(yùn)輸巷1 700～2 200 m 范圍內(nèi)由于頂板淋水較大，直接頂平均厚度為2.71 m 粉砂巖，一旦遇水就非常容易膨脹松軟，從2020 年7—12 月，在該巷道松軟段480 m 的范圍內(nèi)發(fā)生了多處頂網(wǎng)掉包撕裂現(xiàn)象，（頂網(wǎng)掉包最大位置處的長×深=1 200 mm×220 mm），頂錨桿累計(jì)被拔斷達(dá)115 根之多[3]。根據(jù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)被拔斷的錨桿可以發(fā)現(xiàn)，被拔斷的錨桿斷裂面都在螺母與托盤交接處，但是錨索基本無變化。

3.2 原因分析

井下工作人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)掉包撕裂和頂錨桿被拔斷現(xiàn)象分析可知，其發(fā)生原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員頂板未嚴(yán)格執(zhí)行使用力矩板手二次緊固錨桿作業(yè)流程。當(dāng)鉆孔中樹脂錨固劑凝固后，利用MYT-150 液壓錨桿鉆機(jī)進(jìn)行初次預(yù)緊，二次人工預(yù)緊時(shí)存在怕麻煩心理，導(dǎo)致部分錨桿預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，頂部支護(hù)存在等壓現(xiàn)象。

2）錨桿孔施工角度、錨桿安裝角度不合適，錨桿施工中三徑（鉆孔直徑、錨桿直徑、樹脂藥卷直徑）不匹配，錨固效果不佳，增加了當(dāng)圍巖發(fā)生變化時(shí)，桿體徑向應(yīng)力增大發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3）錨桿支護(hù)構(gòu)件未按標(biāo)準(zhǔn)使用?，F(xiàn)場(chǎng)只使用了蝶形托盤+螺母，未配套使用球形墊圈等，由于托盤與螺母接觸面受力不均，桿體無法克服彈性變形，導(dǎo)致桿體徑向受力，不能保證螺母與托盤緊密接觸，由于桿體的抗剪切強(qiáng)度較小，桿體最終在螺母與托盤的結(jié)合面處發(fā)生斷裂。

4）巷道噴漿封閉不及時(shí)，造成錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼帶等金屬材料受淋水腐蝕、氧化嚴(yán)重，支護(hù)材料性能降低。

3.3 優(yōu)化方案

1）加強(qiáng)錨桿預(yù)緊力管理。提高員工安全責(zé)任意識(shí)，每班安排專人對(duì)錨桿逐根進(jìn)行二次預(yù)緊，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)錨桿預(yù)緊力進(jìn)行檢測(cè)，充分發(fā)揮錯(cuò)網(wǎng)噴支護(hù)的主動(dòng)作用。為降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，可以使用大扭矩風(fēng)動(dòng)扳手和扭矩倍增器（扭矩放大器）對(duì)錨桿進(jìn)行預(yù)緊。

2）嚴(yán)格把控錨桿孔與錨桿施工質(zhì)量。錨桿孔方向與井巷輪廓線的角度或與層理面、節(jié)理面、裂隙面夾角盡量成90°夾角。錨桿安裝應(yīng)牢固，托板緊貼壁面、不松動(dòng)。為保證鉆孔直徑、錨桿直徑、樹脂藥卷直徑匹配，頂錨桿鉆孔采用直徑為30 mm 鉆頭，充填2370 樹脂藥卷。

3）必須配套使用蝶形托盤+球形墊圈+減摩墊圈的組合。單純的蝶形托盤在受力情況下，不能有效調(diào)節(jié)受力面位置，尤其當(dāng)頂板條件差、圍巖破碎時(shí)，更容易使桿體發(fā)生剪切斷裂現(xiàn)象。而托盤+球形墊圈+減摩墊圈的組合則可以靈活調(diào)節(jié)托盤受力面位置，避免桿體徑向應(yīng)力過大。同時(shí)要求所用托盤中孔直徑不大于26 mm[4-5]。

4）巷道永久支護(hù)完成后，及時(shí)噴漿成巷，防止支護(hù)材料發(fā)生腐蝕、氧化現(xiàn)象。尤其對(duì)頂板淋水、破碎部位，必須進(jìn)行噴漿處理，要求混凝土覆蓋永久支護(hù)，強(qiáng)度等級(jí)為C20。

4 優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

選取該煤礦81505 運(yùn)輸巷和該煤礦81501 運(yùn)輸巷兩條相鄰與地質(zhì)條件相同巷道，采用頂板離層儀觀測(cè)儀對(duì)二條巷道的頂板離層量情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析采用以往原支護(hù)形式（81501 運(yùn)輸巷）和支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化后（81505 運(yùn)輸巷）的支護(hù)技術(shù)的支護(hù)效果。二條巷道頂板離層量變化曲線如圖1 所示。

圖1 巷道頂板離層曲線示意圖

從圖1 數(shù)據(jù)可知，81501 運(yùn)輸巷道在原支護(hù)形式下，頂板最大離層量可達(dá)135 mm；而81505 運(yùn)輸巷采用優(yōu)化后的支護(hù)形式，頂板最大離層量僅為50 mm。由此可見，對(duì)于巷道頂板支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化后，可以有效控制巷道頂板離層量，保障巷道圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

對(duì)山西某煤礦81505 工作面運(yùn)輸巷巷道頂板支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)分析，通過加強(qiáng)錨桿預(yù)緊力管理、嚴(yán)把錨桿施工質(zhì)量關(guān)和及時(shí)噴漿封閉等措施管理巷道頂板，可以有效降低頂板離層量，預(yù)防煤礦頂板事故的發(fā)生。