新陽礦煤柱錨桿巷道支護技術應用

張仰龍

(汾西礦業集團公司，山西 介休 032000)

1 工作面地質概況

1.1 工作面概況

新102工作面位于新一采區東翼，新102工作面北鄰南軌道上山保安煤柱，西鄰新104工作面(2006～2007年已回采9#、10#和11#煤層)，兩工作面間凈煤柱尺寸為30m，南至韓家灘保安煤柱。如圖1所示。

新102工作面地面標高為+865～+980m，煤層標高為+580～+680m，平均埋深約為292m左右，工作面開采太原組10#～11#煤合并層，局部開采9#～10#～11#煤合并層，煤層總厚平均7.2m，屬復雜結構煤層，煤種為瘦煤，穩定可采。

1.2 巷道布置方式

新102工作面開采10#～11#煤合并層，由于合并層10#～11#煤直接底為粘土泥巖，遇水膨脹，故將新102工作兩巷沿煤層底板布置，頂板為0.1m的標志層，底板留設300mm的浮煤。

新102工作面材料巷布置在新102工作面和新104工作面煤柱下方，如圖1所示，新102工作面材料巷距離上部902工作面煤層采空區凈煤柱尺寸約為8m，距離新104材料巷距離22m，，此時新102運輸巷正好處于工作面保護煤柱應力峰值影響的范圍內，故巷道壓力很大，巷道維護困難。

1.3 巷道圍巖條件

根據礦方提供的資料，新102工作面煤層直接頂是2.0m厚的灰黑色石灰巖，之上為1.75m的灰黑色泥巖，老頂為6.24m的深灰色石灰巖，致密堅硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤，直接底為0.3m的碳質泥巖和0.53m的灰色粘土泥巖，下方為7.41m厚的黑色及灰色泥巖。

圖1 新102工作面概況示意圖

1.4 地質構造

工作面地質結構簡單，煤巖層為單斜構造區。煤巖層產狀為走向北西，傾向北東。根據相鄰新104工作面知，掘進至切眼附近時，將揭露2條正斷層，斷層落差不大，對掘進不會造成較大影響。

1.5 水文地質條件

工作面上覆含水層為K2、K3、K4三層灰巖含水層，其水量較豐富，對本工作面掘進有一定影響；新102工作面布置在已采902工作面下方，采空區可能存有一定積水，對掘進支護有一定影響。下伏含水層為奧陶紀石灰巖含水層，其水量豐富，水位標高低于煤層底板標高，故在掘進期間必須準備好足夠的排水設施，堅持“有掘必探”的原則，對其進行探放水工作，確保安全生產。

1.6 瓦斯及煤塵特點

新陽礦井屬低瓦斯礦井，瓦斯涌出情況較少。工作面煤層具有發火傾向和自燃發火現象，發火期為4～6個月。煤塵具有強烈爆炸性，爆炸指數9#煤為18.32％，10#煤為18.7％，11#煤為18.44％。

1.7 粘結強度測試

采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。測試應采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設計錨固深度上進行三組拉拔試驗。粘結強度滿足設計要求后方可在井下施工中采用。

2 巷道支護形式和參數選擇原則

針對新陽煤礦新一采區新102工作面10#～11#煤合并層地質及生產條件，為了充分發揮錨桿支護的作用，提出以下設計原則：

2.1 一次支護原則

錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。一方面，這是礦井實現高效、安全生產的要求，為采礦服務的巷道和硐室等工程，需要保持長期穩定，不能經常維修；另一方面，這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。

2.2 高預應力和預應力擴散原則

預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力；另一方面，通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的擴散，擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

2.3 “三高一低”原則

即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應力、全長錨固)，保證支護系統可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數量，提高掘進速度。

2.4 臨界支護強度與剛度原則

錨桿支護系統存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩定狀態，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設計錨桿支護系統的強度與剛度應大于臨界值。

3 設計原則

3.1 支護參數確定原則

1) 支護設計確保支護安全，避免在服務期間進行維修或僅進行局部維修。

2) 支護參數和支護材料規格具有較好的適應性和施工可行性，由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護合理性考慮，可能出現多種支護參數和支護材料規格，但這將不利于巷道施工和管理。所以，盡可能采用統一的支護參數和材料規格。

3) 支護設計要在保證支護質量的同時有利于提高巷道掘進速度。

4) 在滿足前三項原則的前提下，做到經濟合理。

3.2 支護參數確定的依據

1) 已掘巷道現有支護狀況和礦壓觀測數據。

2) 理論分析及數值計算成果。

3) 新一采區工作面詳細地質資料。

4 新102工作面材料順槽初始設計

考慮到新102工作面運輸巷正好處于煤柱應力峰值影響范圍內，由于運輸巷斷面較大，礦方決定將新102工作面兩巷位置進行互相調整，將斷面較小的材料巷布置在煤柱應力影響范圍內，根據掘進過程中設備尺寸，通風要求和巷道圍巖變形預留量，設計新一采區新102工作面材料巷掘進斷面尺寸：巷道斷面呈矩形，寬4.3m，高3.0m，掘進斷面積12.9m2。

4.1 頂板支護

4.1.1 錨桿

錨桿形式和規格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m，桿尾螺紋為M24。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規格為K2335，另一支規格為M2360。鉆孔直徑為28 mm。

W鋼帶規格：采用W鋼帶護頂，鋼帶規格：厚度3mm，寬280mm，長度4200mm。

錨桿配件：托盤采用高強度拱型托盤，規格為150mm×150mm×10mm。

錨桿角度：錨桿盡量全部垂直頂板安設，角錨桿由于靠近煤幫，現場操作存在一定困難，要求和頂板角度不超過10°。

網片規格：采用菱形金屬網護頂，網孔規格50mm×50mm，網片規格4500mm×1100mm。

錨桿布置：錨桿排距900mm，每排4根錨桿，間距1000mm。

錨桿預緊力矩：≥300N·m。

4.1.2 錨索

錨索形式和規格：錨索材料為Φ17.8mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度5300mm，鉆孔直徑28mm，采用一支K2335和兩支M2360低粘度樹脂藥卷錨固，錨固長度1600mm；

錨索托盤：采用300mm×300mm×16mm高強度托板及配套鎖具。

錨索布置：錨索采用“五花”布置，每900mm打2根錨索，錨索間距為2000mm，之后隔900mm在巷道中間打設一根錨索，錨索均垂直頂板巖層打設。

4.2 兩幫支護

錨桿形式和規格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m，桿尾螺紋為M24。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用一支錨固劑，規格為M2360，鉆孔直徑為30mm。

W護板規格：采用W鋼護板護幫，鋼帶厚度3mm，寬280mm，長度400mm。

錨桿配件：托盤采用拱型高強度托盤，規格為150mm×150mm×10mm。

網片規格：采用菱形金屬網護幫，網孔規格50mm×50mm，網片規格2900 mm×1000mm。

錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距800mm。

錨桿角度： 垂直巷幫打設。

錨桿預緊力矩：≥300N·m。

新一采區新102工作面材料巷支護設計見圖2。

5 特殊條件處理措施

巷道每超寬500mm時，補打一根單體錨桿，超寬1000mm時，補打一根錨索。當巷道超高500～1000mm時，應在距正常巷幫底部位置補打一根單體錨桿，高頂距離較長時，應補打一根錨索，錨索規格為φ17.8-1×7-5300mm。如遇巷道頂板和兩幫不平、巷道淋水以及其它簡單地質構造時，適當縮小錨桿錨索排距，并保證施工質量；如遇巷道條件變化較大，應及時聯系生產技術部門并通知設計單位根據現場實際情況確定巷道的支護方式及支護參數。

說明：錨桿預緊力是巷道支護的關健因素，必須及時施加預緊力，優先保證錨桿施工質量，將錨桿外露長度不作為施工質量標準化的考核指標中，但必須控制鉆孔深度，保證錨桿外露長度不超過100mm。

6 支護材料

新一采區新102工作面兩巷支護材料見表1。

7 井下施工工藝和安全措施

井下施工是該項目的關鍵部分，所以必須按照設計要求，保證施工質量。

7.1 施工前的準備工作

1) 準備好試驗所需的一切材料、 機具和礦壓觀測儀器，并保證質量。

圖2 新一采區新102工作面材料

表1 新一采區新102工作面運輸巷支護材料清單

2) 對施工隊伍進行技術培訓， 使其了解試驗目的，施工工藝和要求，掌握有關機具的操作，以便在井下施工中保證質量。

7.2 施工工藝和技術要求

施工工序包括掘進和支護部分。巷道頂板支護的施工工藝流程：掘進→打掉危巖出煤→臨時支護→鉆頂板中部錨桿孔→清孔→安裝樹脂藥卷和錨桿→用錨桿機攪拌樹脂藥卷至規定時間→停止攪拌并等待1分鐘左右→鋪金屬網→上W鋼帶、托盤、螺母→擰緊螺母→從中向外依次安裝其它頂板錨桿。

8 結論

現有的錨桿支護設計方法很多，如基于以往經驗和圍巖分類的經驗設計法，基于某種假說和解析計算的理論設計法，以現場監測數據為基礎的監控設計法。大量實踐經驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復雜性和多變性的特點，因而達不到理想的設計效果。只有采用包括試驗點調查和地質力學評估、初始設計、井下監測和信息反饋、修正設計和日常監測的動態信息設計方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學的設計方法。根據井下實測數據和已有經驗確定出比較合理的初始設計。然后將初始設計實施于井下，并進行詳細的圍巖位移和錨桿受力監測，根據監測結果驗證或修正初始設計。正常施工后還要進行日常監測，保證巷道安全。

[1]王勝康，李崇茂，孫玉亮.深部圍巖巷道支護技術[J].山西焦煤科技，2011(6):4-7.

[2]賀海峰.回采巷道錨桿、錨索支護參數設計[J].山東煤炭科技，2012(3):43-44.