巷道支護技術在王坪煤礦的應用

劉超元

(大同煤礦集團朔州朔煤王坪煤電有限責任公司，山西 朔州 038300)

0 引言

目前被認可的巷道支護理論主要包括：懸吊理論、組合拱理論、組合梁理論、松動圈支護理論等。通過前期多學科交叉綜合的研究手段，采用現(xiàn)場調(diào)查及物探、力學試驗和理論歸納分析相結(jié)合的方法，針對王坪煤礦現(xiàn)場情況和已測得的基本數(shù)據(jù)進行合理利用。以巷道圍巖控制效果好、工人工作環(huán)境可靠和經(jīng)濟低能耗為出發(fā)點選用組合拱理論和巷道圍巖松動圈理論聯(lián)合分析王坪煤礦巷道支護情況并進行合理設計[1-3]。最終確定支護方案為頂板采用螺紋鋼等強樹脂錨桿、錨索、金屬網(wǎng)進行支護，兩幫采用螺紋鋼、金屬網(wǎng)進行支護。王坪煤礦某煤層平均煤厚為7.5 m。煤質(zhì)疏松，煤層上下覆巖多為泥巖，煤層適合開采。該礦煤層覆巖情況見表1。該礦某巷道斷面形狀及尺寸設計見表2。

表1 煤層覆巖情況

表2 巷道斷面形狀及尺寸設計

1 錨桿錨索參數(shù)的確定

1.1 錨桿參數(shù)確定

頂錨桿長度：錨桿長度按公式(1)

L≥L1+L2+L3

(1)

式中：L1—錨桿的有效長度，m；L2—錨固外露長度，取0.08 m；L3—錨桿端部錨固長度，取0.87 m。

(2)

式中：B—巷道凈寬度，3.7 m；K—安全系數(shù)，取4；γ—圍巖容重，為24.5 kN/m3；h—直接頂厚度，取1.0 m；σt—巖層抗拉強度，取1.8 MPa；σx—巖層原始水平應力，取4.5 MPa；ζ—與巖層層數(shù)有關系數(shù)，取0.7。經(jīng)計算得：L1=1.06 m；則L≥2.01 m。

幫錨桿參數(shù)計算：幫部煤體非有效承載區(qū)寬度參照式(3)、(4)

(3)

式中：f—煤體普氏系數(shù)，取2；B—巷道寬度，取3.7 m。故有式(4)

l=l1+l2+l3

(4)

式中：l1—幫部煤體非有效承載區(qū)寬度，m；l2—幫錨桿錨穩(wěn)定煤體中長度，取0.45 m；l3—幫錨桿外露部分長度，取0.08 m。經(jīng)計算得：l1≥1.17；則l≥1.70 m。

錨桿間距：按組合梁理論計算錨桿間距，參照式(5)

(5)

錨桿直徑：錨桿直徑按公式(6)

(6)

式中：Q—錨桿錨固力，取85 kN；σt—桿體抗拉強度，設計為4×105Pa。經(jīng)計算得，d≥16.47 mm。

理論計算的支護參數(shù)：錨桿長度≥2.01 m；錨桿直徑≥16.47 mm；錨桿間距≤1.31 m。煤幫錨桿的支護參數(shù)：幫錨桿長度≥1.70 m；錨桿直徑≥16.47 mm；錨桿間距≤1.31 m。

1.2 錨索參數(shù)計算

為了加強錨固體的強度，采用預應力錨索做加強支護，選用φ=17.8 mm且最低破斷載荷為345 kN的低松弛、高強度鋼絞線，并對錨索參數(shù)進行如下計算[4]。

錨索錨固長度：錨索錨固長度La應符合式(7)

(7)

式中：K—安全系數(shù)，取K=4；d1—錨索鋼絞線直徑，取17.8 mm；fs—鋼絞線抗拉強度，取1 850 MPa；fc—錨索與錨固劑的粘合強度，取10 MPa。則La≥3.29 m。

錨索長度：錨索長度按公式(8)

L≥La+Lb+Lc+Ld

(8)

式中：L—錨索總長度，m；La—錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；Lb—需要懸吊的不穩(wěn)定的巖層厚度，取≥0.5 m；Lc—安裝、金屬網(wǎng)、托盤及錨具的厚度，取0.06 m；Ld—需要外露的漲拉長度，取0.15 m。經(jīng)計算得，L≥4.0 m。故錨索長度≥4.0 m，且錨索按垂直巷道頂板布置。

2 支護形式的實際應用

經(jīng)過系統(tǒng)的理論計算，結(jié)合王坪煤礦的自身情況與多年支護經(jīng)驗確定錨桿支護間排距為1 000 mm×1 000 mm；外帶鐵托板規(guī)格為250 mm×250 mm×10 mm；金屬網(wǎng)規(guī)格為5 400 mm×1 200 mm。故確定的最終巷道支護平斷面如圖1所示。

圖1 巷道支護平斷面圖

盤區(qū)探巷運料聯(lián)絡巷掘進、盤區(qū)探巷回風聯(lián)絡巷掘進、盤區(qū)探巷沿煤層頂板掘進時，則采用長度為2 500 mm的錨桿(外帶鐵托板)和長度為4 200 mm的錨索(外帶鐵托板)結(jié)合金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，錨索支護呈三花布置。巷道兩幫在距頂板高度為500 mm處各打3排長度為2 000 mm的螺紋鋼錨桿(外帶鐵托板)并于長度為4 200 mm的錨索(外帶鐵托板)及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，此時，金屬網(wǎng)應壓在鐵托板下面，錨索支護呈三花布置。

盤區(qū)探巷沿煤層底板掘進時，頂板支護需長度2 500 mm的錨桿(外帶鐵托板)及規(guī)格3 500 mm×220 mm×3 mm的鋼帶；當頂板煤層較破碎時應適當增加錨索長度，錨索支護呈五花布置。巷道兩幫在距頂板高度為500 mm處各打3排長度為2 000 mm的螺紋鋼錨桿(外帶鐵托板)并于適當長度的錨索(外帶鐵托板)及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，此時，金屬網(wǎng)應壓在鐵托板下面。

同時，礦壓觀測采用KGE30B型頂板離層儀、LSZ-200型錨桿拉力儀與MQ18-300/63型錨索拉力儀分別對頂板離層量、錨桿、錨索進行檢測，且可對支護質(zhì)量進行動態(tài)監(jiān)測[5-8]。其一，頂板離層量觀測時要求巷道中KGE30B型頂板離層儀每間隔100 m安置1個，且距工作面迎頭不得超過20 m。深部基點深度應位于錨索錨固末端處，淺部基點深度應位于錨桿錨固末端處，離層儀的初始讀數(shù)值應為0 mm。其二，錨桿、錨索、錨固力檢測時要求巷道中每300根均分為100組進行檢測，選用儀器為LSZ-200型錨桿拉力儀、MQ18-300/63型錨索拉力儀。檢測過程中要注意觀測記錄數(shù)據(jù)并歸納存檔。

3 支護要求

根據(jù)相關質(zhì)量標準，針對王坪煤礦盤區(qū)探巷運料聯(lián)絡巷、盤區(qū)探巷回風聯(lián)絡巷、盤區(qū)探巷的巷道中線到任一幫距離的最大允許誤差范圍為0～+100 mm；腰線至頂?shù)装寰嚯x的最大允許誤差范圍為0～+100 mm；無腰線測全高度最大允許誤差范圍為-50～+200 mm。

3.1 錨桿要求

該礦盤區(qū)采用長2 500 mm的φ18 mm錨桿對其頂?shù)装暹M行支護。錨桿支護間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿間、排距最大允許誤差為±100 mm。桿體為左旋無縱筋螺紋鋼加工而成，為了保證桿體尾部螺紋部分的破斷力不低于桿體破斷力的90%，故尾部螺紋采用滾絲工藝加工。錨桿外露螺母外允許范圍為10～30 mm。同時，鉆孔打設時要注意中間的錨桿鉆孔垂直頂板打設，即中間錨桿布置方向應盡量與巷道輪廓線或巖層主要層理面垂直，兩邊的錨桿與頂板夾角不小于75°，與頂板法線夾角不小于15°。托板安裝應緊貼壁面，避免出現(xiàn)滑動、松動的情況發(fā)生，其與頂板接觸面積不小于60%。同時，螺母必須擰緊。如若出現(xiàn)不合格的錨桿必須及時對其進行重支。錨桿的抗拔力設計值為85 kN，錨桿的預緊扭矩不得小于200 N·m。

3.2 錨索要求

該礦盤區(qū)采用長度為4 200 mm，φ=17.8 mm的錨索進行配套使用。錨索間排距為2 000 mm×1 300 mm。中間錨索要垂直巷道圍巖打設，兩側(cè)錨索與圍巖夾角不小于75°。錨索安裝鐵托板后，其外露長度應在托板外150～250 mm范圍內(nèi)，錨索預緊力范圍在80～96 kN間(即20.2～24 MPa間)，錨固力不低于200 kN，錨索漲緊器型號為MQ-250/63。同時，保證幫錨桿距頂板高度為500 mm。

3.3 鋪掛金屬網(wǎng)

在鋪掛金屬網(wǎng)前，一定要認真仔細的確定好巷道頂板穩(wěn)定情況，嚴格執(zhí)行敲幫問頂制度，在保證不會出現(xiàn)問題的情況下進行施工。要求金屬網(wǎng)鋪平、鋪展，緊貼頂幫。一般巷道的頂角幫網(wǎng)與頂網(wǎng)不得搭接，必須鋪設整體金屬網(wǎng)。根據(jù)實際情況如在施工過程中需要金屬網(wǎng)合理搭接時，應特別注意網(wǎng)與網(wǎng)搭接是否牢固，兩者應該孔孔相連，壓茬連接，綁扎牢固，壓茬長度為200 mm。同時，使用扭結(jié)2股的14#鐵絲交錯布置于間隔為200 mm的固定點上。為了保證金屬網(wǎng)綁扎牢固。扭結(jié)接頭采用雙絲雙扣雙排加固。綁死扭結(jié)不少于3圈。鋪設過程中為了避免錨網(wǎng)與巖面脫離，出現(xiàn)網(wǎng)兜的現(xiàn)象。故使用錨桿托板時必須將網(wǎng)壓緊、壓平，螺帽擰緊，嚴禁松動，錨網(wǎng)支護必須緊跟迎頭。支護時必須有專人在現(xiàn)場監(jiān)護，嚴格按規(guī)定要求操作。

3.4 錨桿錨索安裝

打鉆孔：打鉆孔時使用MQT-130/3.2型手持氣動式風鉆配備麻花鉆桿和雙翼煤鉆頭，錨桿機嚴禁干打眼，必須帶水作業(yè)。錨桿眼深度須與錨桿長度相匹配，眼深誤差控制在0～20 mm。且錨桿眼打設深度必須比使用的錨桿長度多出80 mm以上。打眼時須有專人監(jiān)護，并保證臨時支護的穩(wěn)定和安全。

裝藥卷：安裝藥卷前要對已鉆好的所有錨桿眼通過壓風的方法進行掃孔，保證清除孔內(nèi)的巖渣和積水。同時，裝藥前還需再次檢查錨桿孔的深度和角度是否符合要求、錨桿構(gòu)件是否齊全以及待裝藥卷是否硬化、過期或損壞等，并按設計要求將藥卷裝入孔內(nèi)。錨固劑的環(huán)形壁厚應控制在4～10 mm。

插入錨桿桿體：將錨桿桿體套上托板并帶上螺母后，通過連接套把桿尾與錨桿機頭進行連接，而后將桿端插入已裝好藥卷的巖孔內(nèi)，利用錨桿桿體推送孔口處的藥卷直至藥卷接觸到孔底為止，然后啟動錨桿機攪拌藥卷。

安裝托盤及螺母：安裝托盤及螺母時嚴禁用錘擊或風錘攪拌的方法安裝錨桿。過程中必須使用專用錨桿安裝機具，充分攪拌混合錨固劑。同時采用快速安裝工藝，使攪拌固劑、上托盤、擰緊螺母一次性完成。

4 結(jié)論

(1)巷道斷面變形量較小且兩幫無明顯偏移，頂板位移量與兩幫位移量均在200 mm以內(nèi)。

(2)總體支護效果較好，并未出現(xiàn)漏頂竄矸現(xiàn)象，大大減小了安全隱患。

(3)采用上述支護技術不僅減少了工人的勞動強度和工程量，更加快了巷道的掘進速度，具有良好的經(jīng)濟效益。