山西杜兒坪煤礦壓力顯現巷道高預緊力錨桿錨索聯合支護方案

王國明

(山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪煤礦)

杜兒坪煤礦現開采1 010 m水平，礦井以北大巷為中軸，分別以南大巷、北一大巷、北二大巷3條大巷分割井田布置盤區，布置有南九3#煤層、南十2#煤層、北三8#煤層等7個生產盤區[1-3]。3#煤層盤區由于受到上層煤柱及巷道側壓的影響，巷道整體變形、斷面縮小、頂板破碎、底鼓、錨桿失效等現象時有發生，形成回采系統前，需要再次對綜采工作面兩順槽進行擴幫等工作。不足在于：①大幅增加了支護材料、人工成本的重復投入和浪費；②機電設備循環利用率降低，增加了機電設備租用費，提高了噸煤成本；③再次擴幫整巷時，巷道受二次、三次采動影響，增加了人員作業的危險系數，給安全生產帶來了直接影響；④礦井整體的采、掘、抽等生產環節銜接受到了影響，后續抽采打鉆、綜采設備安裝、初采調試等工作受到拖延，影響了整個礦井生產的正常銜接，降低了礦井的抗風險能力。本研究針對該礦3#煤層盤區地應力分布特征以及錨桿支護存在的問題，對該礦73903軌道巷的支護方案進行優化。

1　錨桿支護失效原因

本研究以杜兒坪煤礦73903軌道巷為例分析錨桿支護失效的原因。該巷道蓋山厚度為349～534 m；2#煤層厚度為3.6 m(已采空)，3#煤層厚度為3.2 m。該巷道沿3#煤層頂板掘進，直接頂為細粒砂巖(厚度為3.7 m)。該巷道的支護方案為φ22 mm 螺紋鋼錨桿(長度2 000 mm；排距0.8 m)+W型鋼帶墊片(230 mm×230 mm×4 mm)(長×寬×高)+方鐵片(110 mm×110 mm×14 mm)(長×寬×高)+加厚型螺帽；1×7結構φ21.6 mm、長5 000 mm錨索，排距0.8 m，一排2根；錨桿的錨固力為50 kN，扭矩為180 N·m，錨索預應力為100 kN。由于該巷道受上層煤柱及巷道側壓的影響，兩幫變形嚴重，斷面縮小，局部地段發生了漏頂事故。通過對73903軌道巷錨桿支護現場情況的分析，認為該巷道錨桿支護失效的原因為：

(1)原支護方案中錨桿預緊力較小，在低預緊力支護狀態下，原支護方案無法及時有效地控制圍巖的離層、滑動、裂隙張開等非連續變形，導致圍巖的整體性以及承載能力大幅下降[4]。

(2)錨桿的強度、結構與其附屬件不匹配，錨桿墊片與錨桿螺帽之間形成了“點”接觸，錨桿受到了一定的剪切力影響，在高地壓或強烈動壓影響的巷道地段，會出現錨桿破斷現象。

(3)現有托板無減摩墊片和調心球墊。托板存在的不足為：①托盤拱高小、強度低、易壓翻；②托板結構不合理，孔口直徑小，錨桿托板易“蹩勁”；③錨桿托板厚度大，經濟不合理；④無調心球墊和減摩墊片；⑤托板底部加工不整齊，易剪切鋼帶。

2　圍巖體強度特征及支護材料力學性能

2.1　圍巖體強度特征

2#煤層直接巖層為砂質泥巖，抗壓強度為20～40 MPa，屬于Ⅲ類中等穩定性巖層頂板；2#煤厚度為2.4 m，2#煤層抗壓強度為15.44 MPa，屬中等強度；2#煤層與3#煤層間距為7.4 m；3#煤層直接頂由泥巖(厚0.5 m)和細砂巖(厚3.7 m)組成，抗壓強度為30～70 MPa；3#煤層老頂為粗粒砂巖(厚3 m)，直接底為砂質泥巖(厚5.6 m)，老底為K5含礫粗粒砂巖(厚8.5 m)，3#煤層抗壓強度為13.65 MPa，屬中等強度。

2.2　支護材料力學性能

錨桿型號為φ20 mm錨桿，牌號335#，桿體屈服強度375 MPa，抗拉強度566 MPa，延伸率34.7%；φ22 mm錨桿，牌號400#，桿體屈服強度464 MPa，抗拉強度644 MPa，延伸率31.5%；螺紋段長度為100 mm，螺母厚約4 mm，桿體外露長度控制在50 mm 以內，經材料力學性能檢測，滿足要求。錨桿螺母可以與現加工的錨桿配套使用，其承載力滿足要求。MSCK2360錨固劑的最大抗拔力為157 kN；MSK2380錨固劑的最大抗拔為167 kN，均大于所用錨桿桿體屈服載荷的1.2倍(150 kN)，滿足要求。可見，目前該礦使用的錨桿桿體、錨桿螺母、錨固劑的力學性能較好，滿足支護要求，但錨桿托板未采用可調心拱形托板、調心球閥、減摩墊片，故而需要改進。

3　高預緊力錨桿錨索聯合支護方案

73903軌道巷工作面內煤層厚度穩定，為3.2～3.4 m，平均3.3 m，煤層結構復雜，頂部往下約0.3 m 含一層均厚0.05 m、巖性為砂質泥巖的夾矸，局部頂板往下含一層厚0.5 m的泥巖偽頂，設計巷道內沿掘進方向煤層傾角為2°～6°，平均4°。

3.1　支護方案

錨桿高預緊力設計時，既要避免預緊力較小而影響圍巖穩定性，又要避免預緊力過大而影響巷道掘進施工進度[5-9]。但是僅提高單根錨桿的預緊力難以有效控制巷道圍巖變形。巷道穩定性的影響因素為：①巷道圍巖穩定性；②巷道支護材料與圍巖相互作用，共同形成一個具有較強承載能力的錨固層，即承載圈，承載圈厚度越大，圈內應力分布越均勻，承載能力則越大[10-13]。為此，本研究針對73903軌道巷提出了高預緊力錨桿錨索聯合支護方案。方案中錨桿采用拱形高強度托板、調心球墊、減摩墊片，改善錨桿的受力狀態，提高錨桿預緊力，為實現高預緊力，可使用專用工具，如風動扳手或液壓扳手進行螺母安裝預緊。新支護方案為φ20 mm螺紋鋼錨桿(長度2 000 mm；排距1 m)+W型鋼帶墊片(280 mm×300 mm×4 mm)(長×寬×高)+方鐵片(150 mm×150 mm×10 mm)(長×寬×高)+調心球墊和尼龍墊圈+加厚型螺帽，1×7結構φ21.6 mm，長5 000 mm錨索；排距1.0 m，錨桿的錨固力為90 kN，錨桿扭矩為300 N·m，錨索預應力為200 kN。

3.2　支護效果

高預緊力錨桿錨索巷道支護方案以錨桿、錨索共同支護為主，錨索的深層錨固，增加了錨固區范圍，并對圍巖施加了較強的預緊力，進一步增加了圍巖的穩定性，提高了巷道頂板的承載能力。錨桿直徑由22 mm調整為20 mm，錨桿排距由0.9 m調整為1 m，預緊力為300 N·m；采用減磨措施，改變了錨桿墊片與錨桿螺帽之間的“點”接觸，使得“點”接觸變為“面”接觸，巷道掘進初期施加了較高的錨桿預緊力，提高了錨桿支護的主動性。采用本研究高預緊力錨桿錨索聯合支護方案后，巷道兩幫變形量較小，巷道頂板位移控制在100 mm以內，兩幫變形控制在60 mm以內，支護效果顯著(圖1)。新方案增大了錨桿排距、減少了掘進循環個數，使得巷道掘進效率得以大幅提升(表1)。此外，新方案的巷道支護材料成本較原方案減少了242.64元/m；調心球墊成本與原方案相比，降低了3元/m。

圖1　73903軌道巷表面位移觀測曲線

方案巷道平均月進尺/m原方案73902皮帶巷221新方案73903軌道巷300

4　結　語

分析了杜兒坪煤礦錨桿支護失效的原因，通過對支護材料進行力學性能檢測，以該礦73903軌道巷為例，提出了高預緊力錨桿錨索聯合支護方案。該方案實施后，巷道頂板及兩幫的圍巖穩定性得到了有效控制，巷道掘進效率得以大幅提升，巷道支護成本也得到了一定程度降低。

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