耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)在3412 材料巷的應(yīng)用

武浩軍

（汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦， 山西 柳林 033300）

1 3412 材料巷概況及煤（巖）層賦存特征

3412 材料巷位于賀西煤礦三采區(qū)東翼中部，西起于三采4 號(hào)皮帶巷，東止于4 號(hào)煤層不可采區(qū)域，南側(cè)為未開掘的4 號(hào)實(shí)體煤，北側(cè)為3410 工作面（已回采完畢），上部為3310 工作面和3312 工作面采空區(qū)，層間距為7～16 m。工作面底板標(biāo)高+602～+663 m，埋深311.1～522.5 m。

3412 材料巷沿山西組4 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層傾角3°～7°，平均5°,容重1.39 t/m3，煤層厚度1.5~3.2 m，巷道長度為1 406 m，老頂為10.2 m 厚的中粒砂巖，直接頂為1.2 m 厚的砂質(zhì)泥巖，偽頂為0.6 m 厚的砂質(zhì)泥巖。

2 3412 材料巷支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)

1）支護(hù)強(qiáng)度：由于掘進(jìn)巷道的支護(hù)質(zhì)量將會(huì)經(jīng)歷回采工作面超前支護(hù)段超前支承壓力的作用，因此巷道的支護(hù)效果和支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)適應(yīng)巷道的圍巖變形。

2）支護(hù)系統(tǒng)的預(yù)緊力：錨桿支護(hù)效果的好壞取決于錨桿安裝時(shí)的預(yù)緊力，所以科學(xué)合理地設(shè)計(jì)錨桿的預(yù)緊力至關(guān)重要。尤其是小煤柱沿空掘巷，由于煤體經(jīng)歷一次動(dòng)壓影響后，煤體已經(jīng)變得破碎，圍巖松動(dòng)圈變大。為了降低順槽掘進(jìn)后松動(dòng)圈的擴(kuò)展范圍和擴(kuò)展速度，需要提高錨桿、錨索的主動(dòng)支護(hù)效果。

3）支護(hù)體的長度：根據(jù)類似條件下煤巷順槽的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，考慮到動(dòng)壓影響的因素，要合理設(shè)計(jì)錨桿的類型與錨索的長度。

4）讓壓性和可變形性：通過井下觀測，順槽受工作面動(dòng)壓影響，會(huì)發(fā)生明顯變形。讓巷道圍巖為可控范圍內(nèi)允許有一定量的變形，使讓壓后的支護(hù)系統(tǒng)起作用。

5）錨固力：由于煤體的節(jié)理裂隙非常發(fā)育，煤體的強(qiáng)度低，可錨性變差。必須改進(jìn)錨桿與錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在不影響現(xiàn)場作用的前提下保證錨固力。

6）表面控制措施：由于煤體比較松軟，再加上煤體節(jié)理和裂隙發(fā)育嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)滾幫現(xiàn)象。所以需要增強(qiáng)巷道頂板及兩幫的支護(hù)強(qiáng)度、剛性強(qiáng)度和護(hù)表面積，保證巷道變形時(shí)的需要。

3 3412 材料巷耦合讓均壓支護(hù)試驗(yàn)方案

3.1 頂板錨桿參數(shù)

頂板采用高強(qiáng)度讓均壓錨桿支護(hù)，錨桿采用Q500 MPa 礦用高強(qiáng)螺紋鋼，直徑為20 mm，長度為2.4 m，支護(hù)間排距均為1 m，托盤采用0.15 m×0.15 m×0.08 m 的高強(qiáng)球形托盤，采用CK2335 與CK2350 的錨固劑各一支，煤體表面支護(hù)采用W 鋼帶和菱形網(wǎng)進(jìn)行，讓均壓裝置采用12~15 t 單泡應(yīng)力顯示讓均壓管，安裝扭矩不小于200 N·m，讓均壓錨桿裝配圖如圖1 所示。

圖1 讓均壓錨桿裝配圖

3.2 幫部錨桿參數(shù)

巷幫采用高強(qiáng)度蛇形讓均壓錨桿支護(hù)，錨桿采用Q500 MPa 礦用高強(qiáng)螺紋鋼，直徑為18 mm、長度為1.8 m，支護(hù)間排距均為1 m，托盤采用0.15 m×0.15 m×0.08 m 的高強(qiáng)度球形托盤，采用CK2335 與CK2350 的錨固劑各一支，煤體表面采用鋼帶托盤和菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，讓均壓裝置采用單泡應(yīng)力顯示讓均壓管，安裝扭矩不小于150 N·m，聯(lián)合托盤裝配圖如下頁圖2 所示。

圖2 聯(lián)合托盤裝配圖

錨桿的錨固端為蛇形結(jié)構(gòu)，蛇形外徑為26～28 mm，蛇形錨桿示意圖如下頁圖3 所示。

圖3 蛇形錨桿示意圖

3.3 錨索參數(shù)

錨索為Φ18.9 mm×6 300 mm 的鳥窩讓均壓錨索，配合使用0.3 m×0.3 m×0.012 m 的高強(qiáng)球形托盤與錨具、讓均壓管，三花型布置，錨索間排距為2.6 m×1 m，配合使用兩支CK2350 型錨固劑。鳥窩數(shù)量5 個(gè)，鳥窩外側(cè)直徑為26~28 mm，鳥窩讓均壓錨索結(jié)構(gòu)如圖4 所示，W 鋼帶示意圖如圖5 所示，支護(hù)平剖面圖如圖6 所示。

圖4 鳥窩讓均壓錨索結(jié)構(gòu)圖

圖5 W 鋼帶示意圖

圖6 耦合讓均壓段頂、幫部支護(hù)平、剖面圖（單位：mm）

4 讓均壓錨桿支護(hù)使用效果分析

通過對3412 材料巷讓均壓錨桿支護(hù)段掘進(jìn)期間巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在降低成本同時(shí)又提高巷道掘進(jìn)速度的前提下，巷道整體情況良好，滿足了礦井工作面安全生產(chǎn)的需要。在井下試驗(yàn)過程中，通過對錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)的分析，可以得出如下結(jié)論：

1）運(yùn)用耦合讓均壓支護(hù)理念對巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)后，扭矩與安裝應(yīng)力轉(zhuǎn)化比較強(qiáng)，相比原支護(hù)方案巷道圍巖表面位移得到有效控制。普通錨桿由于加工工藝與材質(zhì)本身特性，扭矩轉(zhuǎn)化為安裝應(yīng)力的效率值較低，讓均壓錨桿由于材料本身特殊及加工工藝的特殊要求，能夠使扭矩較高的轉(zhuǎn)化為安裝應(yīng)力。讓均壓錨桿在同樣200 N·m 的扭矩下，能轉(zhuǎn)化為5 t 左右的安裝應(yīng)力，而普通錨桿只有3 t 左右的安裝應(yīng)力。

2）采用耦合讓均壓支護(hù)系統(tǒng)后，在巷道允許一定變形的情況下，巷道支護(hù)效果整體良好。普通錨桿與錨索兩者間的變形耦合和載荷耦合都相對比較差，起不到共同支護(hù)的效果。耦合讓均壓錨桿、鳥窩錨索能夠相互耦合互相協(xié)調(diào)，共同支護(hù)圍巖體。

3）采用蛇形錨桿、鳥窩錨索支護(hù)后，錨桿錨固力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了更好地解決錨桿、錨索“三徑匹配”，對錨桿的尾部做了蛇形處理，錨索做了鳥窩形狀的處理，更好地滿足了錨固力的要求。錨桿、錨索可以有效錨固，解決了錨桿、錨索錨固力不穩(wěn)定的問題。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度錨桿恒久支護(hù)的作用。

4）采用耦合讓均壓支護(hù)系統(tǒng)后，降低了錨索直徑、錨桿直徑和長度，實(shí)現(xiàn)巷道的一次支護(hù)成功，降低了投資成本，提高了巷道施工速度，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5）通過提高錨桿的間排距和優(yōu)化施工工藝及施工機(jī)具，實(shí)現(xiàn)了巷道安全快速掘進(jìn)的目標(biāo)，提高了掘進(jìn)工效，保證了巷道的安全施工。

6）操作性強(qiáng)。去掉了原有支護(hù)使用的鋼筋圈梁，特別是幫部施工時(shí)，由于煤層的突然變化，鋼筋圈梁在使用過程中可能造成錨桿間距影響，使鋼筋圈梁不能很好地發(fā)揮其作用。新支護(hù)技術(shù)使用的W 鋼護(hù)板是單獨(dú)的，適用性較鋼筋圈梁更靈活方便。

7）現(xiàn)場情況，通過和3410 工作面兩巷的礦壓顯現(xiàn)情況對比可以明顯看出，在使用耦合讓均壓支護(hù)設(shè)計(jì)后，巷道的整體頂板下沉量和兩幫的移近量明顯降低，錨桿和錨索的讓均壓環(huán)變形作用明顯增強(qiáng)了錨桿錨索的作用效果，導(dǎo)致巷道錨桿支護(hù)出現(xiàn)因斷裂而出現(xiàn)失效的狀況和概率明顯減低，斷裂數(shù)量由原有的16%下降到了現(xiàn)有的3%，確保了巷道的安全和穩(wěn)定。

8）通過這種支護(hù)，因?yàn)橄锏赖淖冃瘟坎淮螅詫ο锏篮笃诘恼w維護(hù)量也明顯減少，降低了巷道的維修成本。

9）礦壓的變化分析。在原有的支護(hù)材料和參數(shù)情況下可以明顯發(fā)現(xiàn)，在這種支護(hù)下，壓力變化更加均衡，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的數(shù)值突然升高或降低。由此說明，該支護(hù)材料對頂板支護(hù)的均衡性和穩(wěn)定性較強(qiáng)[1-2]。

5 優(yōu)化改進(jìn)和推廣應(yīng)用

5.1 存在問題和優(yōu)化改進(jìn)

讓均壓錨桿支護(hù)系統(tǒng)在賀西煤礦掘進(jìn)巷道的應(yīng)用是非常成功的，可有效對臨近采空區(qū)巷道完好支護(hù)，確保了巷道的整體安全和性能，然而，仍有一些問題需要解決處理：

1）對斷層區(qū)域及成形相對比較差的巷道進(jìn)行圍巖支護(hù)研究，找出專門的支護(hù)措施，斷層區(qū)域的巷道應(yīng)力相對集中，同時(shí)斷層面的支護(hù)要求要將上下盤能平均應(yīng)力分布，保證巷道在地質(zhì)變化處的整體安全性能。

2）需要進(jìn)一步優(yōu)化巷道圍巖支護(hù)系統(tǒng)。對目前的礦壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，使其更加完善。尤其是煤層變薄的區(qū)域，幫部錨桿的數(shù)量是否可以變?yōu)閮筛Ｍㄟ^對托盤的設(shè)計(jì)和讓均壓效果的再分析，實(shí)現(xiàn)低密度的耦合讓均壓支護(hù)。

3）建議對鳥窩錨索的外徑和蛇形錨桿的外徑大小進(jìn)一步研究，適當(dāng)減小最大外徑。

5.2 推廣和應(yīng)用

讓均壓錨桿在3412 材料巷的成功應(yīng)用，提高了汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦的支護(hù)技術(shù)水平，為在臨近采空區(qū)巷道支護(hù)提供了更加有力的巷道支護(hù)理論和支護(hù)方案，同時(shí)也通過該支護(hù)形式為礦井的支護(hù)提高了汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦其他工程的開展效率。下一步汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦將在所有臨近采空區(qū)的巷道內(nèi)采用該種支護(hù)，以保證相同狀況巷道的安全，將更加注重支護(hù)的礦壓觀測情況，為該種支護(hù)的推廣和發(fā)展提供更加有力的證據(jù)和理論基礎(chǔ)，保證該種支護(hù)的順利推廣和發(fā)展，為頂板的安全支護(hù)作出鋪墊。