提升礦井巷道掘進(jìn)速度的錨桿支護(hù)技術(shù)研究

黃正坤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037000）

引言

煤礦安全生產(chǎn)已成為一個(gè)社會(huì)問題，巷道支護(hù)的作用對(duì)煤礦安全生產(chǎn)帶來了巨大的影響[1-4]。尤其是在松軟圍巖中開采時(shí)，在開采過程中受到擾動(dòng)后更加容易破碎，發(fā)生巷道變形、片幫、頂板破碎等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象，正對(duì)井下煤礦日常生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[5-6]。為了提高現(xiàn)存支護(hù)方案的效果，以某煤礦為研究對(duì)象，綜合陳述了現(xiàn)存方案所出現(xiàn)的問題與不足，并基于方案的缺點(diǎn)，分別從不同角度出發(fā)，提出了支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方法，基于試驗(yàn)的形式對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，優(yōu)化方案的支護(hù)效果有了較大的改善。

1 地質(zhì)概況

以產(chǎn)量為60 Wt/年某煤礦的4 號(hào)，5 號(hào)煤層為例進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)地檢測發(fā)現(xiàn)，5 號(hào)煤層的厚度在2.8～8.2 m 之間，而4 號(hào)煤層的厚度相對(duì)單薄[7-8]。表1 為該煤礦的運(yùn)輸巷道的工作面頂板與底板的情況，其中，運(yùn)輸巷道的寬度為4 m、總體高度為3.2 m。

表1 頂板與底板情況

2 原支護(hù)方案分析

2.1 支護(hù)設(shè)備參數(shù)

通過對(duì)巷道周圍巖層的實(shí)地勘察，原制定支護(hù)方案如下：

1）針對(duì)對(duì)幫參數(shù)的選擇，相鄰錨桿的距離取為1 m，錨桿支護(hù)的距離為1.5 m，采用Φ18 mm 的左旋螺紋鋼樹脂錨桿，每排3 個(gè)。在實(shí)際的支護(hù)方案中，護(hù)幫寬度可以達(dá)到2 m，相應(yīng)的長度為2.5 m，圖1 為具體的支護(hù)方案。

圖1 工作面支護(hù)方案圖（單位mm）

2）對(duì)于頂板的支護(hù)中，同時(shí)使用錨索與錨桿的方式來實(shí)現(xiàn)。在使用中，通常將錨桿支護(hù)間距設(shè)置為1 m，將相鄰錨桿之間的距離設(shè)置為1.4 m，選用Φ22 mm 的左向螺旋的無縱筋螺旋鋼筋。另外，所采用錨桿長度大約設(shè)置為2.1 m，而且錨桿采用2 只樹脂藥卷固定。對(duì)于錨索的參數(shù)，將其間距設(shè)置為1 m，將相鄰錨桿排的距離設(shè)置為1.6 mm，采用直徑為18.9 mm、長度為7.3 m 的鋼筋[9-10]。

2.2 支護(hù)效果分析

在實(shí)際支護(hù)中，頂板出現(xiàn)了較大裂紋，巷道周圍巖層較為松散，且巷道的兩幫出現(xiàn)了較大的位移變形現(xiàn)象。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道兩幫的變形達(dá)到了450.3 mm，巷道頂板向下沉降量達(dá)到了348.2 mm。因此，原支護(hù)方案在使用中存在一定的缺陷，在巷道頂板與兩幫圍巖的位置出現(xiàn)應(yīng)力問題，為此需要對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[11]。

3 支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)

3.1 支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

3.1.1 對(duì)于錨索的參數(shù)

針對(duì)錨索長度通常采用式（1）進(jìn)行確定：

式中：Ls為錨索的全部長度；La為支護(hù)方案直接頂?shù)暮穸?；Lb為錨索自由段的長度；Lc為錨索外露長度。

將La=4.5 m、Lb=3.3 m、Lc=0.3 m 帶入公式（1）計(jì)算得到：Ls=8.1 m。

3.1.2 對(duì)于錨桿的參數(shù)

通常，頂板錨桿長度可由式（2）確定：

式中：L1為頂錨桿外面露出的距離；L2為頂板內(nèi)部的隱形拱的高度；L3為錨桿超出了隱形拱的長度。

根據(jù)測量L1=0.1 m、L2=1.9 m、L3=0.5 m，將其代入式（2）得：L=2.5 m。

對(duì)于每排錨桿數(shù)量，由式（3）來確定：

式中：n 為每一排錨桿的數(shù)目；G 為頂內(nèi)部錨桿所能夠承擔(dān)的載荷大??；Qb為錨桿的屈服極限。

根據(jù)實(shí)際情況，取Qb=65 kN、G=152 kN，代入式（3）可以計(jì)算得到每一排中個(gè)數(shù)n 為4.68，即取整為5 根，且頂錨桿直接設(shè)置為0.02 m。

另外，根據(jù)巷道寬度為6 200 m，每一排中錨桿與錨桿之間的距離為0.92 m，錨桿之間的距離為1.35 m，根據(jù)數(shù)據(jù)能得出的槽頂板錨桿的支護(hù)參數(shù)為：錨桿長為2.5 m，直徑為0.03 m，且頂板錨桿支護(hù)參數(shù)為0.02 m，每一排間距為0.9 m、1.4 m。

3.2 優(yōu)化方案的試驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，現(xiàn)對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)主要關(guān)注巷道兩幫和頂板的變形量，位置選在實(shí)施20 d 內(nèi)巷道的50 m 段，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2 和圖3 所示。圖2 為巷道兩幫隨時(shí)間的變形情況，從圖2 中可以看出，在前7 d 內(nèi)巷道兩幫的變形量增長較為迅速，累積變形量達(dá)到了8 mm；在7～11 d之內(nèi)的變形量增長速度有所下降，僅增長了2 mm 左右；到達(dá)11 d 之后，累積變形量穩(wěn)定在了10 mm 附近。通過優(yōu)化后的變形量與未優(yōu)化的4503 mm 變形量進(jìn)行對(duì)比可知，優(yōu)化后的巷道兩幫變形量較未優(yōu)化的變形量大大減小，說明優(yōu)化方案提高了巷道兩幫的穩(wěn)定性，增加了巷道兩幫的穩(wěn)定性。

圖2 巷道兩幫隨時(shí)間的變形情況

圖3 頂板隨時(shí)間的變形情況

圖3 則為巷道頂板沉情況，分析圖3 中數(shù)據(jù)可知，與兩幫變形情況類似，在前8 d 內(nèi)頂板的下沉量增長較為迅速，累積下沉量達(dá)到了20 mm；在8～13 d內(nèi)的下沉速度有所降低，累積下沉量為10 mm 左右；到達(dá)13 d 之后，雖然巷道頂板的下沉量雖然略有增高，但是頂板的累積下沉量基本上穩(wěn)定在了32.5 mm附近，該數(shù)值較未優(yōu)化時(shí)的348.2 mm 的變形量有較大的減小。綜合分析巷道兩幫的變形和頂板下沉的數(shù)據(jù)變化情況可知，采用優(yōu)化參數(shù)的支護(hù)方案可以有效提高支護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定性，改善巷道的支護(hù)環(huán)境，抑制巷道的周圍巖石的變形，增加巷道的可靠性，提高支護(hù)設(shè)備的安全性能。

4 結(jié)論

煤礦的巷道支護(hù)技術(shù)對(duì)日常的生產(chǎn)安全有著極大的影響，為有效改善巷道支護(hù)設(shè)備的使用效果，以某煤礦為例進(jìn)行了方案優(yōu)化，并基于試驗(yàn)的形式對(duì)該優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1）經(jīng)過實(shí)地的試驗(yàn)可知，對(duì)該煤礦的支護(hù)方案改善后，巷道的兩幫以及頂板的變形量均有了較大的減小，即優(yōu)化方案能夠有效提高支護(hù)穩(wěn)定性。

2）在對(duì)巷道支護(hù)方案的選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)地的煤層環(huán)境進(jìn)行合理的支護(hù)，且在使用過程中良好的支護(hù)方案能夠極大地控制巷道周圍巖石的變形。