托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

郝文科

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

1 概述

煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)是我國(guó)煤炭行業(yè)支護(hù)技術(shù)革新項(xiàng)目之一，經(jīng)過在生產(chǎn)過程中的推廣和應(yīng)用，已取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，峰峰集團(tuán)公司萬年礦在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖的回采巷道全部使用，均為摸大煤頂板施工。但是隨著輕型放頂煤采煤工藝的全面推廣，回采巷道全部由摸大煤頂板掘進(jìn)改為摸大煤底板掘進(jìn)，需托頂煤支護(hù)。萬年礦大煤平均煤厚4.5m，巷道掘進(jìn)高度3.0m，巷道摸底掘進(jìn)采用錨桿支護(hù)時(shí)需托頂煤厚度1.5m。大煤偽頂為碳質(zhì)頁巖，平均厚度500mm，直接頂為粉砂巖，平均厚度4m，老頂為中細(xì)砂巖，平均厚度14m。托頂煤錨桿支護(hù)時(shí)巷道頂板為復(fù)合頂板，錨桿難以錨固到穩(wěn)定巖層中，管理人員和廣大施工人員對(duì)托頂煤錨桿支護(hù)的可靠性均持懷疑態(tài)度，因此，萬年礦大煤巷道摸底掘進(jìn)一直采用工字鋼梯形架棚支護(hù)或U鋼拱型可縮支架支護(hù)。但是這兩種支護(hù)形式均為被動(dòng)支護(hù)形式，在采深越來越大，地壓影響越來越明顯的情況下，其支護(hù)效果越來越差，極易變形，需反復(fù)臥底整修，而且回采替茬困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大，綜合成本高，經(jīng)濟(jì)效益差，影響輕放回采工藝機(jī)械化性能的充分發(fā)揮；繼續(xù)采用大煤巷道摸頂錨桿支護(hù)，回采時(shí)上下兩巷處留三角煤，降低回采率，而且工作面坡度不一致，影響設(shè)備正常運(yùn)行。為了改變上述狀況，我們進(jìn)行了托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)應(yīng)用試驗(yàn)。

托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)試驗(yàn)的目的是摸索出一種符合萬年礦實(shí)際情況的托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)技術(shù)及支護(hù)參數(shù)，并且錨固性能可靠，能夠有效阻止圍巖變形，達(dá)到有效支護(hù)巷道的目的。根據(jù)這一要求，首先經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，在加大保險(xiǎn)系數(shù)的前提下進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)，并通過LBY－3型頂板離層儀和ZMC－ⅡA型錨桿測(cè)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)分析，取得試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)成功后再進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、支護(hù)可靠的目的。

2 試驗(yàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)巷道地質(zhì)狀況

我們?cè)?3230工作面上下兩巷和切眼進(jìn)行了支護(hù)試驗(yàn)。13230輕放工作面井下位于萬年礦二水平北二采區(qū)上部，工作面標(biāo)高±0～－50m，試驗(yàn)段巷道標(biāo)高－45～－53m。地面標(biāo)高＋222～＋225m之間。煤層平均厚4.5m，煤質(zhì)牌號(hào)為無煙煤，質(zhì)硬，煤層普氏堅(jiān)固性系數(shù)f＝2～5，其單向抗壓強(qiáng)度15～25MPa之間，平均18.5MPa。偽頂為炭質(zhì)頁巖，厚300mm，層理發(fā)育，極易垮落；直接頂為粉砂巖，厚度2.0m，節(jié)理發(fā)育，f＝4～6，其抗壓強(qiáng)度為23.6～48.3MPa，根據(jù)原煤炭部下發(fā)《地質(zhì)條件分類細(xì)則》確定本區(qū)頂板為三類頂板。老頂為中細(xì)粒砂巖，厚度14m，灰白色，以石英、長(zhǎng)石為主，裂隙發(fā)育，鈣質(zhì)膠結(jié)；直接底為粉砂巖，厚3.0m，其抗壓強(qiáng)度27.4～55.3MPa，平均46.2MPa。老底為細(xì)砂巖，6.3m厚。

2.2 巷道規(guī)格及支護(hù)參數(shù)

1）13230 工作面上下兩巷原采用工字鋼支護(hù)，摸底掘進(jìn) .上下兩巷鄰近切眼10m，和切眼全部采用錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)，摸底掘進(jìn)。

2）上下兩巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)斷面為矩形斷面，其規(guī)格：凈寬×凈高＝3.0m×3.0m；切眼錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)斷面為矩形斷面，其規(guī)格：凈寬×凈高＝5.0m×3.0m。

3）根據(jù)對(duì)該區(qū)圍巖分析，對(duì)圍巖進(jìn)行分類。

煤層單軸抗壓強(qiáng)度σ煤＝15～25MPa之間，平均18.5MPa；直接頂單軸抗壓強(qiáng)度σ直接頂＝23.6～48.3MPa，平均35MPa；底板抗壓強(qiáng)度σ底板＝27.4～55.3MPa，平均46.2MPa；巷道埋深（平均）h＝280m。

根據(jù)上述條件，參照“錨桿支護(hù)煤層巷道圍巖穩(wěn)定性分類”之規(guī)定，本區(qū)巷道圍巖定為三類圍巖。

4）頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。

根據(jù)懸吊理論和組合梁理論進(jìn)行計(jì)算及以往施工經(jīng)驗(yàn)和該區(qū)使用錨桿情況，結(jié)合本區(qū)巷道摸底掘進(jìn)，巷道凈高3.0m，煤厚4.5m，托頂煤1.5m，偽頂厚300mm，直接頂厚度為2m，為保證施工安全，上下兩巷和切眼均選頂錨桿長(zhǎng)度2.4m。錨桿錨固力取80kN。

經(jīng)公式計(jì)算，結(jié)合巷道規(guī)格上下兩巷和切眼頂錨桿間距，D取750mm，排距均取L0＝700mm。

選用高強(qiáng)度帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿，材質(zhì)為20MnSi，直徑20mm，桿尾經(jīng)強(qiáng)化熱處理，桿前端螺紋滾絲而成，其屈服載荷為104.7kN，極限載荷為160kN。

經(jīng)公式計(jì)算錨固劑選用MSZ2360樹脂錨固劑一卷進(jìn)行錨固。

5）錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。

根據(jù)該工作面巷道地質(zhì)情況和實(shí)際揭露巷道圍巖完整穩(wěn)定。因此錨索長(zhǎng)度選用為6m，錨索能夠錨固到老頂中2.0m左右。

錨索的間排距。經(jīng)計(jì)算上下兩巷取每排2根錨索，錨索順巷道平行布置兩列，距巷中500mm各一列，每排錨索間距1.0m，錨索排距1.4m；切眼取每排3根錨索，錨索順巷道平行布置三列，小規(guī)格掘進(jìn)時(shí)打設(shè)兩列，擴(kuò)大規(guī)格時(shí)再打設(shè)一列。錨索排距1.4m。錨索均交錯(cuò)布置。

錨索的材料。錨索采用直徑15.24mm低松弛鋼絞線，其破斷載荷為260.7kN。

錨固劑。錨索設(shè)計(jì)錨固力260kN，錨固劑選用MSCK2360樹脂藥卷1卷、MSK2360樹脂藥卷1卷、MSZ2360樹脂藥卷1卷，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)錨固力可達(dá)260kN以上滿足設(shè)計(jì)要求。

6）其他支護(hù)材料。

托板：錨桿均配備直徑Φ120mm×10mm的A3鋼鑄件托板，角錨桿使用專用角托板。為了防止頂煤冒落，頂板鋪菱形金屬網(wǎng)。鋼筋梯子梁：采用Φ18A3鋼制作的鋼筋梯子梁支護(hù)頂板。錨索梁為2.4m長(zhǎng)11號(hào)工字鋼。

2.3 巷道總體布置

巷道采用錨（索）網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿為20MnSi帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿，直徑20mm，長(zhǎng)2 400mm，上下兩巷和切眼頂錨桿間距均為750mm，排距700mm。巷道兩幫采用脹套式可回收錨桿，直徑18mm，長(zhǎng)1 800m，間距800mm，排距700mm。頂板鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)并使用梯子梁，兩幫鋪設(shè)塑料網(wǎng)。為加強(qiáng)巷道支護(hù)，上下兩巷及切眼小規(guī)格掘進(jìn)時(shí)順巷道平行布置兩排錨索，距巷中500mm各一排，兩排錨索平行邁步式布置，錨索排距1 000mm，間距1 400mm；切眼擴(kuò)大規(guī)格時(shí)順巷道再平行布置一排錨索，錨索間距1 400mm。錨索采用直徑15.24mm低松弛鋼絞線，錨索長(zhǎng)度為6 000mm。下頁圖1所示為上下兩巷托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)斷面圖；下頁圖2為上下兩巷托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)平面圖。

切眼采用兩次施工，第一次采用凈寬3 000mm規(guī)格掘出，打兩列錨索，待巷道形成系統(tǒng)后工作面安裝前再擴(kuò)為設(shè)計(jì)規(guī)格（凈寬5 000mm），擴(kuò)大規(guī)格時(shí)再打設(shè)一排錨索。下頁圖3所示為切眼托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)斷面圖；下頁圖4為切眼托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)平面圖。

2.4 巷道監(jiān)測(cè)措施

煤巷錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)從支護(hù)機(jī)理和參數(shù)計(jì)算上有其特性，因此必須進(jìn)行巷道監(jiān)測(cè)，通過信息反饋優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，并為以后煤巷錨桿支護(hù)提供依據(jù)：

圖1 上下兩巷托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)斷面圖（mm）

圖2 上下兩巷托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)平面圖（mm）

圖3 切眼托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)斷面圖（mm）

1）在切眼上下片口和切眼（切眼長(zhǎng)35m）正中各安設(shè)一組測(cè)站，共三組測(cè)站，每組測(cè)站各安設(shè)一個(gè)LBY－3型頂板離層儀和一個(gè)ZMC－ⅡA型錨桿測(cè)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，頂板離層指示儀和托錨計(jì)交錯(cuò)布置且安設(shè)在巷道頂板中央，其安設(shè)緊跟迎頭與錨桿施工同時(shí)進(jìn)行。

2）錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)頂板管理小組認(rèn)真觀測(cè)頂板離層指示儀，密切注意觀察頂板及兩幫圍巖移動(dòng)情況，當(dāng)頂板位移達(dá)到30mm時(shí)，立即通知技術(shù)科，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采取縮小錨桿排距、加使棚子等加強(qiáng)支護(hù)辦法，達(dá)到50mm時(shí)，必須停止掘進(jìn)，由外向里進(jìn)行架棚支護(hù)，以里巷道不得有人。

圖4 切眼托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)平面圖（mm）

3）巷道每掘10～30m或打設(shè)150根錨桿必須進(jìn)行一組（3根）錨桿拉拔試驗(yàn)。拉拔加載至錨桿設(shè)計(jì)錨固力的90%。有一根不合格時(shí)再抽檢一組，若第一組抽檢有兩根（含兩根）以上或第二組抽檢仍達(dá)不到上述要求，要立即停止作業(yè)，查明原因及時(shí)采取措施。

4）抽樣一組（3個(gè)）螺母，采用扭矩扳手對(duì)螺母扭矩進(jìn)行檢查，每個(gè)螺母的扭緊力矩應(yīng)不小于80N／m，若其中一個(gè)不符合要求，將扭矩不足的螺母擰緊即可，超過兩個(gè)時(shí)，須將本班安裝的螺母全部擰緊一遍。

3 施工時(shí)間及施工工程量

自2006年8月15日開始在230溜子道采用錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)，到9月15日見斷層改為架棚支護(hù)，共施工31天，每天掘進(jìn)3m，共施工巷道90m。

4 托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)礦壓觀測(cè)

實(shí)際施工中在13230切眼設(shè)了A、B 2個(gè)主要觀測(cè)站，分別用LBY－3型頂板離層儀觀測(cè)頂板離層情況（每個(gè)頂板離層儀安裝三基點(diǎn)，分別為2.4m深、6m深、8m深），ZMC－ⅡA型錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)錨索實(shí)際承受力情況，觀測(cè)結(jié)果表明：從頂板離層儀及錨桿測(cè)力計(jì)觀測(cè)的結(jié)果來看，試驗(yàn)巷道是穩(wěn)定的。支護(hù)效果是良好的，能夠滿足支護(hù)巷道要求；頂板離層位移較小，且表現(xiàn)為均勻性；試驗(yàn)巷道掘進(jìn)穩(wěn)定期為20天；托頂煤錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)符合設(shè)計(jì)要求，能夠承受沒有斷層等地質(zhì)構(gòu)造情況下的托頂煤頂板應(yīng)力，支護(hù)參數(shù)有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)語

錨（索）網(wǎng)梁支護(hù)能夠滿足正常情況下的托頂煤煤巷支護(hù)要求，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，社會(huì)效益顯著。但是也存在施工人員操作技術(shù)不夠熟練，施工進(jìn)度不夠理想，遇見斷層等地質(zhì)弱化帶需要改變支護(hù)形式以確保安全，支護(hù)參數(shù)需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，盡最大可能降低支護(hù)成本等問題需要在今后的推廣應(yīng)用中予以關(guān)注。