麥捷煤業150505 軌道順槽錨網支護設計

胡 東

（山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司，山西 晉中 030600）

0 引 言

相較于其他巷道，工作面巷道的斷面比較小，服務年限比較短；但同時工作面巷道受采動影響嚴重，容易發生變形。150505 工作面處于井田新區東部，據現有三維勘探資料顯示，該工作面可能遇到斷層、陷落柱較多，故對巷道的支護設計與工程質量要求相對較高[1]。為保證軌道順槽的支護設計和施工質量滿足要求，保證礦井的安全生產，并為今后的巷道布置、支護設計等提供基礎參數，通過進行研究和試驗，以解決軌道順槽的支護問題。對麥捷煤業軌道順槽錨網支護設計，保證巷道安全。

1 150505 軌道順槽地質條件概況

1.1 煤層賦存情況

根據麥4、麥6 勘探鉆孔及煤層厚度變化趨勢圖分析，150505 軌道順槽所在區域煤層含0～1 層夾矸，K2 灰巖為其直接頂板。上距12 號煤27.08～44.60 m，平均36.29 m，煤層純煤厚度4.85～6 m 之間，平均5.42 m。頂板為泥巖、石灰巖，底板為泥巖、砂質泥巖。

15 號煤層頂板多為K2 灰巖和砂質泥巖、泥巖。石灰巖抗壓強度19.5 MPa，抗拉強度0.87 MPa，抗剪強度1.67 MPa；泥巖抗壓強度19.5 MPa，砂質泥巖抗壓強度11.3 MPa，抗拉強度0.31 MPa，灰巖頂板巖石較堅硬穩定。泥巖和砂質泥巖頂板巖石較松軟不穩定；底板為泥巖、砂質泥巖，砂質泥巖抗壓強度7.5 MPa，泥巖抗壓強度14.1 MPa，抗拉強度0.58 MPa，抗剪強度1.61 MPa；泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖底板不穩定，易發生底鼓不良地質災害。

1.2 150505 工作面軌道順槽地質構造

根據現有三維勘探資料，軌道順槽自北向南單斜構造區域；巷道最高點預測標高935 m，最低點預測標高為900 m，最高點和最低點高差35 m。

150505 軌順掘進至190～250 m 范圍內可能遇到XL3 陷落柱（長軸：EW，420 m；短軸：254 m），但根據150503 皮順打鉆探測陷落柱結果推測，巷道遇陷落柱情況為3 號向斜南翼和2 號背斜北翼煤層起伏所致。

150505 軌順掘進至565～590 m 范圍內可能遇MF15 正斷層（∠65° ～75°，H：0～8 m）；掘進至750～770 m 范圍內可能遇MF38 正斷層（∠70°，H < 5 m）；掘進至1 184～1 200 m 范圍內可能遇MF40 正斷層（∠60°～70°，H<5 m）。

根據三維地震勘探結果顯示，150505 軌順掘進位于2 號背斜北面，460～470 m 范圍內可能遇7 號向斜。

為了確保巷道安全掘進，必須提前對巷道可能遇到的異常區進行打鉆探測，并嚴格執行超前探規定。掘進過程中，注意加強頂板和煤墻的管理，嚴格執行“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”方針以及保護煤柱不小于30 m 的原則，進行超前探測出現異常情況時及時向地測部、生產部等相關部門進行匯報，提前制定相應安全技術措施。

1.3 150505 工作面軌道順槽水文地質情況

根據地質資料和周邊礦井調查分析，本區內上覆煤層均未開采，但鄰礦上社二景煤業15105 采空區（2018.9-2018.12）已采空，但對150505 軌順掘進無影響。根據瞬變電磁勘探情況分析，巷道掘進過程中不會受上部灰巖裂隙水影響，但可能受K7 砂巖和K8 砂巖裂隙水影響。現對巷道可能遇構造導水、上部裂隙水影響和鄰礦采空區積水影響。

150505 軌順掘進可能遇MF15 正斷層（弧狀斷層，分析為XL3 陷落柱的伴生斷裂）、MF38 正斷層和MF40 正斷層均不含水。巷道190～250 m 范圍內可能遇XL3 陷落柱（邊界可能受K7-47 中等賦水區影響，含水主要集中在8、9 號煤層附近，并且沒有連通各含水層）；XL5 陷落柱（整體含水，48 號含水異常區將陷落柱包含，陷落柱連通奧陶系灰巖以上各含水層）距巷道約40 m，已在150503 皮順進行打鉆探測，無賦水異常。

巷道掘進至400 ～550 m 范圍內上部賦存K7-47 中等賦水區（17 661 m3）；847～1 201 m 范圍內上部賦存K8-48 （距15 號煤層約137 m，68 277 m3） 和K7-48 強富水區（距15 號煤層約112 m，38 293 m3）；1 149～1 201 m 范圍內K2-48弱賦水區（15 835 m3）。

經周邊礦井調查結果顯示，上社二景煤業臨近礦界200 m 范圍內上部煤層未采掘，不涉及上部采空區突水威脅；但150505 軌順末端鄰礦上社二景煤業15105 采空區（2011.7-2011.11）已采空，但該采空區北高南低，經調查，該采空區積水（950 m3，1 100 m3），對150505 軌順掘進無透水威脅，可根據實際情況按照“三線”管理進行打鉆探放該采空區積水。綜合分析，該礦采空區積水對150505 工作面采掘活動影響不大。

2 錨桿支護設計分析

2.1 錨桿支護參數選取

圖1 給出了錨桿不同預應力時錨桿的應力分布。由此可以發現，在高預應力的作用下，錨桿周圍會形成一個較大的附加應力場，從而使頂板形成一個整體，發揮錨桿的主動支護作用[2-3]。

圖2 給出了錨桿長度對錨桿周圍應力分布的影響。由此可以發現，在錨桿長度較大時，錨桿周圍的有效壓應力區域范圍增加，但是錨桿中部的壓應力會減小。也就是說，在錨桿長度增加時，預應力對錨桿支護的作用減弱。因此，可以提高錨桿的預應力來減少錨桿的長度。

圖1 不同錨桿預應力形成的附加應力場分布

圖2 不同錨桿長度時錨桿的應力分布圖

圖3 不同支護密度下錨桿的支護附加應力場

圖3 給出了支護密度對錨桿應力分布的影響。由此可以發現，在預應力一定時，單根錨桿周圍會形成錐形應力分布區域。在錨桿的間距縮小時，這些錐形應力分布區域會出現相互靠近甚至重疊的現象。當間距縮小到一定程度時，支護密度對支護效果影響會減弱。

頂板兩角錨桿的角度對錨桿周圍的應力分布有一定的影響。隨著角度的增加，有效壓應力區域中部錨桿的有效應力區出現了分離，應力疊加的區域明顯減小，這有助于錨桿的穩定。經過相關模擬，頂板錨桿的角度最大不超過20°。

2.2 軌道順槽錨網支護設計

經過數值模擬計算，確定軌道順槽采用樹脂加長錨固高強錨桿錨索組合支護系統。斷面形狀為矩形，斷面規格為掘寬×掘高=4 500 mm×3 300 mm，S掘=14.85 m2。

2.2.1 頂板支護

錨桿等間距布置，每排5 根，間距1 000 mm，排距為1 000 mm。頂角錨桿外斜20°打設，分距巷幫250 mm，其余錨桿全部垂直頂部打設。每根錨桿采用1 支MSCKa2335 和1 支MSZ2360 型錨固劑錨固。要求錨桿錨固力不低于127 kN。

錨索等間距布置，布置形式為“小三花”（2-1-2），間距2 400 mm，排距為1 000 mm。打設在2 排錨桿中間。每根錨索采用1 支MSCKa2335 和2支MSZ2360 型錨固劑錨固。錨索要求超張拉至150 kN 以上，損失后預緊力不低于120 kN。

梯子梁使用φ16 mm 圓鋼加工的單筋梯子梁。網片采用對接方式，聯網間距100 mm，用16 號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯，扭結不少于3 圈。

2.2.2 補強支護

對150505 軌道順槽聯絡巷開口位置，與15 號南軌交叉點處前后5 m 范圍內補打錨索進行加強支護。巷道支護斷面如圖4 所示。

圖4 150505 軌道順槽支護斷面圖

2.2.3 兩幫支護

錨桿等間距布置，每排每幫3 根，間距為1 200 mm，排距為1 000 mm。中間錨桿全部水平布置，幫頂角錨桿上斜10°、底角錨桿下斜10°布置，距頂板300 mm、距底板600 mm。每根錨桿采用1 支MSCKa2335 和1 支MSZ2360 型錨固劑錨固。要求錨桿錨固力不低于100 kN。梯子梁使用φ14 mm 圓鋼加工的單筋梯子梁。網片采用對接方式，聯網間距100 mm，用16 號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯，扭結不少于3 圈。

3 井下施工工藝和安全措施

井下施工是該項目的關鍵部分，必須按照設計要求，保證施工質量。

3.1 施工機具

軌道順槽所需施工機具見表1 所列。頂板采用MQT120 型單體風動錨桿機鉆裝錨桿，配套鉆桿為B22 型中空釬桿，鉆頭為28 mm 雙翼鉆頭；用幫錨桿機鉆裝幫錨桿。

表1 巷道施工所需機具

準備好試驗所需的一切材料、機具和礦壓觀測儀器，并保證質量。對施工隊伍進行技術培訓，使其了解試驗目的，施工工藝和要求，掌握有關機具的操作，以便在井下施工中保證質量。

3.2 施工工藝和技術要求

3.2.1 施工工藝過程

延伸皮帶→掘進機割煤→出煤→敲幫問頂→臨時支護→永久支護→驗收→下一循環。

1）延伸皮帶：將膠帶輸送機開空后，將膠帶輸送機停電閉鎖，然后松開漲緊導鏈，利用掘進機拉皮帶機尾至設定位置后，延伸皮帶，利用導鏈漲緊皮帶。

2）割煤（出煤）運料：根據巷道設計尺寸進行割煤，人工配合掘進機盡快出煤。在這個過程中，應該同時運輸巷道支護所需的材料。

3）敲幫問頂：在巷道斷面成型時，表面可能存在一些活矸，這會對工人的安全產生威脅，需要有經驗豐富的工人將其敲掉，在敲掉后方可繼續進行作業。

4）臨時支護：跟班隊干、班長、安全員全面檢查工作面支護情況、瓦檢員檢查瓦斯情況，在確認無問題后按規定架設臨時支護。

5）永久支護：利用幫下部留煤作為打頂錨桿的平臺，用2 臺鉆機打設頂板錨桿（索）和巷幫頂角錨桿，先標定錨桿（索）位置，然后打設中部頂錨桿，再依次向兩幫打設，頂錨桿打設完畢后立即打設錨索。頂幫錨桿可平行作業，幫下部一根錨桿可滯后工作面4 排。

6）驗收員驗收合格后進入下一個循環。

3.2.2 技術要求

安裝錨桿施工工藝：①聯網，將頂網與原前一排頂網按規定搭接、孔孔相聯；②標眼位，綁上梯子梁后，根據設計位置利用激光中線使用卷尺對好梯子梁，在梯子梁限位孔內進行打眼；③打眼，工人應該用手扶住處于直立狀態的錨桿機護手，并將長度為1.2 m 的鉆桿放入到鉆機的夾具中，與此同時，鉆機工人應該抓住T 型把手，直至鉆桿到達制定的位置，開動鉆機進行鉆孔作業，在鉆孔作業時，應該打開水管控制按鈕。在鉆入深度較淺時，應該控制鉆進速度，使鉆桿平穩地進入。待鉆桿進入到一半左右，應該增加扭矩，增加鉆進速度。第1 根鉆桿鉆完之后，應該調小出水量，安裝第2 根鉆桿，2 根鉆桿進入后，鉆孔深度應該控制在2 260±30 mm；④安裝錨桿，在安裝之前，應該將鉆孔內的巖石粉末清理干凈，并要檢查鉆孔的位置、深度以及間距是否符合設計的要求，若存在不符合要求的地方，則應該采取相應的補救措施，一般情況下，需要重新鉆孔。待檢查完成后，將錨固劑串在錨桿上，塞入到鉆孔內，這里，先裝1 支MSCK2335，再裝1 支MSZ2360 送至孔底。上好錨桿后需要安裝托盤和螺母，并將錨桿攪拌30s 以上；⑤緊固錨桿：等待1 min，使用風動錨桿預緊扳手或機械式扭矩倍增器，逐一對頂錨桿施加預緊力至300 N·m。

安裝錨索施工工藝：①鉆孔，豎起鉆機，觀察頂板圍巖狀況，調整后鉆機的轉態后開始鉆孔。在鉆孔時，輔助人員應該扶穩鉆機，使鉆機的鉆頭停留至設計的鉆孔位置，與此同時，鉆機操作人員可以打開鉆機的排水口，應該保持一個較為穩定的狀態。鉆入深度較淺時，應該控制鉆進速度，使鉆桿平穩地進入。待鉆桿進入到一半左右，應該增加扭矩，增加鉆進速度。第1 根鉆桿鉆完之后，應該調小出水量，安裝第2 根、第3 根…鉆桿，最終鉆孔深度達到7 950 mm（5 950 mm）±100 mm；②安裝錨索，在安裝之前，應該將鉆孔內的巖石粉末清理干凈，并要檢查鉆孔的位置、深度以及間距是否符合設計的要求，若存在不符合要求的地方，則應該采取相應的補救措施，一般情況下，需要重新鉆孔。按序將3 根樹脂錨固劑裝入鉆孔（先裝1 支MSCK2335，再裝2 支MSZ2360），在錨索的在外裸露長度低于800 mm 時，應該立即將錨索與鉆機連接起來，將錨索送入到底部后攪拌30～40 s；③張拉錨索，待錨索的錨固劑施工完成20 min 后，在錨索所在的位置搭建工作臺，在錨索的端部安裝上輔助配件，主要是托板以及鎖具等，使錨索對頂板起著很好的錨固作用。與此同時，把張拉用的油缸套在錨索的裸露端，使錨索在油缸的作用下穩定拉伸，待油缸的壓力表達到2 MPa 時，應該立即停機，所有人應該撤離到作業地點5 m 以外的區域，打開油泵繼續對錨索進行拉升，直至油缸的壓力表讀數達到45 MPa 左右時停機，并將油缸的壓力降為零。張拉時，發現不合格錨索，必須在其附近補打合格錨索。錨索安裝2 d 后，如發現預緊力下降，必須及時補拉。

4 結束語

通過分析了麥捷煤業150505 軌道順槽的實際情況，對煤礦巷道的支護方式進行了設計。為了確定合理的錨桿和錨索支護參數，采用了數值模擬的方法。錨桿越長，施加的預應力應越大。反過來，通過提高預應力，可適當減小錨桿長度。考慮施工需要一定的角度，錨桿或錨索最大角度不應超過20°。