晉華宮礦煤巷錨桿支護(hù)優(yōu)化研究

孔憲法

【摘 要】 晉華宮礦部分巷道中的錨桿支護(hù)強(qiáng)度過大，造成材料浪費(fèi)與成本升高等問題。本文以晉華宮礦307西翼盤區(qū)皮帶巷為對象，通過對其支護(hù)方案前后的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化后的支護(hù)方案時(shí)，巷道圍巖表面移進(jìn)量、頂板離層與錨桿索受力等基本無變化。說明該皮帶巷的頂錨桿排距可由1000mm增至1200mm，幫錨桿排距由1500mm增至2000mm，并且可節(jié)約支護(hù)成本149995元。研究成果可對相似條件下的巷道支護(hù)參數(shù)的選取具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】 晉華宮礦;支護(hù)優(yōu)化;頂板離層;錨桿受力;表面收斂

【中圖分類號】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0023-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

近年來，錨桿支護(hù)技術(shù)在煤礦中應(yīng)用廣泛。但是很多煤礦在支護(hù)參數(shù)的選取上多是照貓畫虎，選取不合理，從而出現(xiàn)兩種情況：一種是支護(hù)參數(shù)提供的強(qiáng)度不夠，造成頂板出現(xiàn)網(wǎng)兜或離層，導(dǎo)致冒頂或片幫等事故;另一種是支護(hù)強(qiáng)度過高而引起的“大牛拉小車”的現(xiàn)象，即不能充分發(fā)揮錨桿作用，造成材料浪費(fèi)和成本升高等問題。國內(nèi)外學(xué)者的研究多集中在前者，而對后者的研究很少。

本文以晉華宮礦為背景，通過對307西翼皮帶巷進(jìn)行礦壓觀測，對比分析了支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的錨桿受力、頂板離層與表面收斂等特征的變化，計(jì)算了經(jīng)濟(jì)效益。研究結(jié)果對相似條件下的巷道支護(hù)參數(shù)的選取具有借鑒意義。

307盤區(qū)西翼皮帶巷寬5m，高3.3m，斷面積16.5m2，巷道位于礦井河北西翼307盤區(qū)內(nèi)，11號煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層南部較薄，北部厚（2.20m～4.55m），平均煤層厚度3.3m，煤層傾角1.5°～4.5°，平均傾角3°，總體為一單斜構(gòu)造，走向北東，傾向南東。直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚3.3m，老頂為粗砂巖和細(xì)砂巖，厚度依次為2.2m和3.3m，直接底為細(xì)砂巖，厚8.2m。

1晉華宮礦307西翼盤區(qū)皮帶巷礦壓顯現(xiàn)特征

1.1礦壓觀測方案

對晉華宮礦307西翼盤區(qū)皮帶巷實(shí)施礦壓觀測，觀測內(nèi)容主要有三個(gè)方面：

表面收斂監(jiān)測：采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測巷道頂?shù)紫鄬ξ灰屏亢蛢蓭拖鄬ξ灰屏?，分別在頂?shù)装搴蛢蓭偷闹行挠媚拘?biāo)記個(gè)基點(diǎn)。沿著巷道軸向布置兩個(gè)測站，間距30m。每天記錄頂?shù)紫鄬ξ灰屏亢蛢蓭拖鄬ξ灰屏俊?/p>

頂板離層監(jiān)測：在巷道中心頂板處安裝離層儀，安裝時(shí)需在鉆孔內(nèi)布置兩個(gè)測點(diǎn)：頂部離層儀深部測點(diǎn)為8m，淺部測點(diǎn)為2.5m，每天記錄巷道頂板離層值和監(jiān)測時(shí)間，頂板離層儀安裝鉆孔要求30mm。

錨桿錨索測力監(jiān)測：在巷道頂板中部安裝一個(gè)測力錨桿，同時(shí)在頂板的錨桿（索）位置、兩幫的錨桿位置分別安裝錨桿（索）測力計(jì)，記錄整個(gè)斷面上的錨桿受力情況。

1.2礦壓顯現(xiàn)特征

從2018年5月9日至2018年5月18日對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行為期10天的礦壓監(jiān)測統(tǒng)計(jì)。圖1標(biāo)示出監(jiān)測的錨桿錨索受力特征、頂板離層情況和表面收斂情況等隨時(shí)間的變化曲線。

由圖1（a）可知，錨桿的受力初始值為1.2t，隨著時(shí)間的延長錨桿受力緩慢增加，到第六、七天時(shí)錨桿受力明顯減小至0.82t，之后又緩慢增加至1.55t，并維持不變。錨索的受力初始值為3.1t，隨著時(shí)間的延長錨索受力緩慢增加至3.4t，然后維持不變。

由圖1（b）可知，頂板離層儀的淺部基點(diǎn)基本無離層，而深部基點(diǎn)在第六天時(shí)發(fā)生離層0.1mm，然后維持不變。

由圖1（c）可知，隨著時(shí)間的延長，皮帶巷的圍巖變形量逐漸增大，頂?shù)装逡七M(jìn)量在第八天時(shí)增至11mm，兩幫移進(jìn)量增至8mm。該數(shù)據(jù)很小，可認(rèn)為皮帶巷的圍巖沒有變形。

由錨桿索的出廠數(shù)據(jù)可知，直徑18mm的錨桿破斷載荷為9.66t，直徑15.24mm的錨索破斷載荷>24t，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，錨桿和錨索的受力值不足其破斷載荷的20%，受力很小，說明此時(shí)的支護(hù)方案的設(shè)計(jì)值過于保守，并且頂板幾乎沒有離層。因此，完全可以減小頂板的支護(hù)強(qiáng)度，這樣也可以減少支護(hù)成本。

2 307西翼盤區(qū)皮帶巷支護(hù)方案優(yōu)化

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

由現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，皮帶巷圍巖的表面變形和深部離層幾乎沒有，錨桿索受力只有破斷載荷的1/5。從井下觀察可知，頂板破碎或裂隙較少，兩幫煤也比較完整，無片幫。這些現(xiàn)象與數(shù)據(jù)為皮帶巷的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，可適當(dāng)降低頂板錨桿和兩幫的支護(hù)強(qiáng)度。

2.2巷道優(yōu)化支護(hù)方案設(shè)計(jì)

對皮帶巷的支護(hù)方案作如下調(diào)整：頂錨桿的排距由之前的1000mm增至1200mm，間距不變，仍為1000mm;幫錨桿排距由之前的1500mm增至2000mm，間距不變，仍為1300mm。

3優(yōu)化支護(hù)區(qū)域礦壓顯現(xiàn)特征

優(yōu)化支護(hù)段的礦壓觀測站布置見圖2，具體為第一個(gè)測站布置在改進(jìn)支護(hù)方案后50m處，第二個(gè)測站之間距離為50m。

改進(jìn)支護(hù)段的礦壓監(jiān)測內(nèi)容仍然是圍巖變形量、頂板離層量與錨桿索受力情況。監(jiān)測日期為2018年6月15日至2018年6月24日，為期10天，每天監(jiān)測一次。圖3示出錨桿索受力、頂板離層與圍巖變形等特征隨時(shí)間變化的曲線。

由圖3（a）可知，皮帶巷支護(hù)優(yōu)化后頂板的錨桿受力初始值為1.73t，隨著時(shí)間的延長錨桿受力緩慢增至1.89t，然后保持不變。而優(yōu)化后的頂板錨索受力初始值為1.98t，隨著時(shí)間的延長錨索受力緩慢增至2.31t，然后保持不變。皮帶巷支護(hù)優(yōu)化后兩幫的錨桿受力初始值為0.67t，隨著時(shí)間的延長逐步增加，至第六、七天時(shí)錨桿受力增至1.12t，然后保持不變。

由圖3（b）可知，皮帶巷淺部和深部的測點(diǎn)離層基本相同，均是安裝后的第兩天離層值增為2mm，然后保持不變，待第六、七天離層值又增值5mm，然后維持不變。

由圖3（c）可知，皮帶巷的頂?shù)装逡平孔兓^大，在2～3天時(shí)增至10mm，待6～7天時(shí)又增加至30mm，而兩幫移進(jìn)量基本不變。

對比支護(hù)方案優(yōu)化前后皮帶巷的礦壓顯現(xiàn)特征，可知，優(yōu)化后的錨桿和錨索受力較原支護(hù)變化不大，頂板離層值和表面收斂值較原來支護(hù)略有增加，但仍屬于合理范圍，巷道穩(wěn)定較好。通過反復(fù)的礦壓觀測，最終確定進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)錨桿間排距。

4經(jīng)濟(jì)效益及推廣應(yīng)用前景

選取晉華宮礦11#煤層307盤區(qū)皮帶巷6m范圍內(nèi)的巷道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別對比原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案下巷道支護(hù)材料的消耗情況。原支護(hù)方式為：頂錨桿間排距為1000mm×1000mm;錨索排距為3m，幫錨桿間排距為1300mm×1500mm;優(yōu)化支護(hù)方式為：頂錨桿間排距為1000mm×1200mm;錨索排距為3m，幫錨桿間排距為1300mm×2000mm。

通過統(tǒng)計(jì)可知，6m巷道共節(jié)省支護(hù)材料費(fèi)用為372元，即每米可節(jié)省支護(hù)材料費(fèi)用62元，通過統(tǒng)計(jì)7月份機(jī)掘一區(qū)在11#煤層的支護(hù)費(fèi)用總額是88727元，月進(jìn)尺為280m，每米支護(hù)費(fèi)用為316.7元。采用優(yōu)化支護(hù)方案后，支護(hù)費(fèi)用可節(jié)省19.5%。另外，按煤礦井下打一個(gè)錨桿眼人工費(fèi)包括打鉆眼費(fèi)用和安裝錨桿費(fèi)用，按200元計(jì)算，其6米內(nèi)共省下6個(gè)錨桿鉆眼，共節(jié)省成本1200元。

綜上所述，6m巷道共節(jié)省綜合成本372+1200=1572元，即節(jié)省綜合支護(hù)成本為262元/m。計(jì)算得7月份機(jī)掘一區(qū)在11#煤層的支護(hù)費(fèi)用共計(jì)節(jié)約成本149995元。

5結(jié)論

晉華宮礦部分巷道中的錨桿支護(hù)強(qiáng)度過大，造成材料浪費(fèi)與成本升高等問題。本文以晉華宮礦307西翼盤區(qū)皮帶巷為對象，通過對其支護(hù)方案前后的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化后的支護(hù)方案時(shí)，巷道圍巖表面移進(jìn)量、頂板離層與錨桿索受力等基本無變化。說明該皮帶巷的頂錨桿排距可由1000mm增至1200mm，幫錨桿排距由1500mm增至2000mm，并且可節(jié)約支護(hù)成本149995元。研究成果可對相似條件下的巷道支護(hù)參數(shù)的選取具有借鑒意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]戴俊，郭相參.煤礦巷道錨桿支護(hù)的參數(shù)優(yōu)化[J].巖土力學(xué)，2009（S1）：140-143.

[2]李大偉，侯朝炯.巷道錨桿支護(hù)特性分析與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008（6）：613-618.

[3]康紅普.我國煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展60年及展望[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（6）：1071-1081.

[4]牛偉峰.預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)分析及參數(shù)設(shè)計(jì)[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（4）：22-23.

[5]康紅普，吳擁政，何杰，付玉凱，等.深部沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)作用研究與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015（10）：2225-2233.

[6]牛海萍.超聲波檢測錨桿錨固質(zhì)量研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（4）：24-25.

[7]吳學(xué)震，蔣宇靜，王剛，等.大變形錨桿支護(hù)效應(yīng)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2016（2）：245-252.