老礦井煤柱巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：文章以紅會(huì)一礦1703工作面回風(fēng)巷為例，通過對(duì)煤柱巷道原有支護(hù)形式和受力狀況的分析，針對(duì)原支護(hù)不足，提出新支護(hù)理念——整體耦合讓均壓支護(hù)，付諸實(shí)施后，取得明顯支護(hù)效果，為類似地質(zhì)條件煤柱巷道支護(hù)形式的選擇提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦；老礦井；煤柱巷道支護(hù)方案；整體耦合讓均壓支護(hù)；回風(fēng)巷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD353 文章編號(hào)：1009-2374（2015）18-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.078

1 概述

紅會(huì)一礦開采靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司紅會(huì)煤田，屬低瓦斯礦井。礦井始建于20世紀(jì)70年代初期，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力105萬t/a，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力220萬t/a，礦井的采煤方法為長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法。分區(qū)式多水平斜井開拓方式。錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)推廣以來，紅會(huì)一礦不斷研究和總結(jié)，形成了適合本礦地質(zhì)條件的錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)體系。但近年來，由于受小煤窯采動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造的影響，巷道變形嚴(yán)重，回采期間需進(jìn)行二次擴(kuò)修，安全生產(chǎn)受到了嚴(yán)重威脅。為了解決邊角煤柱工作面巷道支護(hù)難題，我礦技術(shù)研究人員與科研單位通過研究決定進(jìn)行整體耦合讓均壓支護(hù)新技術(shù)、新工藝試驗(yàn)，取得理想效果。

2 試驗(yàn)巷道概況及支護(hù)現(xiàn)狀

試驗(yàn)巷道選在1703煤柱工作面回風(fēng)巷。1703工作面煤層平均厚度9.5m，煤層傾角4°～12°，煤層普氏硬度系數(shù)f為2.5～3.8，煤層含有一層夾矸，夾矸厚度0～0.5m，巖性為粉砂質(zhì)泥巖，遇水易變軟、膨脹，工作面東北部是大面積小煤窯破壞區(qū)，工作面埋深326～428m。工作面回風(fēng)巷與1701工作面采空區(qū)呈窄小煤柱接觸，煤柱凈尺寸5m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)730m，沿煤層底板布置，斷面形狀為半圓拱形。巷道高3.0m，寬4.0m，掘進(jìn)斷面10.28m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，施工230m后，針對(duì)變形情況，對(duì)剩余500m巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

3 原支護(hù)形式及存在的問題

3.1 原支護(hù)形式

錨網(wǎng)索支護(hù)方式是1703回風(fēng)巷之前采用的主要支護(hù)方式。頂部、幫部分別使用Φ20×2100mm和Φ20×1800mm等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800×800mm，配200×200×80mm木托板及120×120×10mm金屬托板；錨索采用Φ15.24×7000mm鋼絞線，頂部單排布置，間距2.4m，配400mm長(zhǎng)工字鋼托梁。每根錨桿裝2節(jié)K2360樹脂藥卷，錨索裝1節(jié)K2360、2節(jié)Z2360樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固。全斷面鋪設(shè)12#鉛絲編織的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔30×30mm。

3.2 原支護(hù)存在的問題

（1）由于受地質(zhì)構(gòu)造及小窯破壞區(qū)影響，巷道頂板下沉、幫凸、底鼓，局部巷道頂板墜包網(wǎng)破，錨桿托板破裂。巷道收斂變形嚴(yán)重，局部寬度不足3.0m，高度不足2.5m；（2）很多錨桿隨圍巖的變形一起變形，大部分錨桿受力不均勻，木托板被壓碎，個(gè)別錨桿、錨索被拉斷，導(dǎo)致失效。

3.3 巷道破壞原因分析

（1）初期支護(hù)：由于錨桿的托盤與巖面沒有緊貼，這樣在安裝的時(shí)候安裝應(yīng)力達(dá)不到要求，所以錨桿起不到有效的支護(hù)作用；（2）后期受力：雖然錨桿的桿體直徑和強(qiáng)度相對(duì)較大，但錨桿在受力不夠強(qiáng)的情況下對(duì)圍巖的支護(hù)力卻很小，使得錨桿與圍巖的變形及受力不耦合易隨著圍巖發(fā)生形變，造成圍巖表面出現(xiàn)不同程度的破碎現(xiàn)象，起不到理想的支護(hù)作用；（3）錨桿產(chǎn)品質(zhì)量：假若錨桿使用與桿體強(qiáng)度不匹配的木托盤、鐵托盤、螺母時(shí)，這樣錨桿在受力時(shí)桿體也發(fā)揮不了最佳作用；（4）錨桿安裝未做到及時(shí)支護(hù)及時(shí)預(yù)緊，同時(shí)沒有對(duì)錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

4 整體耦合讓均壓支護(hù)理念

4.1 耦合讓均壓的概念

在巷道穩(wěn)定控制中，我們主要通過錨桿支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖施加主動(dòng)力。利用早期的主動(dòng)力支護(hù)使得圍巖的強(qiáng)度和承載能力得以提升，進(jìn)而在錨桿支護(hù)系統(tǒng)與圍巖共同作用下保持圍巖的穩(wěn)定性。

4.2 整體耦合讓均壓設(shè)計(jì)理念

整體耦合：個(gè)體支護(hù)體和圍巖間的耦合（讓壓）和支護(hù)體和支護(hù)體之間的耦合（均壓），所以整體耦合包括：（1）錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合；（2）錨索系統(tǒng)和圍巖耦合；（3）錨桿間的耦合；（4）錨桿和錨索的耦合；（5）表面支護(hù)對(duì)耦合的影響。

5 整體耦合讓均壓支護(hù)方案

5.1 基本支護(hù)

錨桿類型：采用整體耦合讓均壓應(yīng)力顯示錨桿，以便于錨桿安裝載荷的控制和檢測(cè)，同時(shí)保證錨桿系統(tǒng)與錨索系統(tǒng)達(dá)到耦合支護(hù)狀態(tài)。

錨桿參數(shù)：Φ20×2200mm：Q500礦用螺紋鋼，屈服噸位為16.018t，抗拉噸位為21.143t。

安裝應(yīng)力：4t以上。

讓壓裝置：最大讓壓距離30mm，讓壓點(diǎn)：12～15t。

樹脂錨固劑：Ck2335×2。

護(hù)表措施：金屬網(wǎng)+W分段鋼帶+高強(qiáng)托盤（150×150×8mm）。

頂板及兩幫鋼帶分別為：3660×275×2.5mm；2820×275×2.5mm。

間排距：840×900mm。布置如圖1、圖2所示。

5.2 加強(qiáng)支護(hù)

錨索類型：整體耦合讓均壓鳥窩錨索。

錨索規(guī)格：Φ17.8×6300mm。

讓均壓裝置：?jiǎn)闻葑寜汗埽畲笞寜壕嚯x30mm，讓壓點(diǎn)：17～20t。

樹脂錨固劑：Z2350×3。

錨索托盤：300×300×12mm的高強(qiáng)鐵托盤。

間排距：頂部三根，間距1260mm，排距2700mm，錨索布置如圖1、圖2所示。

5.3 施工工藝

5.3.1 錨桿安裝步驟：（1）利用錨桿機(jī)打鉆比錨桿托盤到末端要長(zhǎng)20mm的深孔；（2）在規(guī)定的孔位放入樹脂藥卷和錨桿；（3）完成第2步后，迅速旋轉(zhuǎn)錨桿攪拌0～15秒，然后順勢(shì)上推錨桿使托盤貼近頂板；（4）停：為了使樹脂藥卷能夠充分凝固，我們要在攪拌后停止一分鐘左右；（5）上緊螺母：旋轉(zhuǎn)攪拌器上緊螺母；（6）為達(dá)到規(guī)定安裝應(yīng)力我們需要進(jìn)一步對(duì)螺母進(jìn)行緊固，一般我們通過扭矩放大器或風(fēng)動(dòng)扳來作用。

5.3.2 錨桿安裝質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)：（1）為了使錨桿達(dá)到相應(yīng)的安裝載荷，我們通常利用全部脫落的樹脂阻尼來填充螺母；（2）應(yīng)力顯示環(huán)完全壓扁；（3）錨桿外露長(zhǎng)度為30～80mm；（4）用扭矩扳手檢驗(yàn)，錨桿安裝扭矩不低于350Nm。

5.3.3 錨索安裝與檢測(cè)：

第一，錨索安裝步驟：（1）打鉆大于錨索有效長(zhǎng)度30～50mm范圍內(nèi)的深孔；（2）在確保不使錨固劑外殼破裂的情況下，將選定好的錨固劑慢慢地推進(jìn)打好的鉆孔中；（3）將安裝好索具、耦合讓均壓裝置、球墊和高強(qiáng)托盤的錨索緩緩?fù)迫脬@孔，直至推不動(dòng)為止；（4）將預(yù)先安裝在鉆機(jī)上的錨索攪拌器跟錨索的尾部連接，并快速攪拌錨固劑，攪拌錨固劑的同時(shí)鉆機(jī)推力要最大。再將錨固劑攪拌半分鐘左右，一定要在確保錨索托盤靠近巖面的情況下再停止攪拌錨固劑；（5）當(dāng)錨固劑攪拌完畢，再等待15～20分鐘后我們通常用錨索漲拉器拉緊錨索，其中錨索預(yù)應(yīng)力要達(dá)到10～12噸。

第二，錨索張緊檢測(cè)：Φ17.8mm的整體耦合讓均壓鳥窩錨索的拉拔力要求大于36噸，設(shè)計(jì)選用3支Z2350樹脂藥卷錨固，利用風(fēng)動(dòng)泵進(jìn)行張緊并檢測(cè)。

6 試驗(yàn)效果

對(duì)試驗(yàn)巷道進(jìn)行頂板下沉量觀測(cè)，我們一般利用量程為300mm頂板離層位移計(jì)，每隔50m在Φ32mm孔內(nèi)安裝1臺(tái)。每天觀測(cè)記錄一次。結(jié)果顯示，采用該技術(shù)后，頂板絕對(duì)下沉量為20～50mm，兩幫移近量為15～80mm，比原支護(hù)巷道變形量大幅度減少。工作面回采期間，該巷道斷面成形較好，直觀上無明顯變形，確保了安全回采。

7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

第一，避免了巷道二次擴(kuò)修，節(jié)約了費(fèi)用。原支護(hù)巷道在掘后不到兩個(gè)月時(shí)間，頂板下沉量最大500mm，兩幫移近量最大1000mm，巷道底鼓量最大達(dá)到1000mm，巷道的通風(fēng)狀況及井下職工通行受到極大影響。在這種情況下回采前必須進(jìn)行二次擴(kuò)修使得頂板下沉量控制在50mm以內(nèi)，兩幫移近量在100mm以內(nèi)，不需二次擴(kuò)修，確保了安全回采，同時(shí)，每米節(jié)省材料費(fèi)1600元，既省錢又省力。

第二，圍巖的變形得到了很好的控制，大大提高了工作面的安全性能，對(duì)同類條件下的礦井支護(hù)技術(shù)提供了有效的技術(shù)方案，具有重要推廣意義。

8 結(jié)語

整體耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)在我礦大力實(shí)施后，有效解決了巷道變形問題，避免了因巷道二次擴(kuò)修而造成的資金損失，同時(shí)支護(hù)質(zhì)量的有效提高保證了工人的施工安全；提高了巷道掘進(jìn)的施工速度，提升了煤礦企業(yè)的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡(jiǎn)介：黃文憑（1968-），男，甘肅白銀人，甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部工程師，研究方向：煤礦采掘技術(shù)管理。

（責(zé)任編輯：陳 倩）