鞏 赟

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

當(dāng)前我國煤礦的產(chǎn)能有了大幅提高，綜采設(shè)備也逐漸向大型化發(fā)展，導(dǎo)致工作面回采順槽的斷面越來越大[1-3]。山西新元煤炭有限責(zé)任公司主采的9#煤層，巷道斷面達(dá)到28.6 m2，在常規(guī)的錨桿索支護(hù)下巷道變形量大，回采過程中需要多次維修，對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

9105 工作面所采煤層為9#煤，煤層埋深約590～640 m 之間，平均埋深620 m，煤層厚度3.06～4.07 m，平均3.40 m，傾角1°～5°，平均2°。工作面頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 9 號煤頂?shù)装鍘r性

1.2 原巷道支護(hù)

9105 工作面進(jìn)風(fēng)順槽規(guī)格5200 mm×5500 mm（寬×高），頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷幫采用錨桿支護(hù)。頂、幫錨桿均為Φ22 mm×2400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，采用兩卷K2360 樹脂藥卷錨固，間排距為900 mm×900 mm，垂直布設(shè)，采用8#菱形金屬網(wǎng)，鋼筋梯子梁接連。頂錨索直徑為20 mm，1×19 股鋼絞線制作，采用三卷K2360 樹脂藥卷錨固，呈“二一二”五花布置，單根錨桿布置在巷道中間，兩根錨索分別在中間兩側(cè)1000 mm的位置，錨索均垂直頂板布置，配400 mm×400 mm×16 mm（長×寬×厚）的大托盤護(hù)頂。

2 地質(zhì)力學(xué)測試

2.1 煤巖體結(jié)構(gòu)觀測

為對頂板和兩幫煤巖體的巖性分布有直觀、詳細(xì)的了解，采用電子鉆孔窺視儀進(jìn)行觀測。共設(shè)置3 個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)施工頂板鉆孔2 個(gè)，深度為21 m，巷幫鉆孔1 個(gè)，深度為10 m。其中2 號測點(diǎn)的觀測結(jié)果如圖2。

圖2 鉆孔窺視結(jié)果

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，結(jié)合相關(guān)的礦井地質(zhì)資料分析可知，頂板淺部1.9 m 范圍內(nèi)為深灰色炭質(zhì)泥巖，較為松軟，其中0.1～0.4 m、1.0～1.5 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度高，完整性差。1.9～9.8 m 為砂質(zhì)泥巖，整體性較好，1 號測點(diǎn)在6.2 m 發(fā)現(xiàn)一橫向裂隙，對頂板穩(wěn)定性造成了一定的影響。9.8～12.9 m 范圍內(nèi)為灰黑色泥巖，未觀察到明顯的裂隙。13 m 以上為砂質(zhì)泥巖，呈深灰色，完整性較好，部分地段夾有0.1 m 左右的煤線，但影響較小。

巷幫夾矸較多，0～2.4 m、3.1～4.2 m、5.2～6.8 m 范圍內(nèi)均為夾矸，煤層與矸石層之間的膠結(jié)性差，淺部裂隙發(fā)育，完整性低，不利于巷道的穩(wěn)定。

2.2 地應(yīng)力測試

采用SYY-56 型水壓致裂地應(yīng)力測量儀進(jìn)行地應(yīng)力測試，共設(shè)置三個(gè)測點(diǎn)。通過井下地應(yīng)力測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行整理、計(jì)算和分析可以得到：

（1）9105 進(jìn)風(fēng)巷附近的最大水平主應(yīng)力為18.2 MPa，最小水平主應(yīng)力為6.28 MPa，垂直應(yīng)力平均值為16.16 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹68.1°E。

（2）根據(jù)地應(yīng)力強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域?qū)儆谥械取叩葟?qiáng)度應(yīng)力區(qū)域。

（3）三個(gè)測點(diǎn)中有兩個(gè)測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力小于垂直應(yīng)力，因此該區(qū)域以垂直應(yīng)力為主，對巷道兩幫的影響較大。

2.3 錨固力試驗(yàn)

為判定巷道煤巖體的可錨性，測試錨桿錨固力，在巷道中進(jìn)行了錨桿索的拉拔試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 錨桿拉拔試驗(yàn)結(jié)果（單位：kN）

由測試結(jié)果可以看出，巷道頂板及兩幫的錨桿錨固力均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求（150 kN），分析原因?yàn)橄锏罍\部圍巖體裂隙發(fā)育程度高，完整性大，受中強(qiáng)地應(yīng)力的影響，本身的自穩(wěn)能力低，影響了錨固效果。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 提高錨桿預(yù)緊力

錨桿預(yù)緊力主要是通過采用扳手?jǐn)Q緊螺母，對錨桿托盤進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)的[4-5]。扳手施加的扭矩大小、桿體的直徑、長度、摩擦系數(shù)等都會對預(yù)緊力造成影響，其關(guān)系表達(dá)式為：

式中：P0為預(yù)緊力，kN；M為螺母安裝扭矩，kN；k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，主要與螺母和螺紋之間的摩擦系數(shù)、螺母和墊圈之間的摩擦系數(shù)、桿體直徑等有關(guān)系。

從上式可以看出，提高安裝扭矩、增大轉(zhuǎn)換系數(shù)可以提高錨桿的預(yù)緊力，主要途徑有：

（1）采用專用的高扭矩螺母擰緊設(shè)備

目前國內(nèi)普遍應(yīng)用的錨桿鉆機(jī)的輸出扭矩普遍在150 N·m 以下，而錨桿臺車、掘錨聯(lián)合機(jī)組的扭矩則超過500 N·m，在施加預(yù)緊力的同時(shí)還可以對頂板產(chǎn)生400 kN 以上的推力，因此效果較好。因此，引進(jìn)聯(lián)合機(jī)組是提高螺母安裝扭矩的有效途徑。條件不具備的情況下，采用氣動(dòng)扳手等對錨桿二次預(yù)緊也可提高其預(yù)緊力。

（2）增大轉(zhuǎn)換系數(shù)

通過提高桿體端部螺紋的加工精度、采用專用的油脂對螺紋潤滑等可以降低螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數(shù)，在螺母與托盤之間添加墊圈可以有效減少摩擦阻力，從而提高k 值。

（3） 采用高強(qiáng)度錨桿索

當(dāng)前采用的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿的拉斷載荷為216.7 kN，剪斷載荷為151.7 kN，Φ20 錨索的拉斷載荷為510 kN，相對較低。而高強(qiáng)度錨桿索可以承受更高預(yù)緊力，同時(shí)在應(yīng)力影響下，預(yù)緊力衰減小，保證支護(hù)強(qiáng)度。

3.2 巷道支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)以上分析，結(jié)合現(xiàn)有支護(hù)中存在的問題，確定9105 進(jìn)風(fēng)順槽優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖3。

圖3 9105 工作面進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)方案（mm）

（1）頂板支護(hù)

頂錨桿桿體為BHRB500 鋼材制作，規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm，螺紋為M24 mm。錨桿間排距為900 mm×900 mm，每排布置6 根，均垂直頂板。采用兩卷K2360 樹脂藥卷加長錨固，錨固力不小于190 kN。W 鋼帶的規(guī)格為BHW235/280/4-4800-6，兩邊壓邊。托盤為150 mm×150 mm×10 mm（長×寬×厚）的高強(qiáng)度拱形托板，配套使用調(diào)心球墊和塑料墊片。網(wǎng)片規(guī)格為5400 mm×1000 mm 的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔為50 mm×50 mm。

在錨桿初次安裝結(jié)束后1 h 內(nèi)進(jìn)行二次預(yù)緊，要求預(yù)緊力不得低于400 N·m，

錨索長度為6300 mm，規(guī)格為21.6 mm，“3-2”布置，間距分別為1600 mm、2000 mm，排距為1800 mm，均垂直頂板打設(shè)。采用3 支Z2360 樹脂藥卷錨固，配300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，托板承載力不低于500 kN，托板高度不低于60 mm，預(yù)緊力不小于250 kN。

（2）兩幫支護(hù)

幫錨桿規(guī)格與頂錨桿相同，每排布置7 根，排距為900 mm，初次掘進(jìn)時(shí)巷道高度為3500 mm，間距為900 mm，臥底后巷道高度為5500 mm，臥底段的間距為700 mm。所有錨桿均垂直巷道打設(shè)。巷幫W 鋼帶的規(guī)格為300 mm×460 mm×4 mm，四邊壓邊。金屬網(wǎng)的規(guī)格為5500 mm×1000 mm。錨桿錨固力不得小于190 kN。

巷幫錨索直徑17.8 mm，長度4300 mm，采用3 支MSZ2360 樹脂藥卷錨固，“3-2”布置，間距分別為1900 mm、2250 mm，排距1800 mm。幫錨索托板同頂錨索。預(yù)緊力不得小于150 kN。

3.3 礦壓觀測

采用優(yōu)化支護(hù)方案，在9105 進(jìn)風(fēng)巷中布置測點(diǎn)，對巷道表面位移進(jìn)行觀測。測點(diǎn)間距為50 m，一共設(shè)置4 個(gè)，其中三號測點(diǎn)的觀測結(jié)果如圖4。

圖4 巷道表面位移觀測結(jié)果

由圖可以看出，成巷初期，巷道變形速度較慢，變形量逐步增加，最大的頂板下沉速度為3.7 mm/d，兩幫移近速度為1.6 mm/d。巷道變形在12 d 后達(dá)到穩(wěn)定，頂板最終下沉量為41.6 mm，兩幫移近量為17.6 mm，新的支護(hù)方案取得了較好的控制效果。

4 結(jié)論

（1）9105 工作面順槽斷面大，且頂板和兩幫淺部裂隙發(fā)育程度高，完整性差，以垂直應(yīng)力為主，為中等～高等強(qiáng)度應(yīng)力區(qū)域，對巷道穩(wěn)定性造成了較大影響。

（2）錨桿預(yù)緊力與扳手施加的扭矩大小、桿體的直徑、長度、摩擦系數(shù)等有關(guān)，采用專用的高扭矩螺母擰緊設(shè)備、提高桿體端部螺紋的加工精度等可以提高錨桿預(yù)緊力。

（3）9105 回風(fēng)順槽采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，巷道變形量小，控制效果好，可為大斷面回采巷道支護(hù)提供參考。