煤炭巷道錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

阮東鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部基本建設(shè)管理部， 山西 晉城 048000）

引言

隨著煤炭資源需求的不斷提高，煤炭掘進(jìn)工作量日益繁重，其安全生產(chǎn)問(wèn)題已成為煤炭監(jiān)管部門的廣泛關(guān)注焦點(diǎn)[1]。巷道支護(hù)作為煤炭掘進(jìn)工作開(kāi)展的重要保障，其可靠性不僅關(guān)系著煤礦井下工人的生命安全，還與煤炭企業(yè)采煤工作能夠順利開(kāi)展息息相關(guān)，必須引起高度重視[2]。錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)已成為煤礦井下巷道支護(hù)的主要形式，取得了很好的應(yīng)用效果，得到了各界的認(rèn)可[3-4]。煤礦掘進(jìn)過(guò)程中錨桿支護(hù)技術(shù)的合理性是提高支護(hù)質(zhì)量、降低頂板事故的保證。與此同時(shí)，先進(jìn)的錨桿支護(hù)方案也能夠提高煤炭掘進(jìn)的效率，降低錨桿支護(hù)的費(fèi)用，為煤炭企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)現(xiàn)有巷道支護(hù)存在的諸多問(wèn)題，開(kāi)展煤礦巷道錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

某工作面為采區(qū)的首采工作面，其中涉及三條掘進(jìn)巷道，包括進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和開(kāi)切眼。采區(qū)煤層的厚度為1.41～1.93 m，煤層厚度平均數(shù)值為1.6 m，煤層的傾斜角度為2.6°～6.4°，煤層傾斜角度平均值為4°。工作面進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面的寬度尺寸為5 m，高度尺寸為2.7 m，計(jì)算得到斷面的橫截面積為13.5 m2，巷道長(zhǎng)度尺寸約為1 350 m。巷道頂板的主要成分為泥巖和砂質(zhì)泥巖，裂隙較為發(fā)達(dá)，掘進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)塌落。煤礦掘進(jìn)時(shí)一旦出現(xiàn)斷層構(gòu)造，就會(huì)發(fā)生頂板破碎情況，故而頂板管理存在難度。

1.2 存在的問(wèn)題

工作面巷道支護(hù)采用的是錨桿錨索支護(hù)，支護(hù)過(guò)程出現(xiàn)了一些問(wèn)題，具體內(nèi)容如下：第一是頂板支護(hù)局部出現(xiàn)塌落，支護(hù)整體性不好；第二是兩幫掛網(wǎng)的支護(hù)效果欠佳，掛網(wǎng)與兩幫接觸面存在間隙，不能適應(yīng)較小幫壁側(cè)向位移的支護(hù)；第三是錨索托板支護(hù)強(qiáng)度較差，現(xiàn)場(chǎng)存在托板變形的情況。巷道支護(hù)作為保證煤礦井下工作面安全工作的基礎(chǔ)，其工作的可靠性不僅關(guān)系煤礦井下工作人員的生命安全，還與煤炭企業(yè)的煤炭產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，必須引起高度重視。由于煤礦巷道支護(hù)出現(xiàn)了上述問(wèn)題，不能保證巷道作業(yè)的安全，需要采取針對(duì)性措施，重新設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案，以便提高巷道工作面的安全性。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面巷道實(shí)際情況及存在的問(wèn)題，新設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)采用“錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)”相結(jié)合的方式。根據(jù)筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用工程類比方法，初步確定了支護(hù)錨桿的直徑范圍為16～22 mm，錨桿長(zhǎng)度尺寸范圍為1.6～2.2 m，間排距尺寸范圍為0.6～1.2 m，錨固力數(shù)值范圍為55～90 kN。基于上述參數(shù)范圍，逐一確定錨桿支護(hù)技術(shù)參數(shù)。

2.1 錨固參數(shù)確定

目前較為常見(jiàn)的錨桿錨固形式涉及三種，分別包括全長(zhǎng)錨固、加長(zhǎng)錨固、端頭錨固，結(jié)合煤礦工作面巷道實(shí)際的圍巖分布情況及現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境，選擇加長(zhǎng)錨固方式。頂板錨固錨桿選擇Φ20 mm 的高強(qiáng)度錨桿，表面為左旋無(wú)縱筋結(jié)構(gòu)，破斷強(qiáng)度為180 kN。頂板錨桿錨固的長(zhǎng)度尺寸為1 500 mm，錨固樹(shù)脂藥卷的型號(hào)為CK2360 和K2360 各一支，藥卷的半徑為11.5 mm，計(jì)算可得樹(shù)脂錨固力大小為195.8 kN，滿足大于錨桿破斷強(qiáng)度的要求。

2.2 頂板錨桿間排距確定

掘進(jìn)工作面巷道斷面的高度尺寸為2 700 m，寬度尺寸為5 000 m，坡頂沿煤層底板布置。由煤礦巷道周圍的實(shí)際地質(zhì)情況出發(fā)，確定巷道頂板巖層的容重為24 kN/m3。巷道頂板巖層的硬度系數(shù)為12，煤巖層內(nèi)部的摩擦角為35°。結(jié)合筆者經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)計(jì)算得出，煤礦巷道頂板的錨桿支護(hù)布置間距尺寸為1 100 mm，每排之間的距離尺寸為1 000 mm，每排錨桿的個(gè)數(shù)為5 支，兩端的錨桿距離巷道兩幫的距離尺寸為300 mm，與鉛錘線呈20°，斜向巷幫方向，除此之外的其他錨桿均垂直布置。

2.3 兩幫錨桿間排距確定

巷道兩幫錨桿支護(hù)間排距的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是巷道斷面參數(shù)，巷幫錨桿支護(hù)的間距尺寸為1 000 mm，每排錨桿之間的距離尺寸為1 000 mm，每排錨桿的個(gè)數(shù)為2 支，巷道上幫位置的錨桿位置點(diǎn)離巷道頂板的距離尺寸為500 mm。巷道兩幫支護(hù)錨桿的直徑尺寸為20 mm，表面為左旋螺紋無(wú)縱筋結(jié)構(gòu)，頂板位置的錨桿長(zhǎng)度均為2 200 mm，兩幫位置的錨桿長(zhǎng)度均為1 800 mm。

2.4 錨索參數(shù)確定

錨索參數(shù)的合理性直接關(guān)系著錨桿支護(hù)的可靠性，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)及煤礦巷道斷面實(shí)際情況，將巷道支護(hù)用錨索的直徑尺寸確定為17.8 mm，錨索組成為7 根鋼絞線，破斷載荷大小為360 kN。每個(gè)錨索錨固孔內(nèi)使用型號(hào)為K2335 樹(shù)脂藥卷1 支和型號(hào)為Z2360 樹(shù)脂藥卷2 支，錨索的排間距尺寸為2 000 mm，錨索間距尺寸為1 800 mm，每排錨索的個(gè)數(shù)為2 支，全部錨索的布置方式均需垂直于頂板。

3 支護(hù)布置

煤礦工作面巷道支護(hù)形式為“錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)”，其具體的支護(hù)布置情況如下：頂板支護(hù)用的錨桿長(zhǎng)度尺寸為2 200 mm，每排錨桿之間的距離尺寸為1 000 mm，錨桿之間的間距尺寸設(shè)置為1 100 mm，每排布置5 支錨桿，兩端靠近巷幫的錨桿距離巷幫距離為300 mm，向巷道兩幫方向傾斜20°；巷道兩幫的錨桿長(zhǎng)度尺寸選擇1 800 mm，錨桿之間的距離為1 000 mm，每排錨桿之間的距離尺寸為1 000 mm，每排錨桿個(gè)數(shù)為2 支，上幫錨桿距離頂板500 mm，布置方式均垂直于頂板；錨索支護(hù)的間距尺寸為1 800 mm，每排錨索之間的距離尺寸為2 000 mm，每排布置2 支錨索，距離巷幫位置的距離尺寸為1 600 mm，均垂直于頂板平面布置。根據(jù)上述支護(hù)布置方式，繪制施工圖紙以便轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用，改善煤炭企業(yè)工作面巷道現(xiàn)有的問(wèn)題，提高井下工作的安全性和采煤效率。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證“錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)”方案的可行性，將其應(yīng)用于某煤礦工作面巷道支護(hù)工作中，應(yīng)用段巷道每隔50 m 布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用十字觀察法對(duì)應(yīng)用期間頂板和兩幫移近量進(jìn)行60 d 的記錄，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示。由圖1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，巷道斷面的變形量最大值出現(xiàn)在掘進(jìn)后的20 d 左右，其中頂?shù)装逯g的移近量約為80 mm，兩幫的移近量約為40 mm。之后的20～60 d，巷道斷面的變形量趨于穩(wěn)定，移近量基本不變。由此可見(jiàn)，該支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，確保了支護(hù)安全。

圖1 60 d 頂板和兩幫移近量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

支護(hù)技術(shù)作為煤礦巷道工作面安全作業(yè)的重要保障，其工作的安全性至關(guān)重要。針對(duì)某煤炭企業(yè)現(xiàn)有巷道支護(hù)存在的諸多問(wèn)題，開(kāi)展煤炭巷道錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)工作，擬定了“錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)”支護(hù)方案，確定了各支護(hù)參數(shù)。通過(guò)對(duì)支護(hù)方案的試運(yùn)行，得出巷道掘進(jìn)20 d 左右時(shí)的斷面變形量最大，頂?shù)装逯g的移近量約為80 mm，兩幫的移近量約為40 mm；20 d 之后巷道斷面的變形量變化減小，趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，該支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形，可確保支護(hù)安全。