掘進工作面支護方案與錨桿抗拔作用力學模型研究

付廷喜

（大同煤礦集團大斗溝煤業有限公司，山西 大同 037000）

1 礦井概況

1.1 地表及井下位置

根據《同忻三盤區山2#煤層8201工作面掘進地質說明書》提供數據，地面位于碾子溝新興村南西部，三條小路和北洋路穿越本工作面，工作面中部地面為本礦已關閉南井井口及工業廣場，有四條溝穿越本工作面，深度為 16～33m，寬度為 29～142m，地表大部分種植小松樹，蓋山厚度為：450～510m。井下位于同忻三盤區山2#煤層，北東部為8201工作面，北西部為山2#煤層可采邊界,南西為山2#煤層可采邊界。

1.2 煤（巖）層賦存特征

根據2201巷和5201巷掘進時揭露的煤厚，煤體結構簡單，平均煤厚2.4m(中厚煤層)，含夾矸1-2層（0.15～0.4）。煤層走向北西，煤層特征及頂（底）板巖層詳見表1、表2。

表1 煤層特征情況

表2 頂、底板巖性特征表

2 施工組織設計與方法

2.1 巷道布置

巷道層位、開口位置及方位角：8201工作面開切眼位山2#層三盤區，巷道開口設計位置X=4433322.537，Y=542210.397， 掘 進 方 位 角 為144°15′20″。巷道開口位置與2201巷水平夾角為90°0′0″。同忻三盤區8201工作面開切眼巷道中線按照巷道的方位進行控制。

2.2 巷道形狀及斷面（見表3）

表3 斷面尺寸及工程量匯總表

2.3 施工方法

1）8201工作面開切眼采用EBZ-260型綜掘機掘進，開切前按設計打兩排組合錨索，錨索采用直徑8mm的鋼條3根擰在一起，長度8000mm，間距4m，每排距幫1.5m。首先，按全斷面7.7m寬施工10m后再進行工作面側小切眼施工，最后擴刷古塘側小切眼，掘、刷兩個過程,以保證開切眼頂板平整。

2）大斷面嚴禁一次性擴刷成巷，分次掘進、分次支護，支護時工作面側幫按圖紙設計進行支護，擴刷幫上部采用Φ22×2000mm高強度螺紋鋼（BHRB 400）錨桿每排2根進行臨時支護，上部第一根錨桿距頂板不大于450mm，玻璃鋼護板Φ200mm，厚50mm，鋪設高強塑料網。

3 錨桿抗拔作用力學模型及荷載計算

錨桿（索）支護技術能有效提高巷道支護安全，改善井下工作環境。錨桿是將小面積的頂板圍巖錨定成一個小的整體，而錨索是將幾個小的整體錨定成一個較大的穩定區。錨桿（索）對穩定頂板及圍巖的效果主要取決于巖體的結構類型、破壞形式以及錨桿（索）的長度、角度和間距等因素，安裝時，主要考慮預緊力的大小。錨桿（索）應用需要滿足以下條件：Pyi＞Pmax。公式中，Pyj為錨桿（索）預緊力，Pmax為錨桿（索）同時滿足各種作用所需的最大作用力。

3.1 錨桿抗拔作用的力學模型

建立錨桿抗拔作用的力學模型時,通常依據假設的錨桿抗拔試驗的剪應力與位移的關系曲線，從而推導出錨固體表面的剪切力及其軸力的分布公式：

為了便于描述,假設錨桿拉筋和巖體的彈性模量及巖土體的泊松比分別為Eb=2.0×105MPa，E=6.0×103MPa，μ=0.3，錨桿直徑 r=22mm，錨桿的拉拔力P=300kN；錨固體直徑D=50mm，錨固體的等效彈性模量為Eα=8.0×104MPa，錨固體與錨固層界面的剪切模量Gs=20MPa，錨固段長度為Lα=10m，錨固體剪切變形系數k=8.0MPa/m。

該模型考慮了錨固體的剪切變形系數,錨固體的等效彈性模量及錨孔位移的實測值,則由式（1）、（2）得

錨固體表面剪應力分布為：N=134.8e0.0894x+837.3e-0.0894x-972

錨固體的軸力分布為：τ=-0.0768e0.0894x+0.4768e-0.0894x

在實測u0為50.90mm,其它參數不變的情況下 ,其分布曲線如圖1、圖2。

圖1 錨固體剪應力變化曲線

圖2 錨固體軸力變化曲線

依據圖1、圖2應力變化曲線，不難得出，錨桿在不同深度的變形量及應力大小是不同的。錨桿的受力分為兩部分：越接近巷道一端的，錨桿為防止圍巖移動而變形比較大，因此錨桿受到的剪應力也最大；反之，遠離巷道一端，錨桿表面受到背向巷道的剪應力，導致錨桿的變形量及位移減小。為此而得出，錨桿在不同深度的不均勻變形，產生錨固效應，抑制了頂板圍巖的變形，實現了頂板圍巖的支護。

3.2 錨桿（索）承受的拉斷荷載計算

式中：P為錨桿（索）拉斷荷載；d為錨桿（索）直徑；σb為錨桿（索）拉斷強度。

從常用錨桿鋼筋拉伸強度表可知，對于直徑22mm錨桿而言，高強度螺紋鋼（BHRB400），其拉斷荷載計算如下查表（σb=570）：

3.3 錨桿（索）承受的剪切荷載計算

式中：Q為錨桿（索）剪切荷載；d為錨桿（索）直徑；τb為錨桿（索）剪切極限強度。

從常用錨桿鋼筋剪切強度表可知，對于直徑22mm錨桿而言，高強度螺紋鋼（BHRB 400）其剪切極限強度計算（查表τb=399）：

本工程依據設計要求、頂板圍巖實際情況及受力驗算，錨桿采用直徑22mm，長度2000mm的螺紋鋼筋，錨索采用直徑8mm的鋼條3根擰在一起，長度8000mm。

4 錨桿（索）支護施工工藝

施工作業工序：臨時支護→定眼位→鉆眼→裝樹脂→注錨桿→攪拌→凝固→緊固→檢查。

4.1 臨時支護、定眼位

打錨桿、錨索前先將機載前探梁及金屬網升起與頂板接實，然后將錨桿機調整到合適位置，根據錨桿、錨索設計的間排距，將錨桿、錨索的眼孔位置用噴漆標好，眼位誤差不得大于±100mm，并在鉆桿上標出鉆孔的深度。

4.2 裝藥、攪拌、凝固和緊固

安裝錨桿（錨索）時，取兩支（三支）MSK2360樹脂錨固劑放入眼內，然后用錨桿（錨索）頂住錨固劑，送入眼內，再將錨桿（錨索）放入攪拌器，開起風鉆將錨固劑送到眼底開始轉動進行攪拌，快速型錨固劑攪拌時間一般控制在20～35s，等待固化時間為90～180s，7min后用風動扳手（錨索漲拉千斤）進行預緊，15min后方可測試錨固力。

4.3 檢查

完成緊固工序之后使用盒尺和扭距扳手（錨索漲拉千斤）檢查錨桿（錨索）安裝是否合格。

為了確保安全施工，錨桿、錨索支護必須緊跟工作面，不得滯后，如巷道遇破碎帶，過地質構造時必須編制專項安全技術措施；掛網前要處理離層片幫，處理完后才能開始支護，保證作業人員安全；在掘進過程中嚴格控制墻底腳伸腿現象,否則必須人工處理；一旦發現支護質量問題必須及時處理，并認真填寫相關生產日志。

5 結語

同忻三盤區山2#煤層8201工作面切眼巷道掘進施工，自2018年8月27日開始，歷時2個多月，于2018年10月底順利完工。由于所采用錨桿（索）支護方法與施工工藝科學合理，不僅保證了安全生產,改善了井下作業環境，而且節約了支護和維修費用,取得了較好的經濟效益。