特厚軟煤層底板軟巖開拓巷道合理支護(hù)參數(shù)研究

康福鈞 孫占成

（山西大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西省大同市，037042）

特厚軟煤層底板軟巖開拓巷道合理支護(hù)參數(shù)研究

康福鈞 孫占成

（山西大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西省大同市，037042）

針對(duì)虎龍溝煤礦5＃特厚軟煤層底板軟巖開拓巷道圍巖的特征，基于錨桿、錨索耦合支護(hù)機(jī)理，建立有限元數(shù)值分析模型，確定了軟巖開拓巷道合理的支護(hù)參數(shù)。結(jié)果表明：安全系數(shù)SF大于1.2時(shí)為安全穩(wěn)定圈，為保證錨桿錨固到松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層中，頂錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于2.0m；當(dāng)錨桿安裝應(yīng)力達(dá)到6t時(shí)，頂板離層裂隙全部產(chǎn)生閉合；采用快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索增大了桿體的拉拔強(qiáng)度，起到較好的支護(hù)效果；合理的表面控制措施對(duì)加強(qiáng)支護(hù)效果起到重要作用。

松軟巖層 開拓巷道 錨索支護(hù) 預(yù)應(yīng)力錨索 耦合支護(hù)

在原巖應(yīng)力和掘進(jìn)引起的附加應(yīng)力的共同作用下，軟巖巷道圍巖呈現(xiàn)出變形較大、破壞嚴(yán)重等特點(diǎn)。當(dāng)巷道圍巖變形超過(guò)錨桿、錨索的可延伸長(zhǎng)度時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系的失穩(wěn)，同時(shí)，由于巷道圍巖本身較軟，支護(hù)時(shí)容易發(fā)生漏頂和局部冒落現(xiàn)象，因此，軟巖巷道支護(hù)一直是許多采礦工作者研究的對(duì)象。

1 開拓巷道概況

同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司虎龍溝煤礦5＃煤層厚度在30.23～32.56m之間，平均為31.40m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下部煤層較硬，上部煤層較軟，火成巖的侵入使煤層破壞較為嚴(yán)重?；垳厦旱V開拓巷道（軌道大巷和運(yùn)輸大巷）斷面形狀為矩形，尺寸4400mm×3500mm，均沿5＃煤層底板掘進(jìn)。最初開拓巷道設(shè)計(jì)采用錨桿支護(hù)，錨桿規(guī)格?18mm×2200mm，屈服強(qiáng)度8.7t，應(yīng)用后巷道圍巖破壞嚴(yán)重，支護(hù)效果較差。后設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度較大的全錨索支護(hù)，錨索規(guī)格?15.24mm×5000mm和?15.24mm×12000mm，間排距為1000mm×1000mm。然而，現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，由于頂煤較為破碎，開拓巷道沿底板掘進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)頂煤破碎漏頂現(xiàn)象，錨索的錨固力很難達(dá)到最大抗拉噸位，同時(shí)，巷道成形差，掘進(jìn)速度慢，導(dǎo)致支護(hù)成本明顯增大。

因此，根據(jù)5＃煤層底板軟巖開拓巷道的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用了大巷起底留薄層煤作為巷道頂板的掘進(jìn)方式，并針對(duì)開拓巷道圍巖較軟的特點(diǎn)，根據(jù)錨桿錨索耦合支護(hù)機(jī)理，結(jié)合有限元數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)了合理的軟巖開拓巷道支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)，確保了底板軟巖開拓巷道的順利掘進(jìn)。

2 軟巖開拓巷道合理支護(hù)參數(shù)

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 錨桿長(zhǎng)度

錨桿的合理長(zhǎng)度應(yīng)至少保證錨桿錨固到松散破碎范圍外一定深度。采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則作為圍巖破壞的準(zhǔn)則，定義巖石破壞準(zhǔn)則的摩爾—庫(kù)侖安全系數(shù)SF（Safety Factor）為：

式中：σ1——最大主應(yīng)力，Pa；

σ0——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，Pa；

σ3——最小主應(yīng)力，Pa；

φ——內(nèi)摩擦角，（°）。

根據(jù)虎龍溝煤礦5＃煤層的地質(zhì)賦存條件和底板軟巖開拓巷道的圍巖特征，建立有限元數(shù)值計(jì)算模型，求出底板軟巖開拓巷道圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的分布特征，代入式（1）內(nèi)可以計(jì)算出摩爾庫(kù)侖安全系數(shù)，其分布特征如圖1所示。

圖1 摩爾—庫(kù)侖安全系數(shù)分布

從圖1中可知，5＃煤層底板軟巖開拓巷道圍巖松散破碎范圍分為3個(gè)部分。

①破碎區(qū)（SF≤1）：最大深度在1.2m左右。

②穩(wěn)定區(qū)（1＜SF＜1.2）：考慮開拓巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，此區(qū)域仍不屬于安全區(qū)，其最大深度達(dá)到1.6m左右。

③安全穩(wěn)定區(qū)（SF≥1.2）：為了錨固到松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層中，頂板錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)至少為2.0m，巷道兩幫的錨桿長(zhǎng)度至少為1.8m。

因此，根據(jù)圍巖松散破碎圈的分布特征，頂板錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)至少為2.0m，以確保錨桿至少有400mm的長(zhǎng)度能錨固在穩(wěn)定的圍巖中。

2.1.2 錨桿安裝應(yīng)力

錨桿安裝時(shí)施加載荷既可以壓實(shí)浮煤浮矸，保證錨桿系統(tǒng)早期及時(shí)支護(hù)，控制巷道圍巖早期變形，同時(shí)，也可以消除拉應(yīng)力和減少頂板離層，從而保證頂板的穩(wěn)定。建立錨桿安裝載荷有限元模型，設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度2.0m，頂板錨桿每排5根，錨桿排距為1.0m，施加不同安裝載荷時(shí)，底板軟巖開拓巷道圍巖的應(yīng)力分布和變形情況，如圖2所示。

圖2 不同安裝載荷時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布和變形圖

圖2（a）為安裝載荷1.0t時(shí)的應(yīng)力分布和變形圖。從圖中可知，巷道頂板有較大的拉應(yīng)力分布區(qū)，即頂板不穩(wěn)定區(qū)。同時(shí)，通過(guò)放大模型，可以發(fā)現(xiàn)在頂板1.2m的范圍內(nèi)有多處位置發(fā)生離層。

圖2（b）為安裝載荷3.0t時(shí)的應(yīng)力分布和變形圖。從圖中可知，盡管拉應(yīng)力區(qū)有所降低，但巷道頂板仍有較大的拉應(yīng)力分布區(qū)。對(duì)模型放大可知，當(dāng)安裝載荷增大到3.0t時(shí)，在300mm和600mm深處的頂板離層發(fā)生閉合，但900mm、1200mm深處頂板的離層仍然存在。

圖2（c）為安裝載荷6.0t時(shí)的應(yīng)力分布和變形圖。從圖中可知，頂板拉應(yīng)力區(qū)全部消除，對(duì)模型放大可知，當(dāng)安裝載荷增加到6t時(shí)，所有頂板離層都發(fā)生閉合。

因此，根據(jù)有限元數(shù)值模型分析，提高安裝載荷可以減小或消除軟巖開拓巷道頂板中的拉應(yīng)力區(qū)，控制頂板巖層中的離層，從而取得最佳的支護(hù)效果。同時(shí)，確定挖金灣煤業(yè)公司虎龍溝煤礦5＃煤層底板軟巖開拓巷道最小錨桿安裝載荷為6t。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了解決軟巖條件下錨索錨固力較小的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)確定選用快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索

快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索主要在錨索桿體中設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)“鳥窩”，其大小一般比鉆孔直徑小2 mm，不僅可以保證錨索在孔內(nèi)對(duì)中，使樹脂在錨索周圍均勻分布，同時(shí)，“鳥窩”可以均勻攪拌樹脂，使樹脂充滿中空的“鳥窩”，并和錨索成為一整體，從而增加錨索的拉拔強(qiáng)度。

為了保證錨索能錨固到頂板穩(wěn)定的圍巖中，確定快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索長(zhǎng)度為8m，直徑為15.24mm，屈服強(qiáng)度大于1860MPa，安裝載荷不低于8t，抗拉載荷大于36t，采用“五花”布置，錨索排距為1m，每套錨索采用3支K2350的快速樹脂藥卷。

2.3 表面支護(hù)設(shè)計(jì)

由于開拓巷道沿5＃煤層底板掘進(jìn)，頂煤較為破碎，因此軟巖巷道表面控制對(duì)于充分發(fā)揮錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)的作用非常重要。表面控制主要包括鋼帶、金屬網(wǎng)和托盤等。

鋼帶將錨桿聯(lián)結(jié)成一整體，并具有較好的表面控制效果?，F(xiàn)場(chǎng)采用W型高強(qiáng)材料鋼帶，寬度為270mm，厚度為2.5mm。對(duì)于高強(qiáng)?22mm的錨桿桿體，托盤規(guī)格尺寸不小于150mm×150mm×8mm，托盤承載強(qiáng)度不小于15t，錨索托盤尺寸不小于300mm×300mm×10mm，承載強(qiáng)度不小于32t。

此外，為提高巷道幫部的支護(hù)效果，同時(shí)考慮巷道支護(hù)成本，5＃煤層?xùn)|軌道大巷兩幫采用普強(qiáng)型號(hào)為?16mm×1800mm的扭矩應(yīng)力錨桿，錨桿的屈服強(qiáng)度大于8t，抗拉強(qiáng)度大于11t，幫錨桿的安裝載荷大于2t，安裝扭矩大于100N·m。錨桿托盤采用規(guī)格尺寸為100mm×100mm×5.5 mm與270mm×300mm×2.5mm的鋼帶托盤配合使用，既可以適應(yīng)錨桿的強(qiáng)度要求，又增加了錨桿的護(hù)幫效果。軌道大巷支護(hù)系統(tǒng)平面圖和剖面圖見圖4。

圖4 5＃煤層軌道巷道支護(hù)系統(tǒng)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果

與原錨桿、全錨索支護(hù)設(shè)計(jì)相比，錨桿配合高預(yù)應(yīng)力錨索使用，支護(hù)效果有了明顯改進(jìn)。

（1）提高了巷道掘進(jìn)速度，單進(jìn)由原來(lái)的每天3m提高到每天7m。

（2）降低了巷道綜合支護(hù)成本，綜合成本由原來(lái)的每米5000元降低到每米3000元。

（3）縮短了臨時(shí)支護(hù)時(shí)間，提高了臨時(shí)支護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)了錨桿主動(dòng)支護(hù)、及時(shí)支護(hù)的核心理念，為實(shí)現(xiàn)巷道沿底板安全掘進(jìn)提供了保障。

（4）通過(guò)對(duì)錨桿的安裝載荷、扭矩應(yīng)力、錨桿錨固力、錨固劑性能、錨索安裝性能等實(shí)際技術(shù)參數(shù)進(jìn)行井下工業(yè)測(cè)試，取得了較好的效果，不僅提高了支護(hù)質(zhì)量，也改善了工人作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)特厚軟煤層沿底掘進(jìn)開拓巷道難于支護(hù)的特點(diǎn)，采用錨桿主動(dòng)支護(hù)，設(shè)計(jì)了合理的錨桿支護(hù)長(zhǎng)度和錨桿安裝載荷，配合預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索，同時(shí)，選擇了合理的巷道表面支護(hù)方式，不僅保證了開拓巷道的順利掘進(jìn)，同時(shí)，加快了開拓大巷的掘進(jìn)速度，降低了軟巖巷道的支護(hù)成本，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的效果。

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Research on reasonable support parameters for softrock drift in ultra－thick soft seam floor

Kang Fujun，Sun Zhancheng
（Wajinwan Coal Mining Company Ltd.，Datong Coal Mine Group，Datong，Shanxi 037042，China）

Aimed at the characteristics of surrounding rock of soft rock drift in No.5ultra thick soft seam floor in Hulonggou coal mine，the finite element analysis model was established on the basis of anchor bolt and cable coupling support mechanism to determine the reasonable support parameters for soft rock drift.The results showed that the roof surrounding rock was in the safe zone when the safety coefficient SF was greater than 1.2.The length of roof bolt should be greater than 2min order to ensure the anchor bolt fixed in the stable layer outside the loose broken zone.When the installation stress reached 6t for the anchor bolt，the roof abscission layer would be closed completely.The cable like bird nest quickly installed with high pre－stress could increase the tensile strength and receive a better supporting effect.Therefore，the reasonable surface control measures could play an important role in the enhancement of supporting effect.

soft stratum，development roadway，anchor cable support，pre－stressed anchor cable，coupling support

TD322

B

康福鈞（1965－），男，山西省陽(yáng)高縣人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司黨委書記、副董事長(zhǎng)，從事生產(chǎn)管理工作20多年。

（責(zé)任編輯 張毅玲）