宜興煤業(yè)巷道錨桿（索）分次支護(hù)技術(shù)研究

邢國強(qiáng)

（山西汾西礦業(yè)宜興煤業(yè)，山西 孝義 032300）

1 工程背景

山西汾西宜興煤業(yè)2305 工作面主采2#煤層，2#煤上方為2.55 m 的細(xì)粒砂巖和5 m 的粉砂巖，下方有約1.4 m 厚的炭質(zhì)泥巖，下方為2.75 m 的粉砂巖和1.05 m 的泥巖，埋深200～206 m，地應(yīng)力較小。2305 回風(fēng)巷斷面4.2 m×2.2 m。巷道頂板巖層較為完整，且工程力學(xué)性質(zhì)較好，因此提出錨桿（索）分次支護(hù)的方案以解決礦井采掘接替緊張的問題。

2 巷道掘進(jìn)錨桿（索）分次支護(hù)研究

2.1 巷道掘進(jìn)錨桿分次支護(hù)空間關(guān)系

巷道支護(hù)錨桿長度計(jì)算公式如下：

式中：l為錨桿長度，m；l1為錨桿外露長度，m；lm為錨固端長度，m；l2為錨桿自由段長度，m。

錨桿錨固端長度計(jì)算公式為：

式中：T為錨桿極限承載力，MPa，T=π2dσb/4，σb為錨桿抗拉強(qiáng)度；τr為錨固藥卷粘結(jié)強(qiáng)度，MPa。

錨桿自由段長度計(jì)算公式為：

式中：R為等效半徑，m；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；P0為初始荷載，MPa；c為粘聚力，MPa。

因此可得錨桿長度計(jì)算公式為：

當(dāng)巷道采用錨桿分次支護(hù)時(shí)，為避免巷道圍巖失穩(wěn)，錨桿錨固力應(yīng)達(dá)到：

錨桿間排距計(jì)算公式為：

因分次支護(hù)的核心思想是充分利用巷道圍巖的自承能力，因此在距離巷道掘進(jìn)工作面較近的位置，錨桿提供支護(hù)阻力不用太大，錨桿間排距可適當(dāng)放大，而隨著與巷道掘進(jìn)工作面距離不斷增大時(shí)，為保證巷道圍巖的穩(wěn)定，錨桿支護(hù)阻力應(yīng)逐漸增大，錨桿間排距也逐漸變小，支護(hù)密度逐漸增大[1-4]。

2.2 巷道掘進(jìn)錨桿分次支護(hù)時(shí)間關(guān)系

巷道掘進(jìn)一次支護(hù)及分次支護(hù)，兩種支護(hù)作業(yè)方式滿足如下關(guān)系：

式中：v0為巷道掘進(jìn)一次支護(hù)時(shí)掘進(jìn)速度，m/d；v1為巷道掘進(jìn)分次支護(hù)時(shí)掘進(jìn)速度，m/d；ta為巷道掘進(jìn)一次支護(hù)時(shí)支護(hù)時(shí)間，d；tb為巷道掘進(jìn)分次支護(hù)時(shí)支護(hù)時(shí)間，d；t割為巷道掘進(jìn)割煤時(shí)間，d；t他為巷道掘進(jìn)其他工序所需時(shí)間，d。

將上式變形可得巷道分次支護(hù)時(shí)掘進(jìn)速度為：

巷道錨桿（索）分次支護(hù)與一次支護(hù)成型的支護(hù)模式相比，其支護(hù)時(shí)間tb＜＜ta，而在巷道掘進(jìn)過程中割煤及其他作業(yè)環(huán)節(jié)所需時(shí)間差異不大。由上式可知，采用分次支護(hù)的作業(yè)模式，其巷道掘進(jìn)速度要快于一次支護(hù)的作業(yè)模式，因此有利于解決煤礦采掘接替緊張等問題。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

汾西宜興煤業(yè)2305 工作面實(shí)測數(shù)據(jù)如下：P0=4.2 MPa，c=0.75 MPa，φ=31°，計(jì)算可得：l=0.05+0.5+1.5=2.05 m。以此為依據(jù)，綜合考慮汾西宜興煤業(yè)以往的支護(hù)效果，頂錨桿選用規(guī)格為Ф18 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿，鋪設(shè)規(guī)格為Ф6.5 mm×150 mm×150 mm 的金屬網(wǎng)。

2305 回風(fēng)巷為矩形斷面，尺寸為4.2 m×2.2 m，巷道等效半徑計(jì)算公式為：

巷道圍壓塑性區(qū)半徑計(jì)算公式為：

巷道掘進(jìn)過程中，為保證圍巖穩(wěn)定，所需錨桿支護(hù)力計(jì)算公式為：

錨桿間排距可用以下公式計(jì)算：

考慮一定的安全系數(shù)，錨桿間排距可選擇為：1000 mm×1000 mm。

巷道兩幫圍巖松動范圍計(jì)算公式為：

綜合考慮汾西宜興煤業(yè)2305 工作面鄰近工作面回采巷道兩幫支護(hù)效果，2305 回風(fēng)巷幫錨桿選用Ф18 mm×1800 mm 的螺紋鋼錨桿，金屬網(wǎng)規(guī)格為Ф6.5 mm×150 mm×150 mm。巷道支護(hù)如圖1。

圖1 巷道支護(hù)示意圖（mm）

3.2 巷道掘進(jìn)分次支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在2305 回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，在掘進(jìn)工作面后50 cm 位置布置監(jiān)測點(diǎn)，其中在巷道頂板中間位置和巷道兩幫距離底板1.5 m 位置布置三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測巷道頂板下沉量及兩幫變形量。現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖2。

如圖2（a），在巷道掘進(jìn)過程中，圍巖變形逐漸增大。在監(jiān)測點(diǎn)滯后掘進(jìn)工作面30 m 時(shí)，巷道變形量逐漸趨于穩(wěn)定；在滯后掘進(jìn)工作面在60 m時(shí)，巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂板下沉量最大值為14.5 mm，兩幫變形量最大值為6.2 mm。如圖2（b），在監(jiān)測點(diǎn)距離巷道掘進(jìn)工作面15 m 范圍內(nèi)，圍巖變形速率非常大，頂板最大變形速率可達(dá)3.76 mm/d，兩幫變形速率最大可達(dá)2.6 mm/d；之后距離巷道掘進(jìn)工作面不斷增大，巷道圍巖變形速率逐漸降低，直到滯后巷道掘進(jìn)工作面60 m 時(shí)，圍巖變形速率基本為0。因此，在巷道掘進(jìn)過程中，距離掘進(jìn)工作面10 m 范圍內(nèi)先行施工頂板錨桿，起到及時(shí)約束巷道頂板圍巖變形，保證巷道掘進(jìn)安全的目的；第二次支護(hù)在滯后工作面20～30 m 范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行，主要是補(bǔ)打兩幫錨桿；第三次支護(hù)在滯后工作面50～60 m 范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行，此時(shí)巷道圍巖已基本趨于穩(wěn)定，主要進(jìn)行錨索的施工。將整個(gè)巷道掘進(jìn)的支護(hù)分三次進(jìn)行，在保證巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，盡可能減少掘進(jìn)和支護(hù)兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工干擾，起到提升巷道掘進(jìn)效率，解決采掘接替緊張的問題。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

3.3 巷道掘進(jìn)分次支護(hù)現(xiàn)場效果分析

按照前述設(shè)計(jì)方案，在巷道掘進(jìn)過程中，為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，本著及時(shí)支護(hù)的原則，在滯后掘進(jìn)工作面10 m 范圍內(nèi)進(jìn)行首次支護(hù)時(shí)，錨桿支護(hù)也進(jìn)行分次施工。

（1）首次支護(hù)（0～10 m）。在滯后掘進(jìn)工作面0～2.5 m 范圍內(nèi)，在巷道頂板中線位置施工一根頂錨桿；滯后掘進(jìn)工作面2.5～5 m 范圍內(nèi)，在巷道頂板中線兩邊施工兩根頂錨桿；滯后掘進(jìn)工作面5～10 m 范圍內(nèi)，在巷道頂板肩角位置施工兩根頂錨桿，鋪設(shè)Ф6.5 mm×150 mm×150 mm 的金屬網(wǎng)。

（2）第二次支護(hù)（20～30 m）。這一階段，支護(hù)與掘進(jìn)兩個(gè)施工環(huán)節(jié)距離較遠(yuǎn)，相互之間干擾較少，因此幫錨桿支護(hù)不必分步進(jìn)行，可同時(shí)施工。

（3）第三次支護(hù)（50～60 m）。這一階段只進(jìn)行錨索施工。

在現(xiàn)場選取200 m 試驗(yàn)段，其中0～100 m 為對比段，采用傳統(tǒng)的支護(hù)工藝；100～200 m 為試驗(yàn)段，采用分次支護(hù)施工。在對比段和試驗(yàn)段各布置三個(gè)監(jiān)測斷面，用于監(jiān)測巷道變形量及錨桿支護(hù)阻力。監(jiān)測曲線如圖3。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖3（a）所示，對比段和試驗(yàn)段都是在滯后掘進(jìn)工作面45 m 左右，巷道圍巖趨于穩(wěn)定，但是分次支護(hù)的試驗(yàn)段比巷道變形量略大于傳統(tǒng)一次支護(hù)的對比段，其中頂板下沉量大2.83 mm，巷道變形量大1.89 mm。如圖3（b）所示，總體來看，兩條錨桿工作阻力監(jiān)測曲線變化趨勢基本接近，但試驗(yàn)段錨桿工作阻力略大于對比段。其主要原因就是分次支護(hù)的核心思想是允許巷道圍巖小變形，支護(hù)是為了充分發(fā)揮圍巖的自承能力，而傳統(tǒng)一次支護(hù)的原則就是限制巷道圍巖變形。因此，試驗(yàn)段巷道圍巖變形量及錨桿工作阻力均略大于對比段，但是都滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)要求。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，傳統(tǒng)一次支護(hù)施工巷道月掘進(jìn)約為320 m，而分次支護(hù)巷道月掘進(jìn)約為410 m，月進(jìn)尺提升了月28.1%，大大提高了巷道掘進(jìn)速率，可以緩解煤礦采掘接替緊張的問題。

4 結(jié)論

（1）以理論計(jì)算為依據(jù)，結(jié)合宜興煤業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，巷道支護(hù)參數(shù)選取如下：頂錨桿規(guī)格為Ф18 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿，幫錨桿規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm 的螺紋鋼錨桿，金屬網(wǎng)規(guī)格為Ф6.5 mm×150 mm×150 mm。

（2）提出分次支護(hù)的方式提高巷道掘進(jìn)速率，即在巷道掘進(jìn)過程中，距離掘進(jìn)工作面10 m 范圍內(nèi)先行施工頂板錨桿；第二次支護(hù)在滯后工作面20～30 m 范圍內(nèi)時(shí)施工幫錨桿；第三次支護(hù)在滯后工作面50～60 m 范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行錨索施工。

（3）通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分次支護(hù)可以滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)要求，且掘進(jìn)速率提升了28.1%，可以緩解現(xiàn)場采掘接替緊張的問題。