復(fù)雜地質(zhì)條件下回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用

康虹等

摘 要：針對(duì)趙家壩煤礦回采巷道在開掘過程中，圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，煤層、巖層的層理和節(jié)理較發(fā)育，并且松軟破碎，施工不久，巷道發(fā)生嚴(yán)重變形、巷幫位移量大，底板底鼓嚴(yán)重等問題，采用了錨網(wǎng)加W鋼帶支護(hù)加固原理和錨索支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)原理后，提出了錨網(wǎng)索加W鋼帶聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：巷道支護(hù)；錨網(wǎng)索支護(hù)；支護(hù)參數(shù)；W鋼帶

中圖分類號(hào)：TD353+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.084

趙家壩煤礦的礦井地質(zhì)構(gòu)成比較復(fù)雜，煤層和圍巖松軟，受急傾斜地質(zhì)構(gòu)造的影響，開采煤層傾角大，采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，回采巷道圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，圍巖遇水膨脹，巷道頂板很容易發(fā)生冒落，兩幫片落鼓折，這些都會(huì)嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)安全。為了選擇合適的改進(jìn)支護(hù)技術(shù)改善巷道維護(hù)狀況，結(jié)合趙家壩煤礦回采巷道煤巖層地質(zhì)特征，優(yōu)化了回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)，并根據(jù)新的支護(hù)方案在該礦東六采區(qū)9#煤層回采巷道進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

1 巷道基本情況

9#煤層回采巷道煤層平均傾角約為64°，煤層平均厚度1.17 m。偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.28 m；直接頂為泥質(zhì)粉砂巖，厚1.85 m；老頂為粉砂巖，厚39.3 m。直接底為灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖含煤線，厚1.66 m，距9#煤層底板1.6 m（真厚）的是10#煤層。巷道順煤層布置，巷道凈寬3.8 m，凈高2.7 m，采用錨網(wǎng)支護(hù)。

2 回采巷道錨桿支護(hù)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

自趙家壩煤礦回采巷道采用錨桿支護(hù)替代架棚支護(hù)以來，支護(hù)效果明顯改善。但是，隨著礦井開采強(qiáng)度的增大和受煤巖層本身地質(zhì)特征的影響，錨桿支護(hù)不能有效發(fā)揮其作用。通過分析回采巷道的數(shù)值，在現(xiàn)有支護(hù)下，巷道圍巖垂直應(yīng)力明顯增加，頂板、底板和兩幫低應(yīng)力范圍縮小。雖然現(xiàn)有支護(hù)提高了巷道周邊圍巖的應(yīng)力，加固了周邊大范圍的圍巖，但是，巷道周邊圍巖松散破碎，不能很好地加固淺部巖層，因而達(dá)不到形成整體承載結(jié)構(gòu)的效果。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

錨桿支護(hù)形式的設(shè)計(jì)關(guān)乎巷道錨桿支護(hù)效果。此次支護(hù)設(shè)計(jì)是通過數(shù)值計(jì)算的，分析巷道在不同支護(hù)狀態(tài)下變形破壞的基本特征。根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試和數(shù)值模擬分析結(jié)果，決定采用“錨索+錨桿（與強(qiáng)力W鋼帶配合）+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)的方式。錨索在圍巖中形成“外承載圈”，起到懸吊的作用，錨桿配合強(qiáng)力W鋼帶、網(wǎng)和高強(qiáng)度托板，將分散的多根錨桿連接成一個(gè)承載整體，形成“內(nèi)支護(hù)圈（內(nèi)承載結(jié)構(gòu)）”，承擔(dān)“外支護(hù)圈之內(nèi)圍巖壓力”。

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)

3.1.1 錨桿長度

錨桿長度的計(jì)算公式為：

L=N（1.5+W/10）. （1）

式（1）中：L為錨桿長度，m；N為圍巖穩(wěn)定性系數(shù)，取1.1；W為巷道掘進(jìn)寬，m，掘進(jìn)寬度按照3.8 m計(jì)算。

將相關(guān)數(shù)值代入式（1）中得：L=1.1×（1.5+3.8÷10）=2.068 m。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際情況，確定錨桿長度L=2.2 m。

3.1.2 錨桿直徑

據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得：

d=L/110. （2）

在式（2）中，L為錨桿長度，取2.2 m，則d=2 200/110=20 mm。

使用Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑與鉆孔直徑的合理匹配是它們的直徑之差，即6～12 mm，最佳差為7～8 mm，所以，使用Φ28 mm的鉆頭打設(shè)錨桿鉆孔。

3.1.3 錨桿間排距

錨桿間排距計(jì)算公式為：

M≤0.9/N. （3）

式（3）中：N為圍巖影響系數(shù)，取1.1.

將相關(guān)數(shù)值代入式（3）中可得：M=0.9÷1.1=0.818 m。在完成相關(guān)計(jì)算時(shí)，選取M=0.80 m，即錨桿間距和排距分別為0.80 m。

3.2 錨索支護(hù)主要參數(shù)計(jì)算

3.2.1 錨索材料

參考廣旺礦區(qū)資料和相關(guān)文獻(xiàn)，錨索材料一般使用高強(qiáng)度、低松弛黏結(jié)式1×7鋼絞線，直徑為15.24 mm。錨固力>200 kN，預(yù)拉力為130 kN。

3.2.2 錨索錨固長度

按照GBJ 86—85的要求，錨索錨固長度La應(yīng)滿足式（4），即：

La≥k（dfi/4fe）. （4）

式（4）中：k為安全系數(shù)，取1.3；d為鋼絞線直徑，取15.24 mm；fi為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，取1 860 N/mm2；fe為錨索與錨固劑設(shè)計(jì)黏結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)樹脂作錨固劑時(shí)，取5.0 N/mm2。

將相關(guān)數(shù)值代入式（4）中可，經(jīng)計(jì)算得：La≥1 843 mm。根據(jù)實(shí)際情況確定錨固長度為2 100 mm，錨索采用6只K2335樹脂錨固劑端頭錨固。

3.2.3 錨索長度

錨索長度的計(jì)算公式為：

L=La+Lb+Lc+Ld. （5）

式（5）中：L為錨索總長度，m；La為錨索深入比較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取2.1 m；Lb為需懸吊的不穩(wěn)定巖層總厚度，根據(jù)煤巖層綜合柱狀圖，其取5.6 m；Lc為上托梁和錨具的長度，不小于0.1 m，取0.15 m；Ld為需要外露的張拉長度，不小于0.2 m，取0.25 m。

因?yàn)榘踩禂?shù)取1.05～1.1，所以，錨索長度為8.51～8.91 m。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定錨索長度為9.0 m。

3.2.4 錨索間排距

依據(jù)錨索預(yù)緊力和趙家壩煤礦半煤巖巷煤巖層的實(shí)際情況，每間隔兩排錨桿布置6根錨索。

3.2.5 錨索支護(hù)時(shí)間

如果過早施工，錨索巷道圍巖的變形會(huì)拉斷鋼絞線；如果過晚施工，則會(huì)導(dǎo)致錨索錨桿錨固段與錨索錨固段巖層分離。一般情況下，可以根據(jù)巷道實(shí)際施工進(jìn)度，緊跟掘進(jìn)工作面施工錨桿，滯后10 m左右施工錨索。

4 確定支護(hù)方案

通過分析急傾斜松軟煤層破碎圍巖動(dòng)壓巷道的破壞特點(diǎn)、支護(hù)對(duì)策，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)松動(dòng)圈的厚度，對(duì)巷道采用全斷面錨網(wǎng)（與W鋼帶配合）加錨索聯(lián)合支護(hù)，即先對(duì)巷道頂板和兩幫進(jìn)行全斷面錨網(wǎng)支護(hù)，然后每間隔3 200 mm，在巷道拱頂和兩幫錨桿空隙處分別施工錨索。巷道每個(gè)斷面布置6根錨索打在錨桿空擋中間，端頭錨固采用6支樹脂藥卷（K2335共6支），端頭錨固長度為2 100 mm，外露長度不超過300 mm，錨索托盤規(guī)格為400 mm×90 mm×76 mm的高強(qiáng)度十字鋼托梁和配套鎖具。

5 結(jié)論

對(duì)于復(fù)雜條件下的半煤巷錨桿支護(hù)，依據(jù)圍巖強(qiáng)度耦合支護(hù)原理，以高強(qiáng)錨桿實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度匹配。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件回采巷道變形破壞的特點(diǎn)，使用了較高強(qiáng)度的W鋼帶配合金屬網(wǎng)支護(hù)。同時(shí)，在局部地區(qū)的薄弱處，合理增加了錨索支護(hù)，以增強(qiáng)圍巖表面的約束力。

通過優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，趙家壩煤礦急傾斜煤層重復(fù)采動(dòng)軟巖巷道支護(hù)更加合理，明顯改善了巷道維護(hù)狀況，有效控制了圍巖位移。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕