煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用探討

白 宇

1 盤區(qū)地質(zhì)概述

寺河煤礦二號井九七盤區(qū)大巷沿9#煤層的底板施工，設(shè)計三條大巷分別稱為97101、97102、97103大巷，作為盤區(qū)的準(zhǔn)備巷道。盤區(qū)內(nèi)9#煤層位于石炭系太原組中部，上限標(biāo)高為636 m，下限標(biāo)高為468 m，地面標(biāo)高為793～1024 m。直接頂板為厚3.3 m粉砂巖，老頂為厚5.3 m的細(xì)砂巖，底板為厚0.8 m的石灰?guī)r。

現(xiàn)有的支護(hù)方案頂板的支護(hù)強度達(dá)到了90，000 kg/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定支護(hù)強度，增加了成本。同時也造成巷道掘進(jìn)速度慢、效率低。

2 巷道應(yīng)力測試與分析

為了科學(xué)合理的設(shè)計巷道支護(hù)方案，研究地應(yīng)力對巷道布置的影響，掌握測試區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力的大小與方向和9#煤圍巖特性。對實驗巷道進(jìn)行地應(yīng)力測試。

根據(jù)礦井生產(chǎn)技術(shù)條件和地應(yīng)力測試要求，分別在九七盤區(qū)大巷的聯(lián)絡(luò)巷（測點A）和97202大巷950 m處（測點B）選定兩處位置實施試驗。

2.1 測試過程與應(yīng)力數(shù)據(jù)

在兩個測點分別施工鉆孔并安裝應(yīng)力計，利用鉆孔取出的巖芯在實驗室加工成標(biāo)準(zhǔn)試塊。通過單軸壓縮試驗確定測量段巖石的彈性模量、泊松比和單軸抗壓強度等力學(xué)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理得到測點A和測點B附近區(qū)域地應(yīng)力實測結(jié)果。

表1 地應(yīng)力計算結(jié)果

可以看出，九七盤區(qū)大巷的聯(lián)絡(luò)巷和97202大巷最大水平主應(yīng)力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E，垂直主應(yīng)力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，說明該區(qū)域地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。

2.2 應(yīng)力分析

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，九七盤區(qū)所在的位置的屬于低應(yīng)力區(qū)，井下的工程實踐也證明此區(qū)域的水平應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯。九七盤區(qū)頂板巖石穩(wěn)定性好，強度較高。因水平應(yīng)力對九七盤區(qū)大巷和順槽的布置影響很小，最大水平主應(yīng)力的方向與大巷和順槽也均不是垂直和平行的關(guān)系。

3 大巷支護(hù)方案設(shè)計

3.1 整體耦合支護(hù)工況點

根據(jù)整體耦合讓均壓的設(shè)計理念，支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計必須包括：錨桿（索）長度，支護(hù)強度和支護(hù)系統(tǒng)的變形耦合讓均壓距離。這三個參數(shù)相互影響且相互制約，三者必須達(dá)到耦合。單獨改變一個因素而忽略其他因素都達(dá)不到支護(hù)效果，這三者就是耦合支護(hù)工況點。利用錨桿耦合支護(hù)工況點設(shè)計曲線圖可以設(shè)計耦合支護(hù)工況點、檢查參數(shù)設(shè)置是否合理。

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

（1）錨桿支護(hù)系統(tǒng)工況點確定

圍巖應(yīng)力變形特性的特點決定錨桿特性曲線設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場采礦地質(zhì)條件及采動影響，利用數(shù)值模擬方法得出圍巖應(yīng)力和變形特性曲線。據(jù)此再結(jié)合錨桿耦合支護(hù)工況點設(shè)計曲線，可以確定錨桿支護(hù)系統(tǒng)的工況點：最小支護(hù)強度：600 kN/m、巷道圍巖位移20 mm、允許的最小變形20 mm。

而錨桿的長度應(yīng)該足以錨固到松散破碎范圍以外的穩(wěn)定巖層中，根據(jù)現(xiàn)場圍巖松散破碎圈分析，頂幫錨桿的長度均選為2000 mm，以保證錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中。

根據(jù)以上工況點，選擇Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿。其理論屈服強度為120 kN，抗拉強度值150 kN。

（2）錨桿安裝應(yīng)力確定

依據(jù)現(xiàn)場建立有限元二級模型，模擬分析錨桿安裝應(yīng)力。頂板每排布置5根錨桿，排距1.2 m。通過改變模型中錨桿的安裝應(yīng)力，達(dá)到無離層、頂板中的拉應(yīng)力最小的最佳組合梁效果為宜。

圖1為安裝應(yīng)力增加至40 kN時的應(yīng)力分布變形圖和頂板離層圖，灰色區(qū)域為受拉區(qū)。通過模型可以看出，安裝應(yīng)力到40 kN時，頂板拉應(yīng)力區(qū)絕大多數(shù)消除，絕大多數(shù)頂板離層都閉合，從而取得最佳組合梁的效果。所以沿頂掘進(jìn)時所需的最小錨桿安裝應(yīng)力為40 kN。

圖1 應(yīng)力分布變形圖和放大后的頂板離層

3.3 輔助支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

為了保證錨索能錨固到頂板穩(wěn)定圍巖中，結(jié)合井下具體施工地點情況，選擇快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索。其參數(shù)如下：直徑15.24 mm、長度5300 mm、安裝應(yīng)力90±10 kN、采用“三花”布置，排距2.4 m。

每套錨桿采用1支K2335的快速樹脂藥卷與1支Z2360的中速樹脂藥卷；每套錨索采用1支K2335的快速樹脂藥卷與2支Z2360的中速樹脂藥卷。

4 大巷支護(hù)效果檢驗

為全面檢測97102大巷采用新支護(hù)方案的支護(hù)狀態(tài)，驗證錨桿支護(hù)設(shè)計的合理性，檢驗支護(hù)質(zhì)量，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測檢驗。

4.1 錨桿錨固力檢測

在試驗段掘進(jìn)10 m后隨機抽取4根錨桿做拉拔試驗，對錨桿錨固力進(jìn)行檢測。下圖是其中1根錨桿拉拔試驗曲線圖，可以看出。拉拔力到20 kN時，錨桿頭位移為零；到30 kN時，錨桿托盤已經(jīng)把鋼帶緊貼巖壁，當(dāng)拉拔力在140～160 kN，錨桿已經(jīng)接近屈服階段。當(dāng)拉拔力達(dá)到160 kN時支護(hù)體拉力仍有上升趨勢，錨桿沒有被拉出，說明Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿用一卷MSK2335加一卷MSZ2360的樹脂錨固劑時，錨固力與錨桿抗拉強度匹配完好，滿足設(shè)計要求。

圖2 拉拔試驗曲線

4.2 錨桿安裝扭矩與預(yù)緊力關(guān)系

在試驗段掘進(jìn)10 m后進(jìn)行監(jiān)測。首先把安裝應(yīng)力測試表放在托盤與螺母之間；其次利用扭矩扳手緊固螺母，每增加50 N·m，讀數(shù)一次安裝應(yīng)力測試表并記錄。

表2 扭矩實驗記錄

由表可知：當(dāng)頂板的錨桿安裝扭矩大于180 N·m時，錨桿的預(yù)緊力即大于設(shè)計中要求的40 kN。現(xiàn)在規(guī)程規(guī)定頂錨的安裝扭矩要大于200 N·m，能夠滿足設(shè)計要求，且有富裕系數(shù)。

4.3 巷道位移觀測

在實驗巷道選定4個測點（間距50 m）觀測頂?shù)装逡平俊Ｃ績商煊^測一次，直到巷道基本穩(wěn)定，然后畫出巷道表面位移變化曲線。分析巷道受掘進(jìn)和回采影響情況，總結(jié)規(guī)律，取巷道的穩(wěn)定程度和扭矩應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果得平衡點。

圖3 測點4位移變化曲線

由圖可知，采用新設(shè)計支護(hù)方案后，掘進(jìn)期間大巷兩幫的最大移近量為79 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?2 mm。大巷在滯后掘進(jìn)迎頭150 m后趨于穩(wěn)定，250 m后完全穩(wěn)定。

根據(jù)九七盤區(qū)97301及相鄰的97302和97303工作面的采礦與支護(hù)經(jīng)驗，97102大巷試驗段受時間和臨近采煤工作面的動壓影響較小。預(yù)計采煤工作面影響期間兩幫最大移近量會增加20 mm左右，頂?shù)装逡平繒黾?0 mm。回采影響結(jié)束后，預(yù)計試驗段兩幫最大變形量在100 mm左右，頂?shù)装遄畲笞冃瘟吭?0 mm左右。大巷在整個服務(wù)期限內(nèi)均能夠保持穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1）九七盤區(qū)大巷和97202大巷最大水平主應(yīng)力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E， 垂直主應(yīng)力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，該區(qū)域地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，屬于低應(yīng)力區(qū)。

2）新型支護(hù)設(shè)計保證了錨桿(索)的錨固力，實現(xiàn)了“三徑比”的合理優(yōu)化。通過施加足夠預(yù)緊力并通過組合構(gòu)件實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴散，將圍巖錨固成一整體，提高錨固體的強度，阻止圍巖變形、裂隙擴展。

3）試驗表明，掘進(jìn)期間大巷試驗段兩幫最大移近量為79 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?2 mm。大巷在滯后掘進(jìn)迎頭150 m后趨于穩(wěn)定，250 m后完全穩(wěn)定。大巷在整個服務(wù)期限內(nèi)均能夠保持穩(wěn)定。

〔1〕韓瑞庚.地下工程新奧法[M].科學(xué)出版社，2001.

〔2〕劉長武.煤礦軟巖巷道的錨噴支護(hù)同新奧法的關(guān)系[J].中國礦業(yè)，2000（1）：66-69.

〔3〕黃文宇.新奧法在芙蓉山隧道的應(yīng)用研究[D].中南大學(xué)，2006.

〔4〕孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計方法研究[J].巖土力學(xué)，2006（7）：1061-1065.

〔5〕何滿潮，張國鋒，王桂蓮，等.深部煤巷底臌控制機制及應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009（S1）：2593-2598.