可調(diào)心拱形托片在大斷面巷道掘進(jìn)過程中的應(yīng)用

白 宙

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033600)

·試驗(yàn)研究·

可調(diào)心拱形托片在大斷面巷道掘進(jìn)過程中的應(yīng)用

白 宙

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033600)

對(duì)斜溝煤礦18209大斷面掘進(jìn)巷道開展地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，并分析了地應(yīng)力分布規(guī)律。應(yīng)用新型支護(hù)材料，并通過新舊支護(hù)方案的對(duì)比，得出新型支護(hù)方案解決了錨桿、錨索各構(gòu)件合理配套問題，從而為斜溝煤礦掘進(jìn)巷道提供科學(xué)合理的支護(hù)方案，顯著提高了巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度，減少了掘進(jìn)時(shí)期及后期維護(hù)材料消耗，對(duì)斜溝煤礦節(jié)支降耗具有重要意義。

大斷面巷道；可調(diào)心拱形托片；調(diào)心球墊；減震墊片；支護(hù)強(qiáng)度；節(jié)支降耗

斜溝煤礦位于山西省興縣以北50 km處的魏家灘鎮(zhèn)，井田走向近南北，傾向西。作為山西西山晉興能源有限責(zé)任公司的1 500萬噸級(jí)特大型現(xiàn)代化礦井，隨著采區(qū)及工作面數(shù)量的增加，要求掘送的巷道數(shù)量和長(zhǎng)度都明顯增加，雖然該礦經(jīng)過多年的努力探索，支護(hù)設(shè)計(jì)基本能夠滿足現(xiàn)有安全生產(chǎn)需要，但部分巷道在掘進(jìn)及回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，圍巖變形加大，部分巷道出現(xiàn)錨桿(索)斷裂、鋼帶被切段等現(xiàn)象，加大了巷道支護(hù)難度。通過在斜溝煤礦應(yīng)用可調(diào)心拱形托片等新型材料，解決了錨桿(索)合理配套問題，改善了支護(hù)受力狀態(tài)，提高了巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度，減少了掘進(jìn)及后期維護(hù)材料消耗。

1 應(yīng)用巷道基本條件

18209材料巷位于斜溝煤礦12采區(qū)，巷道掘進(jìn)斷面寬5 200 mm×高3 800 mm，全長(zhǎng)3 016 m，埋深473 m，直接頂為平均厚度3.97 m的泥巖，基本頂為平均厚度13.78 m的粗粒砂巖，巷道沿8#煤層頂板掘進(jìn)，平均煤厚5.66 m，平均傾角為10.6°.

2 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試及分析

地質(zhì)力學(xué)測(cè)試孔布置在12采區(qū)8#煤層中，測(cè)點(diǎn)鉆孔深度19.1 m. 經(jīng)窺視儀觀察，巷道頂板為7.3 m泥巖，完整性好，節(jié)理裂隙發(fā)育程度低。經(jīng)地應(yīng)力測(cè)試，得出所測(cè)區(qū)域最大水平主應(yīng)力為11.54 MPa.根據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)與巷道布置理論，最佳布置為巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向垂直，而18209材料巷沿正北向南方向布置，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼?5.4°，最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道變形影響較大，影響最大位置見圖1.

圖1 與最大主應(yīng)力呈一定角度時(shí)巷道的破壞狀況圖

由圖1可知，18209材料巷類型屬于B類，巷道下幫的頂、底及幫部受到的影響最大，且巷道表面風(fēng)化后，巷道的變形量會(huì)持續(xù)增大。因此，必須加強(qiáng)巷道圍巖的控制，而圍巖的強(qiáng)度、應(yīng)力和支護(hù)參數(shù)是決定巷道穩(wěn)定的主要因素，所以應(yīng)從以下3方面來提升支護(hù)強(qiáng)度：

1) 頂部使用高強(qiáng)度錨桿可提供較大的支護(hù)阻力，通過提高錨桿(索)預(yù)緊力，減小巷道深部圍巖強(qiáng)度弱化速度，減小圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)的范圍，從而減少圍巖變形量。

2) 通過對(duì)兩幫及底角加強(qiáng)支護(hù)，可有效阻止破碎區(qū)圍巖的碎脹變形，從而使兩幫有效支撐頂板，防止頂板下沉。

3) 該礦錨桿、錨索、鋼帶混合使用，且布置在同一排，由于錨桿承載能力遠(yuǎn)低于錨索，因此整體支護(hù)作用不協(xié)調(diào)，僅錨索承載，錨桿失效，且錨索為與鋼帶配套，選用小托片置于鋼帶槽內(nèi)，當(dāng)施加預(yù)緊力時(shí)，構(gòu)件面積小，預(yù)緊力不能有效擴(kuò)散，容易將鋼帶剪斷，所以錨桿、錨索應(yīng)錯(cuò)排布置。

3 新舊支護(hù)方案對(duì)比

3.1 新型支護(hù)材料實(shí)驗(yàn)

1) 錨桿托板。原錨桿托板與新型錨桿托板對(duì)比

圖見圖2，對(duì)兩種錨桿托板進(jìn)行承載力檢測(cè)對(duì)比得到曲線圖，見圖3.

圖2 錨桿托板對(duì)比圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，原托板承載力約為215 kN，

圖3 不同結(jié)構(gòu)錨桿托板承載力檢測(cè)對(duì)比曲線圖

新型可調(diào)心托板承載力約為412 kN. 采用新型錨桿托板一方面可提高托板力學(xué)性能，另一方面還能降低材料成本。

2) 調(diào)心球墊及減摩墊片。調(diào)心球墊能夠和錨桿托板組成可調(diào)心結(jié)構(gòu)，在錨桿承受偏心載荷作用時(shí)，調(diào)節(jié)桿體受力方向與受力狀態(tài)。經(jīng)過可調(diào)心拱形托板配尼龍墊片的預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化試驗(yàn)得出曲線圖，見圖4.

圖4 不同減摩措施下預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)換效率曲線圖

通過試驗(yàn)可以看出，扭矩為180 N·m時(shí)，采用尼龍墊片和高強(qiáng)度平墊，錨桿獲得預(yù)緊力分別為37.5 kN和40 kN，而無減摩措施下僅為30.1 kN，采用減摩墊片后明顯提高了錨桿扭矩同軸向力的轉(zhuǎn)化效率。

3) 錨索托片。新型的錨索托片為300 mm×300 mm×14 mm的可調(diào)心拱形托片配調(diào)心球墊。通過試驗(yàn)，托片加載位移曲線見圖5. 不同張拉載荷下錨索預(yù)緊力變化曲線見圖6.

圖5 錨索托片加載位移曲線圖

圖6 不同張拉載荷下錨索預(yù)緊力變化曲線圖

由圖5可以看出，新型托片的承載力可達(dá) 700 kN以上，達(dá)到最大載荷時(shí)拱部收縮量高達(dá)24.1 mm，采用新型托片可以對(duì)錨索的承載起到緩沖作用，同時(shí)節(jié)省材料。

而該礦要求錨索預(yù)緊力為120 kN，當(dāng)油泵油表顯示為120 kN時(shí)，錨索獲得實(shí)際載荷僅為72.58 kN，損失達(dá)39.52%，因此在實(shí)際操作過程中，應(yīng)采用“超張拉”來彌補(bǔ)預(yù)緊力損失，保證錨索充分發(fā)揮支護(hù)作用。

3.2 支護(hù)方案對(duì)比

1) 原支護(hù)方案。

a) 頂錨桿采用d22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×1 000 mm，托板采用150 mm×150 mm×14 mm鋼托板，幫錨桿均采用d22 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，所有錨桿采用一支MSCK2380和一支MSZ2380樹脂錨固劑，頂錨桿預(yù)緊力矩180 N·m，幫錨桿預(yù)緊力矩70 N·m.

b) 頂錨索采用d21.6 mm×5 500 mm鋼絞線配150 mm×150 mm×20 mm鋼托板及配套鎖具，采用“二一二一”間隔布置，間排距3 200 mm×1 000 mm，所有錨索均采用一支MSCK2380和兩支MSZ2380樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力120 kN.

c) 鋼帶采用規(guī)格為寬250 mm×厚3 mm的“W”型鋼帶，長(zhǎng)度為5 000 mm.

d) 頂部金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制的規(guī)格為6 200 mm×1 100 mm的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，幫部不設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)。

2) 新型材料支護(hù)方案。

a) 頂錨桿采用d22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用150 mm×150 mm×10 mm可調(diào)心拱型托板，所有頂錨桿采用一支MSCK2380和一支MSZ2380樹脂錨固劑，預(yù)緊力矩300 N·m.

b) 煤柱側(cè)幫錨桿采用d22 mm×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，預(yù)緊力矩為180 N·m；工作面?zhèn)葞湾^桿采用d20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，預(yù)緊力矩為70 N·m，所有幫錨桿均采用一支MSZ2380樹脂錨固劑。

c) 頂錨索采用d21.6 mm×5 500 mm鋼絞線配300 mm×300 mm×14 mm型可調(diào)心拱形托片及配套鎖具，采用兩根矩形布置，間排距1 800 mm×2 000 mm，所有頂錨索均采用一支MSCK2380和兩支MSZ2380樹脂錨固劑錨固，錨索預(yù)緊力為200 kN.

d) 鋼帶采用規(guī)格為寬250 mm×厚3 mm的“W”型鋼帶，長(zhǎng)度為4 700 mm.

e) 頂、幫金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm的菱形金屬網(wǎng)，頂網(wǎng)規(guī)格為6 200 mm×1 100 mm，幫網(wǎng)規(guī)格為3 000 mm×1 100 mm.原支護(hù)方案與新型材料支護(hù)方案對(duì)比圖見圖7.

圖7 支護(hù)方案對(duì)比圖

3) 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較。

材料巷支護(hù)材料成本對(duì)比情況見表1.

表1 材料巷支護(hù)材料成本對(duì)比表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，18209材料巷原支護(hù)方案所用材料直接成本大約2 373.1元/m，采用新方案所用材料直接成本大約2 106.7元/m，可以看出材料巷新支護(hù)方案的每米成本價(jià)格要比原支護(hù)方案節(jié)約266.4元。

4) 應(yīng)用效果比較。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用對(duì)比，發(fā)現(xiàn)原錨桿托板拱高較低，承載能力弱，受力較大時(shí)容易造成托板外翻，支護(hù)失效，且孔口直徑偏小，錨桿容易受到剪、扭、彎等綜合應(yīng)力作用而發(fā)生破斷。尤其部分托板加工不平整，當(dāng)錨桿受力較大時(shí)，托板剪斷鋼帶，孔口也沒有倒角和調(diào)心球墊，托板與螺母呈線性接觸，不利于錨桿桿體受力的傳遞，無法起到調(diào)節(jié)錨桿偏心的作用，錨桿容易偏載，造成螺紋段彎曲破斷。高強(qiáng)度可調(diào)心拱形托板強(qiáng)度高，可吸收一定變形，在錨桿破斷前一般不會(huì)出現(xiàn)托板脆性破裂或被壓成反拱型，始終能夠保證錨桿發(fā)揮其效能，且孔口設(shè)倒角，能夠與調(diào)心球墊相匹配，調(diào)節(jié)錨桿的受力角度，減小錨桿因偏載而使桿體受到綜合應(yīng)力作用。

原設(shè)計(jì)錨索托片承載能力差，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力和承受的載荷比較大時(shí)，平托板四周易翹起，托板承載顯著降低，甚至將托板壓穿，使錨索失效，且無法調(diào)心的構(gòu)造只適用于錨索垂直巷道表面布置，如果巷道表面不夠平整則容易造成錨索偏載，嚴(yán)重時(shí)甚至將錨索切斷。而新型可調(diào)心拱形托片不僅能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將錨索托板的厚度降低，調(diào)節(jié)錨索受力狀態(tài)，且支護(hù)效果更好。

4 結(jié) 語

在使用新型支護(hù)材料及支護(hù)方案后巷道掘進(jìn)中基本沒有再出現(xiàn)錨桿(索)斷裂、鋼帶被剪斷等現(xiàn)象，同時(shí)新型支護(hù)方案在幫部補(bǔ)充了金屬網(wǎng)，加強(qiáng)了巷道幫部圍巖的控制，從而使兩幫有效支撐頂板，防止頂板下沉。由于斜溝煤礦工作面順槽長(zhǎng)度均大于2 000 m，以18209材料巷為例，新型支護(hù)方案通過減少每延米材料消耗量，使掘進(jìn)材料費(fèi)用總計(jì)減少約803 462.4元，因此可調(diào)心拱形托片等新型材料不僅使支護(hù)效果顯著提高，而且減少了材料消耗，降低了掘進(jìn)時(shí)期及后期巷道維護(hù)材料費(fèi)用。

Key words Large cross section roadway; Adjustable arch supporting pieces; Ball shaped gasket ; Shock absorber; Support strength; Save on expense and energy

Extra-thickcoalseam;Smallpillarminingface;Goaf;Grounddrilling;Undergroundnitrogeninjection

Application of Adjustable Arch Supporting Pieces in Large Cross Section Roadway Excavation

BAI Zhou

Geological mechanics tests are carried out on No.18209 roadway with large-section in XieGou ditch coal mine, and the law of geostress distribution is analyzed. The new support scheme is used to solve the problem during supporting, by comparison the traditional scheme of which the bolts and cables are usually hard to be perfectly matched, provides a scientific and reasonable support scheme for the roadway excavation in the coal mine. The application improves the support strength of roadway surrounding rock, and reduces the material consumption and maintenance cost, which is of great significance for the production.

2016-12-27

白 宙(1989—)，男，山西興縣人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦采掘生產(chǎn)管理工作

(E-mail)535397765@qq.com

TD353

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1672-0652(2017)02-0011-04