基于自然平衡拱的巷道錨桿支護技術的應用與研究

秦香果 孫曉東

(1.山西煤炭管理干部學院 煤礦安全工程系，山西 太原030006；2.山西長沁煤焦有限公司 安全培訓中心，山西 長治046512)

0 引言

某礦于1958年建井，1960年12月投產，經過兩次改擴建后，礦井生產能力已由建井初期的90萬t/a提升到300萬t/a，并于1996年由原煤炭工業部正式命名為全國首批六個現代化大型礦井之一，為國家提供了大量的優質無煙煤，有力地支援了社會主義現代化建設。

近兩年，由于井田內3#煤層已近枯竭，9#煤層也進行了大部開采，所剩資源有限。為了充分發揮礦井現有生產設施的最大潛力和充分利用資源，現需要將一些當初未采的部分3#煤層煤柱進行回收。該3#煤層煤柱工作面四周均有已掘巷道和已采空的工作面，采用以往的架棚支護技術巷道變形嚴重，給安全工作帶來了很大困難，并且回采時巷修工作量大，增加了員工勞動強度，遠遠滿足不了生產需要。據此，根據現場地質及生產條件，結合理論分析計算及專家經驗，為該礦3#煤層提出了有效的錨桿支護方案，解決被采空區包圍的煤柱工作面巷道支護難題，為礦井充分回收資源創造良好條件。

現以3#煤層某煤柱工作面為例，以自然平衡理論為依托，以錨、帶、網聯合支護技術為保障，研究該礦3#煤層中錨桿支護技術的應用。

1 某煤柱工作面概況

1.1 某煤柱工作面井上下位置關系

井上：上寺河以北，二仙掌以南，老毛溝以東，石城溝以西。地面標高為：850～905m。

井下：原11301煤柱以南，西一進風巷以北（已掘），北二進風巷以西（已掘），礦界以東。工作面標高為：671～710m。

1.2 煤層頂底板情況

老頂：細粒砂巖，厚度5.0m，灰色，中厚層狀，石英為主，含云母片。直接頂：泥巖，厚度2.6m，灰黑色，致密，平坦狀斷口，含植物化石。偽頂：炭質泥巖，厚度0～0.4m，黑色，不穩定，隨采掘脫落。直接底：細沙質泥巖，厚度2.3m，深灰色，含植物化石，具層理。老底：砂質泥巖，厚度5.6m，深灰色，致密，平坦狀斷口，含植物化石[1]。

1.3 工作面設計長度

該工作面走向長207.325米，傾斜長度53.730米。

1.4 水文地質及構造情況

該工作面地質條件比較簡單，涌水主要來自上覆巖層裂隙水及鄰近工作面采空區積水，預計該面掘進時，正常涌水量5～15m3/h左右，最大涌水量25m3/h左右；回采時，正常涌水量15～25m3/h左右，最大涌水量45m3/h左右；位于背斜一翼，總體呈單斜構造，煤層傾角4°～16°，平均10°左右。

1.5 煤層

該面所處位置煤層特別松軟，平均煤厚為5.6m，煤層傾角平均為10°左右，黑灰色，厚層狀，含炭質和黃鐵礦，產豐富的植物化石。

2 錨桿支護強度設計

由于3#煤層煤體松軟，節理發育差，采用普通錨桿支護理論很難達到理想效果，依據現場條件和設計人員的分析研究，決定采用自然平衡拱原理作為錨桿支護設計的數學模型，通過巷道圍巖層間的關系來確定巷道支護的錨桿參數。平衡拱理論認為，煤礦巷道在開掘以后，煤層中圍巖層與層間的相互支撐連接關系被破壞，因此巷道圍巖就向自由空間移動從而形成自然平衡拱[2]，如圖1所示。

圖1 自然平衡拱理論模型圖

2.1 巷道整體壓力計算[3]

2.1.1 煤幫破碎深度C

式中h—巷道高度，取3.1m；θ—似摩擦角，θ=tg-1f；

f—煤的普氏硬度系數，取1.25。

計算得煤幫破碎深度C=1.1

2.1.2 自然平衡拱高度b

計算得自然平衡拱的高度b=2.68

2.1.3 巷道頂板壓力Qd

式中γ—頂板巖（煤）層容重，取25kN/m3

計算得巷道的頂板壓力Qd＝32.27kN/m

2.1.4 巷道側幫壓力Qc

2.2 錨桿支護參數確定

2.2.1 頂板支護用錨桿的長度L

式中L1—錨桿外露部分的長度，取0.50m；

L2—錨桿的有效長度，m；

L3—錨桿錨固段的長度，一般端錨時取0.30m~0.40m；

按錨桿處于最危險狀態時的工況進行計算，也就是巷道的圍巖出現了松動的破碎帶（破碎帶的高度為1.48m），此時就要求錨桿的有效長度L2應該比破碎帶的高度b大。

綜合考慮各類因素，最終確定頂板錨桿的長度L為2.4m。

2.2.2 頂錨桿的間、排距S

根據每根錨桿的錨固力確定巷道錨桿支護的間、排距：

式中K—錨桿安全系數，一般取K=1.5；

Q—錨桿錨固力，kN。

計算得頂錨桿的間、排距S=0.95m，綜合考慮取S=1.0m。

2.2.3 幫錨桿長度LB

式中 LT—托盤厚度，取LT=0.02m；

β—錨桿與水平線的夾角；

L1—錨桿外露托盤的長度，取L1=0.08m；

L4—錨桿錨固穩定煤體的長度，取L4=0.2m。

計算得幫錨桿的長度LB=2.4m

2.2.4 每米巷道幫錨桿根數N

式中 K—錨桿安全系數，取1.5；

Kp—巷道圍巖增載系數，取1.5；

TB—幫錨桿錨固力，按4kN計算；

計算得每米巷道幫錨桿的根數N=3.6，取N=4。

2.3 巷道錨桿支護設計

根據以上理論計算確定的參數，綜合考慮該礦實際情況，在理論計算所得參數的基礎上增加適當的錨索進行補強，最終確定3#煤層工作面順槽錨桿支護的參數為(錨桿支護布置情況如圖2所示)：

頂錨桿選用強力錨桿，強力錨桿為左旋無縱筋的螺紋鋼筋，材質是BHR500，錨桿的桿體直徑為22mm，錨桿長2400mm，錨桿桿尾的螺紋規格為M24[4]。錨桿的錨固選用加長錨固，配合兩支低粘度的樹脂錨固劑，規格分別為MSK2335和MSZ2360，錨固長度為1300mm，錨桿孔的直徑為28mm。鋼帶采用SB-14-80-4100-5的鋼梁，上面套規格為200mm×200mm×10mm的高強度拱形托板，并配合使用球形墊圈和塑料減摩墊片，同時加掛規格為5000mm×1100mm的金屬網護頂。錨桿的排距和間距均取1000mm。

頂板采用錨桿支護以后，還應增加適當的錨索進行補強。加強錨索選用單根鋼絞線，鋼絞線的直徑為22mm，長度為8300mm。錨索的錨固方式也為加長錨固，與錨桿錨固所不同的是，錨索錨固采用三支低粘度的錨固劑，其中一支慢速的錨固劑規格為MSK2335，另外兩支快速的錨固劑規格為MSZ2360。錨索呈矩形布置，縱向排距為2000mm，橫向間距為1700mm，同時配套使用規格為300mm×300mm×16mm的高強度可調心托板及專用鎖具，錨索安裝過程中使用錨索漲力器以保證預緊力為250kN。

幫錨桿的材質、規格、錨固方式及錨固劑的選用均與頂錨桿相同，所不同的是以下參數：幫錨桿的鉆孔直徑為30mm，錨固長度為1208mm，同時使用規格為280mm×400mm×4mm的W鋼帶托盤，并配合規格為150mm×150mm×10mm的拱型高強度托盤加球形墊圈和塑料減摩墊片，兩幫加掛規格為3000mm×1100mm的金屬網護幫。幫錨桿的排距為1000mm，間距為800mm，呈矩形布置。

圖2 3#煤層錨桿支護布置圖

3 錨桿支護施工

3.1 巷道施工

采用EBH-120型掘進機掘進施工，并嚴格執行掘進作業規程，保證成形質量，未經允許任何人不得隨意改動支護設計，施工過程中出現意外情況，立即向工程技術人員匯報，確保安全生產，保證支護質量。

3.2 錨桿安裝操作要求

由于該礦首次在3#煤層使用錨桿支護，故制定了詳細的安裝要求。錨桿應緊跟掘進頭及時支護，最大空頂距單排掘進不得超過1400mm，最小控頂距不得超過400mm。頂錨桿孔使用單體錨桿鉆機完成，鉆孔時，先用1200mm的短鉆桿破巖，然后用2400mm的長鉆桿打孔，錨桿的孔深要求為2290mm～2320mm。在鉆孔的過程中應注意鉆孔的角度，當鉆到預定的孔深后應下縮單體錨桿鉆機，然后清除煤粉和泥漿。兩幫錨桿采用專用幫錨桿鉆機，一次成孔，孔深要求2290mm～2320mm，最后使用風動力矩扳手擰緊，使擰緊力矩達到300N·m。

4 錨桿支護的技術效果

3#煤層煤巷采用錨桿護后，有效控制了巷道中圍巖的離層和結構面的變形，顯著改善了圍巖的受力狀況，保持了圍巖的完整性與穩定性，巷道變形情況得到了有效控制。采用錨桿支護后，巷道的頂板基本沒有下沉，兩幫縮近量也控制在規定的50mm范圍之內，滿足了工作面的回采需要。

5 結論

5.1 該礦3#煤節理發育差，使用普通棚式支護無法滿足開采要求，巷道掘成后，巷道變形嚴重，給開采帶來很大困難

5.2 基于自然平衡拱理論的支護模型，優化了3#煤層的支護強度，合理的控制了頂板的下移量和兩幫的縮進量，確保了巷道的安全

5.3 在3#煤層中采用錨桿支護，減少了巷修工作量，降低了成本提高了單進，減輕了工人勞動強度

［1］申勝利.古書院礦北三煤柱工作面巷道支護技術研究[J].煤，2011，20(6)：21-73.

［2］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

［3］周彥云，喬繼平，孫偉，黨小民.北馬坊煤礦煤巷錨桿支護[J].陜西煤炭，2003(2)：17-36.

［4］秦海忠.碎脹煤層復用留巷支護技術[J].山西煤炭，2011，31(6)：27-30.

［5］康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報，2007,32(7)：673-678.

［6］王金華.我國煤巷錨桿支護技術的新發展[J].煤炭學報，2007，32(2):113-118.