基于加長(zhǎng)樹(shù)脂類錨固的巷道支護(hù)優(yōu)化

張 鑫

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

1 麻家梁礦巷道概述

麻家梁煤礦整個(gè)礦井占地面積18 km2，年生產(chǎn)容量為90Mt，目前核準(zhǔn)采掘的近距離煤層分別為2號(hào)和5號(hào)。其中，5號(hào)煤層屬于實(shí)體煤類型，2號(hào)煤曾經(jīng)遭受過(guò)私人采掘的破壞。5號(hào)煤層的煤厚范圍1.17～1.72m，平均為1.3m。2號(hào)近距離煤層的煤厚范圍1.5～2.2m，平均為1.7m。同時(shí)5號(hào)高于2號(hào)煤層13～20m。麻家梁運(yùn)輸巷道屬于動(dòng)壓近距離下的煤層，整個(gè)走向長(zhǎng)度為875m，沿著掘進(jìn)方向的右側(cè)屬于麻家梁工作面，該工作面的切眼長(zhǎng)約為150m，目前屬于回采階段，長(zhǎng)度約為5m。

麻家梁某運(yùn)輸巷道目前的支護(hù)策略選用了“錨桿+鋼棚”現(xiàn)支護(hù)方式采用“錨桿+金屬網(wǎng)+工字鋼棚”綜合支護(hù)。棚的棚柱子與頂部梁都選用了10號(hào)礦用工字類型鋼鐵，頂部梁的長(zhǎng)度為4m，棚柱子長(zhǎng)度為10m，交叉角度為80°，棚柱窩的深度大于200mm，棚之間的距離約1.2m，當(dāng)鋼棚承受的壓力較大時(shí)，棚間距壓縮為約0.6m。盤幫、勾頂分別屬于“三、五”“四、六”布置方式，支撐木的構(gòu)件完整，整個(gè)鋼棚的迎山角約為4°，確保了支護(hù)過(guò)程中整個(gè)棚的迎山可靠。頂部錨桿和兩幫材質(zhì)都選擇螺紋鋼，參數(shù)Φ20mm×2 200mm，頂部的錨桿每一排排列4根，每?jī)筛g的距離約為1m，頂部的錨桿和兩幫相距0.3m左右，對(duì)于兩幫，每一排均布置3根，每?jī)筛g的距離也為1m，兩幫錨桿和頂板相距0.35m。每一根錨桿都配置有W型鋼帶，參數(shù)為350mm×220 mm×5mm，托盤選為方型的，參數(shù)為100mm×100 mm×6mm，錨固劑選用CK2360樹(shù)脂。錨網(wǎng)之間每隔300mm之間連接一段綁絲，材質(zhì)為雙股且對(duì)折的15號(hào)鐵絲，每一道鐵絲均擰四圈，確保連接牢固。麻家梁運(yùn)輸巷道現(xiàn)由的支護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 目前的麻家梁運(yùn)輸巷道支護(hù)示意圖（單位：mm）

距離麻家梁某運(yùn)輸巷道進(jìn)風(fēng)口30m處對(duì)目前的錨桿支護(hù)進(jìn)行了錨固耐力試驗(yàn)，盡管耐力值達(dá)到了施工要求，但存在預(yù)緊矩較低的問(wèn)題，幫部、頂板的錨桿力矩都小于20N·m。同時(shí)，目前的采掘速率較低，需要的人工勞動(dòng)量很大，對(duì)礦井的開(kāi)采進(jìn)度產(chǎn)生了一定的影響[3]。綜上所述，有必要對(duì)麻家梁運(yùn)輸巷道進(jìn)行支護(hù)策略優(yōu)化，進(jìn)一步降低支護(hù)成本。

2 圍巖和地應(yīng)力測(cè)試分析

常規(guī)的礦井地質(zhì)測(cè)量包括對(duì)巷道圍巖的結(jié)構(gòu)勘測(cè)、圍巖強(qiáng)度檢測(cè)與地應(yīng)力測(cè)試。經(jīng)過(guò)上述的圍巖和地應(yīng)力測(cè)試獲得麻家梁運(yùn)輸巷道的基本參數(shù)，從而建立巷道支護(hù)所需要的參數(shù)依據(jù)[4]。地質(zhì)測(cè)量選擇在麻家梁會(huì)風(fēng)巷道中，測(cè)試地點(diǎn)定位到5號(hào)煤層的頂板位置。

2.1 圍巖強(qiáng)度檢測(cè)分析

麻家梁煤礦選用了WQCZ-56型號(hào)的圍巖強(qiáng)度檢測(cè)儀，對(duì)麻家梁回風(fēng)巷道頂板進(jìn)行鉆孔，實(shí)現(xiàn)煤層深度約為10m范圍內(nèi)的測(cè)量，下頁(yè)圖2所示即為具體的測(cè)量結(jié)果，從圖2得出如下結(jié)論：

1）泥巖分布范圍為0～5m，該范圍的圍巖強(qiáng)度均值約為30MPa。

2）泥質(zhì)砂巖范圍為5～8.5m，該范圍的圍巖強(qiáng)度均值約為34.75MPa。

3）5號(hào)煤層的分布范圍為8.5～10.0m，該煤層的圍巖強(qiáng)度為12.5MPa，在對(duì)麻家梁運(yùn)輸巷道出風(fēng)口的頂板也實(shí)施強(qiáng)度測(cè)量，測(cè)試結(jié)果為2號(hào)煤層的煤強(qiáng)度均值為16.6MPa。

圖2 回風(fēng)巷測(cè)站頂板煤巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

4）8.4～10.0m為9號(hào)煤層，9號(hào)煤層強(qiáng)度平均值為12.60MPa。同時(shí)在麻家梁運(yùn)輸巷迎頭頂板進(jìn)行了煤體強(qiáng)度測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，10號(hào)和11號(hào)煤強(qiáng)度平均值為16.56MPa。

對(duì)煤層的圍巖強(qiáng)度測(cè)量統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析[5]，優(yōu)化麻家梁運(yùn)輸巷道的支護(hù)策略具備了如下的參數(shù)依據(jù)：從麻家梁回風(fēng)巷頂板圍巖測(cè)量點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)能夠得出，頂板圍巖強(qiáng)度只有30MPa，該強(qiáng)度比較低，為了增加巖土的承載性能，借助優(yōu)化錨桿材料來(lái)提高圍巖的強(qiáng)度。比較2號(hào)和5號(hào)煤層的煤體強(qiáng)度能夠得出，兩個(gè)煤層的強(qiáng)度都很高，達(dá)到了16.7 MPa，同時(shí)頂板的支撐目前采用灰?guī)r，兩幫部的所受應(yīng)力較小。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試和分析

針對(duì)麻家梁回風(fēng)巷的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如下：所受主應(yīng)力水平方向，最大值σh=9.47MPa，最小值σL=5.57MPa；應(yīng)力垂直方向σv=5.53MPa。據(jù)此能夠得出，該回風(fēng)巷的測(cè)試范圍內(nèi)屬于應(yīng)力較低區(qū)。同時(shí)比較上述的測(cè)試數(shù)據(jù)，所受應(yīng)力水平方向的最大、最小值都要大于垂直方向應(yīng)力，即應(yīng)力場(chǎng)分布為：σh＞σL＞σv。查找文獻(xiàn)[2]得到：主應(yīng)力的水平分量對(duì)巷道的頂、底板有較大的作用力，而主應(yīng)力的垂直分量對(duì)巷道的兩幫部有較強(qiáng)變形作用。由于主應(yīng)力水平分量的最大值位于N30.4°W，所以測(cè)試范圍的最大主應(yīng)力屬于NW方向。綜上所述，地應(yīng)力測(cè)試對(duì)本文錨桿支護(hù)優(yōu)化建立了如下參數(shù)依據(jù)：

1）地應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果能夠?yàn)?號(hào)煤層出現(xiàn)采空后，提供相關(guān)圍巖的水平、垂直地應(yīng)力基礎(chǔ)參數(shù)；

2）判定了該麻家梁回風(fēng)巷屬于水平應(yīng)力占據(jù)優(yōu)勢(shì)的情況，由于應(yīng)力的水平分量能夠較大的影響巷道頂、低板的變形程度，因此需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)巷道頂板與底板的支護(hù)研究[6]。

3 優(yōu)化錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

目前的麻家梁運(yùn)輸巷道掘進(jìn)斷面約為11.8m2，屬于矩形掘進(jìn)面，掘進(jìn)的高度為2.5m，寬度為4.3m。依據(jù)上述的巷道圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前巷道支護(hù)后出現(xiàn)的變形程度以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了如下的針對(duì)麻家梁運(yùn)輸巷道的“加長(zhǎng)樹(shù)脂錨固-錨桿”綜合支護(hù)策略，并采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[7]。

1）錨桿相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。兩幫部與頂板的錨桿選用沒(méi)有縱筋螺紋的鋼筋，參數(shù)為：Φ22mm×2 000 mm，屈服韌性度要求為100 kN。對(duì)于托盤，選用了大小為150mm×150mm×8mm的帶拱四方形托盤，同時(shí)配置尼龍材質(zhì)墊圈和可調(diào)球墊。本文引入了樹(shù)脂類的加長(zhǎng)錨固，對(duì)于頂板的錨桿，選用兩個(gè)規(guī)格為CK2340的樹(shù)脂類藥卷，錨桿之間的距離為950mm，排間距為900mm；對(duì)于兩幫部的錨桿，選用了規(guī)格為Z2360的樹(shù)脂類藥卷,每個(gè)幫部的錨桿之間距離為1 100mm兩排的間距為900mm，每個(gè)幫部的每排設(shè)置3根。要求錨桿的預(yù)緊力矩為300N·m，且不允許達(dá)到500N·m。

2）護(hù)板選型：材質(zhì)為W鋼護(hù)板，長(zhǎng)×寬×厚=450mm×280mm×4mm，護(hù)板中間的圓孔尺寸為Φ50mm。

3）金屬錨索網(wǎng)的網(wǎng)片尺寸：頂板設(shè)置為4 200 mm×1 200mm，兩幫部的設(shè)置為2 500mm×1 000 mm，錨索網(wǎng)的孔徑為30mm×30mm；網(wǎng)片選用15號(hào)鐵絲進(jìn)行雙扣重復(fù)連接，確保網(wǎng)之間可靠組合。

4）錨索的參數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)于兩幫和頂板支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)，選用了鋼絞線作為錨索，要求預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度大且松弛度低，參數(shù)為Φ18mm，其中幫部錨索為Φ18 mm×4 500mm，頂板的錨索為Φ18mm×5 500mm，破斷力的最大值為330 kN。錨索托盤配置為300 mm×300mm×15mm方形且?guī)Ч邦愋停綆в锌烧{(diào)球墊，負(fù)載承受能力需高于400 kN。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用的錨桿選用樹(shù)脂藥卷類型，型號(hào)為Z2360。對(duì)于頂板的錨索布置方式為“三、二”形，排間距設(shè)置為2 000 mm，在錨索拉伸度確定后，頂板錨索的可承受預(yù)應(yīng)力要高于300 kN；，對(duì)于幫部的錨索布置方式為“二、二”形，排間距設(shè)置為2 000mm，幫部錨索的可承受預(yù)應(yīng)力要高150 kN。麻家梁運(yùn)輸巷道的優(yōu)化支護(hù)圖示，如下頁(yè)圖3。

4 基于FLAC3D的巷道支護(hù)數(shù)值模擬

4.1 建立等效模型

在驗(yàn)證本文提出的巷道支護(hù)改進(jìn)策略時(shí)，引入了數(shù)值模擬軟件，同時(shí)參照麻家梁運(yùn)輸巷道的圍巖構(gòu)造與強(qiáng)度、地質(zhì)預(yù)應(yīng)力等條件[8]，建立了基于加長(zhǎng)樹(shù)脂錨固-錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的數(shù)模模型方案，該模型大小為260mm×100mm×30m，麻家梁運(yùn)輸巷道的煤層斷面和支護(hù)模型如下圖4。

圖3 麻家梁運(yùn)輸巷道支護(hù)說(shuō)明（圖示尺寸為mm）

圖4 麻家梁運(yùn)輸巷的煤層斷面與支護(hù)縮小模型

4.2 巷道圍巖受力和變形驗(yàn)證

（1）麻家梁運(yùn)輸巷圍巖所受應(yīng)力的水平和垂直分量如圖5中5-1、5-2所示。從兩圖能夠看出，巷道兩幫部和頂板所受的預(yù)應(yīng)力比較明顯，頂板變形程度主要由水平應(yīng)力變化引起，而兩幫部的變形則由垂直應(yīng)力變化引起[9]。

圖6中6-1、6-2分別為頂板和幫部的程度，分析圖6的變化量可以得知，巷道底板的底鼓程度為20mm，頂板下浮程度為65mm。由于頂板和煤層直接接觸，掘進(jìn)的推進(jìn)過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生一定程度的破損，因此有效的錨桿支護(hù)顯得非常重要，當(dāng)錨桿延后程度過(guò)長(zhǎng)，容易導(dǎo)致頂部煤層整體下沉，幫部的移近程度基本均衡，大約為300mm。

綜上所述，通過(guò)FLAC3D模擬，驗(yàn)證了加長(zhǎng)樹(shù)脂類錨固和錨索增強(qiáng)型的聯(lián)合支護(hù)方案能夠改善巷道圍巖的變形程度，在沒(méi)有增加支護(hù)開(kāi)支的前提下，實(shí)現(xiàn)了巷道安全和掘進(jìn)效率加快的目的[10]。

5 結(jié)論

1）在對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)和變形程度、地質(zhì)應(yīng)力Fenix的基礎(chǔ)上，確立了錨桿支護(hù)需要的參數(shù)依據(jù)和巷道布置的位置選擇。

圖5 麻家梁運(yùn)輸巷預(yù)應(yīng)力分布圖

圖6 麻家梁運(yùn)輸巷頂、底板和兩幫部移近程度

2）提出了加長(zhǎng)樹(shù)脂類錨固優(yōu)化與錨索增強(qiáng)補(bǔ)充支護(hù)方案，設(shè)計(jì)了改進(jìn)策略中頂板、幫部錨索的布置形式、排間距以及數(shù)量。

3）引入了FLAC3D進(jìn)行了數(shù)值等效模擬，仿真結(jié)果表明該樹(shù)脂類錨固與錨索增強(qiáng)補(bǔ)充支護(hù)對(duì)巷道圍巖的變形改善作用明顯，實(shí)現(xiàn)了井下安全開(kāi)采的目的。