武東亮

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)元甲煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭礦3204工作面位于三采區(qū)2#煤層回風(fēng)下山東北側(cè)，工作面北鄰三采區(qū)邊界，南側(cè)為三采區(qū)巷道，工作面布置位置如圖1所示。工作面開采2#煤層，煤層厚度為1.68～3.65 m，平均厚度為2.70 m。煤層內(nèi)部含有0～3層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)屬于簡單～復(fù)雜型，煤層直接頂為細(xì)砂巖，均厚3.0 m；基本頂為砂質(zhì)泥巖，均厚為10.50 m；底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖。

3204工作面回風(fēng)順槽沿2#煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高為4 500 mm×3 000 mm。根據(jù)礦井生產(chǎn)經(jīng)驗，巷道圍巖采用錨網(wǎng)索支護(hù)，為確保錨桿支護(hù)效果，設(shè)計錨桿采用全長錨固方式進(jìn)行支護(hù)。

圖1 3204工作面平面位置

2 全長錨固影響因素

采用螺紋鋼錨桿支護(hù)時主要考慮的參數(shù)包括錨固長度、預(yù)緊力及錨固區(qū)段的巖性[1-3]。根據(jù)3204工作面的地質(zhì)資料可知，巷道頂板巖層賦存較為穩(wěn)定，頂板錨桿均能錨固在細(xì)砂巖內(nèi)，兩幫錨桿錨固在煤體內(nèi)，故此處不對錨桿錨固區(qū)域巖性進(jìn)行分析?，F(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對錨固長度和預(yù)緊力對錨固效果的影響進(jìn)行分析，模型長×寬×高為4 m×4 m×4 m，錨桿規(guī)格為?22 mm×2 400 mm，錨桿設(shè)置在垂直與XZ的平面上，錨桿、錨固劑、頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)眾多錨桿全長錨固的相關(guān)研究結(jié)果，分析錨固長度對錨固效果的影響時，設(shè)置錨固長度分別為0.5 m、0.9 m、1.3 m、1.7 m和2.1 m進(jìn)行模擬對比分析；分析預(yù)緊力對錨固效果的影響時，設(shè)置錨桿預(yù)緊力分別為20 kN、40 kN、60 kN、80 kN，具體數(shù)值模擬過程及結(jié)果如下：

1）錨固長度：在進(jìn)行錨固長度對錨固效果的影響分析時，設(shè)置錨桿的預(yù)緊力為60 kN，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出不同錨固長度下，錨桿軸向應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 不同錨固長度下錨桿軸向應(yīng)力分布云圖

分析圖2可知，錨桿在不同錨固長度下，錨桿上預(yù)緊力從錨固的始端向錨固尾部傳遞時呈現(xiàn)逐漸減小的傳遞規(guī)律，錨桿軸力的傳遞范圍隨著錨固長度的增大而不斷增大。從圖中能夠看出，當(dāng)錨固長度為0.5 m時，此時錨桿自由段軸力基本不變，且由錨固始端向錨固尾端逐漸遞減；當(dāng)錨固長度為0.9 m時，錨固軸力的變化趨勢基本與錨固長度為0.5 m時相同；當(dāng)錨固長度為1.3 m時，此時錨固端錨固力的擴(kuò)散范圍增大，但最大錨固力無明顯變化；當(dāng)錨固長度增大為1.7 m時，此時錨桿錨固端的最大軸力大幅增大，錨桿軸力較大的范圍也不斷增加，當(dāng)錨桿錨固長度進(jìn)一步增大為2.1 m時，此時錨固端的最大軸力與1.7 m時基本相同；基于錨桿支護(hù)時預(yù)緊力充分?jǐn)U散的原則，最終確定錨桿錨固長度為1.7 m。

2）錨桿預(yù)緊力：在進(jìn)行預(yù)緊力對錨固效果的影響分析時，分別設(shè)置錨桿采用同速錨固劑和采用快速+慢速錨固劑的對比分析[4-6]，根據(jù)模擬結(jié)果得出錨桿采用不同參數(shù)的錨固劑下，錨桿在不同預(yù)緊力下錨桿軸向應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

圖3 不同預(yù)緊力下錨桿軸向應(yīng)力曲線

分析圖3可知，錨桿在同速錨固劑和快速+慢速錨固劑的錨固方式下，錨桿預(yù)緊力變化在錨固段的傳遞規(guī)律相同，均表現(xiàn)為由錨固的始端向錨桿尾部傳遞時錨桿軸力在不斷減?。粡膱D中能夠看出錨桿錨固劑采用快速+慢速的錨固方式時，其錨桿的軸力大于采用同速錨固劑，且錨桿間軸力的差值隨著預(yù)緊力的增大而不斷增大。因此，在充分考慮錨桿預(yù)緊力對圍巖控制效果的前提下，確定巷道錨桿采用高預(yù)緊力支護(hù)，設(shè)置錨桿預(yù)緊力為80 kN。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)3204工作面回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，結(jié)合錨桿錨固長度和預(yù)緊力對錨固效果的模擬分析結(jié)果，具體進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)方案的設(shè)計如下：

（1）頂板支護(hù)：錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?20 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm。錨桿錨固長度為1.7 m，采用1根CK2350+1根K2370型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固作業(yè)。在進(jìn)行錨固作業(yè)時，利用錨固劑的凝膠時間差，先放快速錨固劑，再放慢速錨固劑，在慢速錨固劑凝固前對錨桿施加預(yù)緊力，錨桿預(yù)緊力為80 kN。托盤采用調(diào)心球墊減摩墊圈，兩頂角錨桿與頂板成15°布置，其余錨桿均垂直頂板布置。頂板錨索采用1×7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，規(guī)格為?15.24 mm×6 500 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm。錨索采用3根K2370+2根CK2350型樹脂錨固劑錨固，錨索垂直頂板布置，錨索預(yù)緊力為150 kN。頂板表面采用10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)護(hù)表。

（2）兩幫支護(hù)：錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?16 mm×1 800 mm，間排距為800 mm×800 mm。錨桿錨固劑使用型號和錨固方式與頂板錨桿相同，錨桿預(yù)緊力為80 kN。巷道兩幫各布置4根錨桿，兩幫底部錨桿在距底板300 mm處布置，底部錨桿與巷幫成布置15°，其余幫部3根錨桿均垂直巷幫布置。巷幫表面同樣采用10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

支護(hù)方案中，頂網(wǎng)和幫網(wǎng)應(yīng)壓茬連接，并在幫部每排錨桿與菱形金屬網(wǎng)間加裝一根錨梁，以此實現(xiàn)錨梁網(wǎng)索的聯(lián)合支護(hù)[7-8]，具體巷道支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

圖4 3204工作面回風(fēng)順槽支護(hù)布置

3.2 效果分析

為驗證3204工作面回風(fēng)順槽采用錨桿全長錨固支護(hù)的效果，在3204工作面回采期間進(jìn)行了圍巖變形觀測分析，觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面回采期間圍巖變形曲線

分析圖5可知，3204工作面回采期間，回風(fēng)順槽內(nèi)頂?shù)装搴蛢蓭偷恼w變形均不明顯，其中：頂?shù)装逡平康淖兓饕性跍y站與工作面間的距離小于50 m的區(qū)域，兩幫變形主要集中在測站距工作面小于70 m的范圍內(nèi)；在測站與工作面的距離為40 m時，此時圍巖受到采動壓力影響最大；最終工作面回采至測站位置處時，頂板下沉量的最大值為25 mm，頂?shù)装逡平繛?0 mm，回采幫的變形量為66 mm，兩幫變形量的最大值為91 mm，圍巖整體變形量較小，滿足回采巷道的使用要求。

4 結(jié)語

根據(jù)3204工作面的地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬，分析全長錨固支護(hù)中錨固長度和預(yù)緊力對錨固效果的影響?；谀M結(jié)果確定錨桿錨固長度為1.7 m，預(yù)緊力為80 kN，錨桿采用全長錨固。根據(jù)3204工作面回風(fēng)順槽的斷面特征，具體進(jìn)行巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案的設(shè)計，并對錨桿的全長錨固方式進(jìn)行設(shè)計。通過工作面回采期間的圍巖變形監(jiān)測可知，巷道在該支護(hù)方案下，圍巖變形量滿足使用要求。