堅硬頂板沿空掘巷支護優(yōu)化技術(shù)研究

薛旭輝

(霍州煤電集團 技術(shù)研究院，山西　霍州　031400)

·試驗研究·

堅硬頂板沿空掘巷支護優(yōu)化技術(shù)研究

薛旭輝

(霍州煤電集團 技術(shù)研究院，山西霍州031400)

摘要為解決團柏煤礦堅硬頂板條件下沿空掘巷支護密度高、掘進速度慢、回采期間需返修，影響礦井采掘銜接和企業(yè)效益的技術(shù)難題，通過對礦井掘進和回采巷道采取現(xiàn)場調(diào)研、地質(zhì)力學(xué)測試、理論分析、數(shù)值模擬等方法，研究了堅硬頂板沿空掘進巷道圍巖應(yīng)力分布及變形破壞機理，提出了高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護技術(shù)。應(yīng)用效果表明：堅硬頂板沿空掘進巷道采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)掘進期間兩幫無回縮，回采期間兩幫最大移近量為85 mm，滿足了巷道掘進、回采期間的正常使用，掘進速度提高25%，支護材料費用降低2.34%.高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)提高了巷道支護結(jié)構(gòu)的整體性及巷道單進水平，降低了支護材料成本，避免了堅硬頂板鄰空掘巷回采期間的返修。

關(guān)鍵詞堅硬頂板；高預(yù)應(yīng)力；錨網(wǎng)索聯(lián)合支護；沿空掘巷

1地質(zhì)概況

霍州煤電集團團柏煤礦二采區(qū)10-2171巷沿10#煤層頂板掘進，煤層平均埋深為405 m，煤層厚度2.55 m，煤層平均傾角6°，為近水平煤層。煤層綜合柱狀圖見圖1.

圖1　煤層綜合柱狀圖

10-217工作面位于團柏煤礦400 m水平二采區(qū)的左翼，北側(cè)為400 m水平二采區(qū)3條大巷，西側(cè)和南側(cè)為實體煤，東側(cè)為10-215工作面采空區(qū)。

巷道布置見圖2.

圖2　10-2171巷布置示意圖

2原設(shè)計存在的問題

10-2171巷設(shè)計矩形斷面，寬×高=4.4 m×2.7 m，采用錨網(wǎng)梁索支護，頂錨桿選用d18 mm、長度1 800 mm的高強錨桿，間排距800 mm×800 mm；頂板錨索采用d15.24 mm、長度4 300 mm的7股低松弛鋼絞線，每排3根或2根，交替布置，排距為2.4 m，布置2根錨索時配套2 m長槽鋼，頂板輔助鋼筋托梁和菱形鐵絲網(wǎng)護頂。設(shè)計錨桿預(yù)緊扭矩180 N·m，錨索預(yù)緊力為100 kN.巷道兩幫錨桿選用d16 m、長度1 600 mm的圓鋼錨桿，間排距1 200 mm×800 mm，上部錨桿距頂板600 mm，輔助碟形墊片、木托板和塑料網(wǎng)護幫，無錨索。原支護設(shè)計見圖3.

10-2171巷原支護設(shè)計存在的問題：

1) 錨桿托板存在明顯弊端。

錨桿配套d130 mm×8 mm碟形托板，經(jīng)實驗室檢測，該托板存在明顯的弊端，詳細數(shù)據(jù)見圖4.主要表現(xiàn)在以下方面：a) 托板承載能力較低，與使用錨桿桿體強度不相匹配。b) 托板結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，無法與調(diào)心球墊相配套。c) 無減摩墊片，扭矩轉(zhuǎn)換率低。d) 托板的拱形高度設(shè)計偏低，與錨桿桿體的協(xié)調(diào)變形不一致。

圖3　10-2171巷原支護設(shè)計圖

圖4　錨桿托板實物及加載試驗圖

2) 錨索支護構(gòu)件不匹配。

錨索配套槽鋼使用，通過現(xiàn)場觀察和試驗，主要表現(xiàn)為：a) 槽鋼強度低、腰厚薄，承載力低，在巷道表面不平整和圍巖壓力大時，錨索鎖具容易戳穿槽鋼腰部。b) 難以保證施工的錨索恰好放入槽鋼的預(yù)留孔內(nèi)，容易造成錨索尾部彎剪破壞。現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，錨索桿體的實際受力為錨索張拉力的1/3，進一步確認現(xiàn)場錨索不是單純的受拉。

3) 強頂弱幫的支護理念與現(xiàn)場實際存在差異[1].

10-2171巷頂板存在9 m厚堅硬灰?guī)r老頂，能夠形成“簡支梁”承載結(jié)構(gòu)，因此，巷道開挖后對頂板的影響較小。通過數(shù)值模擬分析，巷道開挖后應(yīng)力重新分布，水平和垂直應(yīng)力集中分布于巷道的兩幫和底板，且煤質(zhì)較軟，承載力低，導(dǎo)致幫部回縮、煤體破碎和底鼓現(xiàn)象。因此,應(yīng)注重巷道兩幫和底板的支護。

4) 頂板存在角度錨桿[2].

角度錨桿的缺點：a) 霍州煤電干河礦、回坡底礦、團柏礦掘進工作面錨桿扭矩轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果表明，相同預(yù)緊扭矩下角度錨桿會降低錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)換效率，見圖5.b) 林健等通過數(shù)值模擬及其他各礦務(wù)局錨桿破斷現(xiàn)象研究，得出角度錨桿有使圍巖中壓應(yīng)力區(qū)相互分離，大大減弱支護效果，角錨桿受力偏小，甚至受壓，使錨桿尾部螺紋受力狀態(tài)惡化，增加尾部螺紋破斷機率的缺點。不同角度錨桿扭矩轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果見圖5.

圖5　不同角度錨桿扭矩轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果圖

5) 錨桿錨索預(yù)應(yīng)力偏低[3].

2-1021巷原設(shè)計錨桿預(yù)緊扭矩為180 N·m，錨索預(yù)緊力為100 kN.通過實驗直徑為22 mm的BHRB335錨桿的屈服載荷為130 kN，直徑為21.6 mm的錨索索體破斷載荷為520 kN.井下現(xiàn)場錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果表明，預(yù)緊扭矩180 N·m時所產(chǎn)生的預(yù)緊力均低于30 kN.康紅普在錨桿錨索預(yù)緊力初始值的選擇中提出，錨桿預(yù)緊力為桿體屈服強度的30%～50%，錨索預(yù)緊力初始值應(yīng)達到索體破斷載荷的40%～70%.因此，原設(shè)計錨桿錨索預(yù)應(yīng)力偏低，影響了錨桿支護作用的發(fā)揮。

3改造方案分析[4]

為解決團柏煤礦堅硬頂板條件下沿空掘巷支護密度高、掘進速度慢、回采期間需返修，影響礦井采掘銜接和企業(yè)效益的技術(shù)難題，在綜合考慮該礦10#煤層地質(zhì)條件、鄰近巷道采動應(yīng)力和采區(qū)地應(yīng)力大小及方向等穩(wěn)定性影響因素基礎(chǔ)上，依據(jù)理論分析、數(shù)值模擬和工程類比法研究了堅硬頂板沿空掘進巷道圍巖應(yīng)力分布及變形破壞機理，圍繞原有支護存在的主要問題，通過改進巷道支護材料、施工機具及施工質(zhì)量檢查標準，提出了高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護技術(shù)。

4支護改造方案設(shè)計[5-7]

10-2171巷設(shè)計斷面矩形，寬×高=4.4 m×2.7 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。頂板布置5根屈服強度為335 MPa、直徑20 mm、長度2 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，選用1支規(guī)格為CK2340，1支規(guī)格為Z2360樹脂錨固劑加長錨固，配套規(guī)格為150 mm×150 mm×6 mm承載力≥170 kN的拱形高強度托板，調(diào)心球墊和減摩墊圈及d12 mm焊接鋼筋托梁，托梁寬度為80 mm.錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，垂直頂板安裝，要求初始預(yù)緊扭矩不低于300 N·m.錨索采用直徑17.8 mm，7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4 300 mm，采用1支CK2340和2支Z2360樹脂錨固劑，間排距1 600 mm×2 000 mm，錨索安裝在2排錨桿間頂板中部。用300 mm×300 mm×12 mm拱形高強錨索托板，配調(diào)心球墊，錨索張拉預(yù)緊力：200 kN.兩幫布置3根屈服強度為335 MPa、直徑18 mm、長度1 800 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，配套規(guī)格為150 mm×150 mm×6 mm承載力≥170 kN的拱形高強度托板，采用法蘭螺母和調(diào)心球墊、減摩墊圈及d12 mm焊接鋼筋托梁，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，新設(shè)計示意圖見圖6.

圖6　10-2171巷新支護設(shè)計示意圖

5應(yīng)用效果分析

1) 錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析[8].

10-2171巷為沿空掘進巷道，在巷道550 m和1 500 m分別布置2組錨桿受力監(jiān)測測站，受力監(jiān)測曲線見圖7和圖8.通過監(jiān)測曲線可知，錨桿和錨索受力隨時間的推移無明顯變化，頂幫錨桿受力穩(wěn)定在40 kN，幫部錨桿受力穩(wěn)定在60 kN，頂板錨索受力穩(wěn)定在40 kN.頂板錨桿、錨索受力明顯小于幫部受力，在類似巷道條件下，可減小頂板錨桿、錨索桿體直徑，降低巷道支護成本。

圖7　10-2171巷第一測站錨桿受力觀測曲線圖

圖8　10-2171巷第二測站錨桿受力觀測曲線圖

2) 經(jīng)濟效益分析。

統(tǒng)計試驗巷道掘進速度和支護成本，分析試驗巷道技術(shù)經(jīng)濟效益。原巷道平均進尺為269 m/月，新支護設(shè)計通過提高單根錨桿受力，放大錨桿間排距，平均進尺為336 m/月，平均進尺提高25%.新設(shè)計支護材料成本降低2.34%，設(shè)計巷道總長1 800 m，綜合計算進尺提高和材料節(jié)約費用，10-2171巷累計創(chuàng)造效益46.8萬元。

6結(jié)論

1) 團柏煤礦10-2171巷原支護設(shè)計存在支護構(gòu)件不匹配，頂板存在角度錨桿，錨桿錨索預(yù)應(yīng)力偏低，強頂弱幫的支護理念與現(xiàn)場實際存在差異等問題，影響巷道掘進單進水平且回采期間需返修巷道。

2) 新支護設(shè)計通過使支護材料構(gòu)件間合理匹配，提高單根錨桿錨索支護強度，降低了錨桿錨索支護密度。通過錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，頂板錨桿、錨索受力明顯小于幫部受力，在類似巷道條件下可考慮減小頂板錨桿、錨索桿體直徑，以降低巷道支護成本。

3) 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)，提高了掘進期間的單進水平及鄰空動壓巷道結(jié)構(gòu)的整體性，巷道掘進期間無變形，回采期間的最大變形量為85 mm，滿足掘進、回采期間的正常使用。

參考文獻

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Supporting Optimization Technology Research on Hard

Roof Roadway Driving along Goaf

XUE Xuhui

AbstractIn order to solve the technical problems of high supporting density, low driving speed, high repair rate during stoping, affecting mining connection and the enterprise benefits under the conditions of hard roof along gob-side entry driving in Tuanbai coal mine, through adopting the methods of site investigation, geological mechanics test, theoretical analysis and numerical simulation studies the stress distribution of surrounding rock and the failure mechanism of deformation in the hard roof along gob-side entry driving roadway, proposes high prestressed bolting mesh beam and cable combined supporting technology. Application effect shows using the combined supporting technology, there is no two-sided displacement during the roadway driving, while the period of stoping, the two-sided maximum displacement value is 85 mm, which meet the normal use during driving and mining, driving speed increased by 25%, reduce the cost of supporting materials 2.34%. The high prestressed bolting mesh beam and cable combined supporting technology improves the integrity of the roadway support structure and digging efficiency, reduces the cost of supporting material and avoids the repair in the hard roof adjacent goaf driving roadway during mining.

Key wordsHard roof; High prestress; Bolt mesh cable combined support; Roadway driving along goaf

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)12-0030-04

作者簡介：薛旭輝(1985—)，男，山西芮城人，2009年畢業(yè)于山西大同大學(xué)，工程師，主要從事煤礦巷道支護技術(shù)方面的研究工作(E-mail)516897129@qq.com

收稿日期：2015-10-24