煤礦巷道錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化研究

金　蒙

（山西潞安高河能源有限公司， 山西　長(zhǎng)治　047100）

引言

在煤礦巷道支護(hù)中，錨網(wǎng)索支護(hù)方案是主要的支護(hù)手段，但是由于巷道的開(kāi)采深度以及位置的變化，導(dǎo)致整體支護(hù)情況受到一定的影響，在此情況下，應(yīng)該對(duì)煤礦巷道錨網(wǎng)索支護(hù)情況進(jìn)行優(yōu)化研究。

1　工程概況

山西潞安高河能源有限公司煤礦位于山西市，在全區(qū)中，東南翼以及水洞溝深部勘測(cè)區(qū)從+750 m到地面，煤層由傾斜變成直立狀態(tài)，另外，在斷層附近，存在較大的傾斜角變化，深部勘探區(qū)的地段傾斜度為12°～20°，平均傾斜度在16°左右，在落差20 m以上的環(huán)境中，主要具有3個(gè)斷層，斷層為南北走向，在該地區(qū)中，西部和深部的巖漿活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，而在東部地區(qū)較微弱。

2　工作內(nèi)容

2.1　錨桿阻力檢測(cè)

在支護(hù)中，主要應(yīng)用錨桿測(cè)力計(jì)檢測(cè)軸向力，在煤礦+200 m開(kāi)采區(qū)中，對(duì)于86巷道設(shè)計(jì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔30 m左右一個(gè)斷面，在頂板以及兩側(cè)安裝錨桿，應(yīng)用阻力檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，其受力情況如表1所示。

表1　煤層特征分析表

在對(duì)煤層特征分析后，需要對(duì)頂?shù)装宓那闆r進(jìn)行分析，其具體情況如表2所示。

從上述表格的分析中可以發(fā)現(xiàn)，在巷道的整體變化中，應(yīng)力主要由兩幫承擔(dān)，頂部錨桿的支護(hù)效果已經(jīng)失效，巷道頂板在淺部已經(jīng)逐漸離層，對(duì)巷道的整體產(chǎn)生了較大的影響。

表2　煤層頂?shù)装迩闆r分析表

2.2　相對(duì)位移檢測(cè)

在巷道的整體支護(hù)中，需要對(duì)相對(duì)位移情況進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)確定整體的使用情況，在86巷道支護(hù)中，間隔30 m具有位移斷面檢測(cè)，在頂板基點(diǎn)附近安裝錨桿，在中央位置錨固1 m短錨桿檢測(cè)頂?shù)装宓奈灰屏恳约跋锏赖淖冃吻闆r，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，在巷道的支護(hù)中，存在底鼓情況較為嚴(yán)重現(xiàn)象，致使巷道出現(xiàn)圍巖的松動(dòng)，對(duì)巷道整體的承載力產(chǎn)生一定的影響[1]，進(jìn)而導(dǎo)致巷道的載荷高度增加，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，初期的支護(hù)方案存在一定的不合理性。

2.3　圍巖松動(dòng)圈

圍巖松動(dòng)圈表示應(yīng)力超過(guò)一定的范圍，現(xiàn)有的支護(hù)手段已經(jīng)難以滿足支護(hù)需求，其主要表現(xiàn)在破碎巖塊嚙合不垮落，但是裂縫逐漸擴(kuò)張，在86巷道的設(shè)計(jì)中，松動(dòng)圈值達(dá)到150 cm左右，屬于一般穩(wěn)定圍巖，通過(guò)設(shè)計(jì)錨桿，可以對(duì)其整體支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析，其具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　86巷道力學(xué)參數(shù)分析表

通過(guò)上述的分析可以發(fā)現(xiàn)，在巷道的設(shè)計(jì)中，可以采用組合拱理論來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便滿足巷道的錨網(wǎng)索支護(hù)需求。

3　設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1　材料選擇

錨桿選擇：直徑20 mm；強(qiáng)度為335 MPa，采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼。

錨索選擇：設(shè)計(jì)預(yù)拉力大于200 kN，預(yù)拉力為130 kN，采用樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固。

3.2　優(yōu)化方案

在86巷道的整體錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化中，需要對(duì)錨桿的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用FLAC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，在分析中，可以確定圍巖的應(yīng)力和位移情況，通過(guò)軟件的分析可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量模型的長(zhǎng)寬高分別為30 m、10 m和22 m，選用的頂板錨桿直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm。在兩幫的錨桿設(shè)計(jì)中，直徑設(shè)計(jì)為20 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm；在錨索的選擇中，直徑和長(zhǎng)度分別為15.4 mm和6200 mm；在金屬網(wǎng)的選擇中，主要選擇50 mm×50 mm的網(wǎng)格尺寸[2-3]。在錨網(wǎng)索工具選擇完成后，需要對(duì)整體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，因此需要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)確定相應(yīng)的參數(shù)，以此來(lái)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

4　參數(shù)優(yōu)化

在86巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案優(yōu)化過(guò)程中，需要通過(guò)軟件對(duì)整體的優(yōu)化進(jìn)行分析，其主要體現(xiàn)在建立模型、確定參數(shù)以及模擬分析等幾個(gè)方面。

1）模型建立方面，在86巷道的錨網(wǎng)索支護(hù)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)相關(guān)的資料進(jìn)行分析，建立現(xiàn)有錨桿、錨索、鋼帶以及模型等支護(hù)模式，在計(jì)算機(jī)分析的情況下，可以確定模型的上邊界具有16 MPa的應(yīng)力，Z軸方向具有一定的載荷。其水平和垂直方向的應(yīng)力情況分析如圖1、圖2所示。

圖1　垂直應(yīng)力分析圖（Pa）

圖2　水平位移分析圖（mm）

2）在錨桿支護(hù)優(yōu)化過(guò)程中，需要對(duì)數(shù)值進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)在錨桿的應(yīng)力情況下，可以將錨桿連接成為整體，在壓力的分析下，可以對(duì)巷道的圍巖起到較好的支護(hù)作用。另外，通過(guò)系統(tǒng)的整體優(yōu)化分析可以發(fā)現(xiàn)，錨網(wǎng)索優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以確定應(yīng)該采用直徑20 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm的錨桿，并且錨桿的間排距為800 mm×800 mm，在錨索間排距的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該設(shè)計(jì)為1 200 mm×1 600 mm[4]。采用該數(shù)據(jù)方案，可以最大程度地保障錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，從而可以保障巷道的安全性。

5　支護(hù)方案的確定及效果

在支護(hù)方案的確定中，對(duì)于掘進(jìn)正常地段，主要采用20 mm直徑以及2 200 mm長(zhǎng)度的錨桿，配合鋼帶以及金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿的間排距為800 mm×800 mm，在靠近幫角位置，采用傾斜10°的布置，錨索的長(zhǎng)度為7.5 m，直徑為15.2 mm。在斷層地質(zhì)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，在巷道中，通常存在圍巖狀況差以及底鼓的現(xiàn)象，需要對(duì)常規(guī)的支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整，需要在巷道兩幫底角固定直徑20 mm以及長(zhǎng)度2 200 mm的錨桿，發(fā)揮錨桿的控制作用，其可以有效地提升支護(hù)的穩(wěn)定性。其具體支護(hù)方案優(yōu)化如下：

1）在長(zhǎng)錨索的優(yōu)化中，原設(shè)計(jì)采用14 mm直徑的錨索，載荷約為300 kN，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，采用15.2 mm駐滬辦發(fā)的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索，其載荷達(dá)到600 kN，延伸率達(dá)到7%，提升錨索強(qiáng)度和可塑性[5]。

2）在托盤(pán)的改進(jìn)中，選擇Q2345錳鋼，中部制作為弧形，可以提升托板的承載能力以及讓壓性能，另外可以改進(jìn)錨索的受力狀態(tài)。

3）在錨桿數(shù)量的設(shè)計(jì)中，采用直徑20 mm的錨桿，其載荷為600 kN左右，提升了錨桿的強(qiáng)度。

在支護(hù)方案確定后，需要對(duì)巷道的支護(hù)效果進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)86巷道進(jìn)行位移檢測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，巷道的兩幫位移量為210 mm，位移的速度為22 mm/d，頂板的下沉量為182 mm，移動(dòng)速度為15 mm/d，通過(guò)對(duì)巷道位移的分析中可以發(fā)現(xiàn)，巷道支護(hù)的變形情況在可控的范圍內(nèi)，說(shuō)明巷道的支護(hù)穩(wěn)定性相對(duì)較為良好。

另外，經(jīng)過(guò)巷道錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化，巷道的總體變形速率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，并且巷道內(nèi)的變形趨于穩(wěn)定，對(duì)于已經(jīng)施工部分，穩(wěn)定性較為良好，未出現(xiàn)明顯的變形。

6　結(jié)論

在煤礦巷道錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要對(duì)常規(guī)的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)提升巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。本文主要結(jié)合山西潞安高河能源有限公司煤礦的86工作面進(jìn)行分析，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要對(duì)巷道支護(hù)的位移以及阻力進(jìn)行檢測(cè)，在確定其問(wèn)題后，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在巷道的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要選擇20 mm直徑以及2 200 mm長(zhǎng)度的錨桿，配合鋼帶以及金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿的間排距為800 mm×800 mm，在靠近幫角位置，采用傾斜10°的布置，錨索的長(zhǎng)度為7.5 m，直徑為15.2 mm。而在斷層支護(hù)中，需要添加錨桿進(jìn)行綜合調(diào)控。

[1]陳青峰.錦瑞煤礦巷道圍巖分類與錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用[J].煤炭工程，2016（12）：46-49.

[2]張顯峰.東歡坨礦動(dòng)壓大變形巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及實(shí)踐[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（3）：6-10.

[3]解志明.大斷面巷道錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].山東煤炭科技，2015（12）：54-56.

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[5]康虹，胡尚斌，陳建，等.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[J].科技與創(chuàng)新，2015（20）：84-85.