機(jī)巷金屬錨架支護(hù)技術(shù)及效果評價

任兆鑫

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)毛則渠煤炭有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

近幾年，隨著對煤炭資源的需求量越來越大，開采強(qiáng)度不斷加大，我國淺部煤炭資源日趨減少。目前，我國已經(jīng)逐步進(jìn)入開采深部煤炭資源的時代。針對深部煤炭資源的開采，受到高地應(yīng)力、高低溫、高滲壓和強(qiáng)烈開采擾動的影響，對巷道支護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。巷道的支護(hù)已經(jīng)從預(yù)留寬煤柱的沿空掘巷支護(hù)發(fā)展到后來的預(yù)留窄煤柱的沿空掘巷支護(hù)，上述兩種支護(hù)方式不僅會造成煤炭資源的浪費(fèi)，而且對應(yīng)的支護(hù)成本較高[1]。因此，開展關(guān)于完全沿空掘巷的支護(hù)研究，保證深部煤炭資源的開采效率和安全性具有重要意義。本文重點(diǎn)對機(jī)巷金屬錨架的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，并對最終的支護(hù)效果進(jìn)行評價。

1 8001 工作面工程概況

本文以某礦8001 綜采工作面煤層的開采為例，該工作面煤層的巖石特性相對復(fù)雜，且工作面頂板的巖層、煤層較軟，極易導(dǎo)致頂板裂隙出現(xiàn)斷裂的情況。8001 工作面煤層設(shè)計(jì)初期的生產(chǎn)能力為45 萬t/年，且可供開采的煤層數(shù)量較多，本文以其中的3 號煤層的開采為例開展研究。經(jīng)探測，3 號煤層的平均厚度為2.87 m，煤層最厚為4.87 m、最薄為0.8 m。3 號煤層頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 3 號煤層頂?shù)装鍡l件

此外，經(jīng)探測8001 綜采工作面地下水包括有砂巖孔隙水、松散含水層孔隙水以及其他類型的水。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該工作面的最大涌水量可達(dá)26 m3/h，最小涌水量為4.3 m3/h。

2 8001 工作面支護(hù)技術(shù)研究

本節(jié)在對8001 工作面變形機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，針對性地提出支護(hù)措施，尤其是對金屬錨架的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 工作面變形機(jī)理研究

從整體上講，8001 工作面距離地面的距離約為600 m；整個區(qū)域的地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致8001 工作面變形相對嚴(yán)重。

8001 工作面煤層及巖層處于相對松散的狀態(tài)對應(yīng)的強(qiáng)度也較低，導(dǎo)致整個工作面的側(cè)向次數(shù)較大，則工作面在水平方向的作用力也較大，從而導(dǎo)致了工作面左右兩幫巷道受力呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)[2]。因此，針對8001 工作面除了對頂板進(jìn)行有效加固支護(hù)外，還需對巷道左右兩幫采取有效的支護(hù)措施解決左右兩幫受力不均勻而導(dǎo)致變形較大的問題。

2.2 工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)

2.2.1 支護(hù)方式

目前，絕大多數(shù)工作面主要采用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行加固，該種支護(hù)方式具有施工難度大且最終支護(hù)效果無法保證的缺陷。而單純的采用金屬棚架的支護(hù)方式，若棚架的間距設(shè)計(jì)較小時對應(yīng)的支護(hù)成本高、施工量大；若棚架的間距設(shè)計(jì)較大時無法保證最終的支護(hù)效果。因此，綜合上述兩種支護(hù)方式的優(yōu)勢，本工程將采用金屬錨架支護(hù)方式對巷道進(jìn)行加固。所謂金屬錨架支護(hù)，其主要包括U 型棚架和錨桿；輔助設(shè)施包括有高強(qiáng)度鋼筋笆、防漏膜和傳載短梁[3]。

從理論上將，采用金屬錨架支護(hù)方式可達(dá)到主動與被動支護(hù)相結(jié)合，通過讓壓和強(qiáng)支兩項(xiàng)措施實(shí)現(xiàn)對巷道的高效支護(hù)。

2.2.2 支護(hù)參數(shù)

結(jié)合8001 工作面的地質(zhì)條件，本節(jié)完成金屬錨架支護(hù)的參數(shù)設(shè)計(jì)，包括有主要設(shè)施和輔助設(shè)施的參數(shù)設(shè)計(jì)。

U 型金屬棚架：采用36U 的規(guī)格，金屬棚架的排間距為700 mm，金屬棚架頂棚與棚腿的搭接長度為600 mm。

錨桿：錨桿直徑為22 mm、長度為2 500 mm，錨桿類型為左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿間距為700 mm，錨桿排距為1 000 mm。

錨索：錨索直徑為17.8 mm、長度為6 000 mm，錨索排間距為1 400 mm，每排布置一根錨索，對應(yīng)錨索的預(yù)應(yīng)力為100 kN。

高強(qiáng)度鋼筋笆：鋼筋網(wǎng)眼的規(guī)格為100 mm×100 mm，整體規(guī)格為1 200 mm×9 00 mm，采用12 號鐵絲進(jìn)行固定。

防漏膜：防漏膜主要鋪設(shè)在高強(qiáng)度鋼筋笆后，規(guī)格為4 000 mm×900 mm，主要是防止碎煤的泄漏，減小頂板發(fā)生冒頂事故的風(fēng)險；同時，防漏膜還能避免煤層發(fā)生自燃[4]。

補(bǔ)強(qiáng)錨桿：補(bǔ)強(qiáng)錨桿按照圖1 所示進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。

圖1 補(bǔ)強(qiáng)錨桿實(shí)施效果圖（單位：mm）

3 支護(hù)效果分析

將上述支護(hù)方案應(yīng)用于8001 工作面的巷道中，為驗(yàn)證金屬錨架的支護(hù)效果，對支護(hù)完成后的巷道的變形情況進(jìn)行監(jiān)測；通過對巷道變形的監(jiān)測評估金屬錨架對巷道圍巖的控制效果。

3.1 監(jiān)測方案

在8001 工作面巷道內(nèi)，隨機(jī)抽取一個斷面進(jìn)行監(jiān)測，而后依次間隔10 m 選擇其他5 個斷面進(jìn)行監(jiān)測，并重點(diǎn)對每個斷面內(nèi)兩幫的變形速度和最終的變形量進(jìn)行觀測。本次監(jiān)測所采用儀器為JSS30A 型數(shù)顯收斂儀，該測試儀的測量精度精確值為0.06 mm，能滿足對巷道變形量的監(jiān)測要求。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表2 所示。

表2 巷道支護(hù)后不同斷面內(nèi)平均變形速度

如表2 所示，對巷道采取金屬錨架支護(hù)后，五個斷面巷道兩幫的變形速度隨著時間的推移不斷減小。而且，通過現(xiàn)場監(jiān)測巷道兩幫的最大變形量僅50 mm，遠(yuǎn)小于采用傳統(tǒng)錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)的415 mm。

同時，在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)，采用金屬錨架支護(hù)技術(shù)能夠到達(dá)縮減施工時間，極大地提升了對巷道的支護(hù)效率，以及對巷道圍巖控制的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）采用金屬錨架的支護(hù)方式可極大地縮短支護(hù)施工時間，提升了巷道的支護(hù)效率；

2）采用金屬錨架的支護(hù)方式可提高對巷道圍巖控制的穩(wěn)定性，其變形速度隨著時間的推移逐漸減小，最終變形量僅為50 mm。