，

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

基于掘錨一體機(jī)的煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)及施工工藝優(yōu)化研究

吳建星1,2，吳擁政1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013)

在充分調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)資料基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬、理論分析等手段，并結(jié)合MB670 型掘錨一體化工作特點(diǎn)，對(duì)S6-8工作面軌道巷進(jìn)行支護(hù)參數(shù)及施工優(yōu)化，優(yōu)化后頂?shù)装逡平孔畲?7mm，兩幫移近量最大59mm，巷道變形較小、錨桿受力穩(wěn)定，支護(hù)效果良好，掘進(jìn)速度提高28%，每天循環(huán)進(jìn)尺達(dá)18m以上，最高達(dá)22m，支護(hù)成本降低35%，有效緩解了礦井生產(chǎn)銜接緊張問題。

煤巷；掘錨一體機(jī)；錨桿支護(hù)；參數(shù)優(yōu)化；工藝優(yōu)化

隨著礦井開采強(qiáng)度及產(chǎn)量的加大，巷道掘進(jìn)已經(jīng)成為影響礦井生產(chǎn)銜接的重要因素，提高掘進(jìn)效率至關(guān)重要[1-2]。MB670 型掘錨一體機(jī)具有掘進(jìn)速度快、機(jī)械化自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，此外還具有以下特點(diǎn)：采用遙控器遙控掘進(jìn)機(jī)組割煤及前進(jìn)，與梭車配合的機(jī)組只能夠前進(jìn)，不能后退；機(jī)組上留設(shè)有液壓鉆機(jī)連接口，可根據(jù)實(shí)際需求增加液壓鉆機(jī)；帶有4組頂板及2組幫錨桿液壓鉆機(jī)，頂鉆移鉆迅速且鉆機(jī)效率高，打設(shè)1根錨桿時(shí)間約為1～2min；鉆機(jī)可左右移動(dòng)，但不能前后移動(dòng)，幫鉆由于空間限制，操作不便[5-9]。為了提高掘進(jìn)效率，緩解采掘銜接緊張局面，山西潞安常村煤礦引進(jìn)了山特維克礦山機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MB670 型掘錨一體機(jī)并在S6-8工作面軌道巷進(jìn)行試驗(yàn)，但是在使用初期，由于支護(hù)參數(shù)、施工工藝等方面存在問題，造成掘進(jìn)效率低下，因此亟需基于MB670 型掘錨一體機(jī)特點(diǎn)，并結(jié)合強(qiáng)力一次支護(hù)理論，對(duì)支護(hù)參數(shù)及施工工藝等進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程地質(zhì)狀況

常村煤礦S6-8工作面軌道巷東北接S6軌道上山、南接S6采區(qū)放4水巷、西鄰S6-8膠帶巷、東鄰S6-8工作面2號(hào)回風(fēng)巷，二者之間凈煤柱為20m。S6-8軌道巷沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬5.2m，高3.5m，掘進(jìn)斷面積為18.2m2。巷道長度為1588m，埋深約為420m。

S6-8工作面3號(hào)煤層厚5.78～5.85m，平均厚度5.81m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，半堅(jiān)硬。基本頂為粉砂巖，含云母碎片及植物化石，質(zhì)較硬，厚1.6～6.87m，平均厚為3.41m；直接頂為泥巖，含云母碎片及植物化石，斷口較平坦，厚1～3.65m，平均厚2.33m；直接底為泥巖，含植物化石，斷口不平，厚0.95～1.35m，平均厚1.15m；老底為細(xì)砂巖，以石英為主，度石次之，暗色礦物較多，垂直裂隙發(fā)育，厚1.45～2.22m，平均厚1.79m。

2 原支護(hù)方案

原支護(hù)采用高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+帶鋼性金屬經(jīng)緯網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)。錨桿長度為2000mm，直徑為22mm的高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿。頂板錨桿間距為900mm和1200mm(正中2根間距)，每排打設(shè)6根錨桿，排距1000mm，預(yù)緊力矩為300N·m。頂板錨索采用小三花布置(工作面以2-0-2跟進(jìn)，滯后錨索距工作面距離不大于100m，采用單體錨桿鉆機(jī)補(bǔ)齊)，2根間距2200mm，1根居中打設(shè)，排距1000mm。錨桿配合鋼筋托梁使用，規(guī)格型號(hào)為φ18mm×5000mm×140mm。巷幫每幫每排打設(shè)4根錨桿，間距為900mm，排距1000mm。預(yù)緊扭矩為300N·m。幫鋼筋托梁規(guī)格為φ16mm×2000mm×120mm和φ16mm×3200mm×120mm。S6-8工作面軌道巷原支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 S6-8工作面軌道巷原支護(hù)

3 原支護(hù)參數(shù)存在問題

(1)錨桿與錨索打設(shè)在同一排，延伸率及強(qiáng)度不相匹配；鋼筋托梁與錨索剛度也不匹配，變形不協(xié)調(diào)，容易出現(xiàn)各個(gè)擊破的情況。

(2)根據(jù)地質(zhì)與生產(chǎn)條件等得出，錨桿支護(hù)密度過大，間排距可進(jìn)行調(diào)整，降低支護(hù)密度。預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，單根錨桿壓應(yīng)力區(qū)一定，隨著支護(hù)密度加大，壓縮區(qū)域疊加，聯(lián)接成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)；但是，到達(dá)一定程度后，增加錨桿支護(hù)密度對(duì)有效壓應(yīng)力區(qū)及預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散作用不明顯。同時(shí)，提高錨桿的預(yù)應(yīng)力，可適當(dāng)擴(kuò)大錨桿預(yù)應(yīng)力范圍，降低支護(hù)密度。不同預(yù)緊力的對(duì)比圖如圖3。故可以通過將錨桿預(yù)緊扭矩提高至400N·m來增大錨桿間排距，將錨桿間距調(diào)整為1400mm，排距1200mm。

圖3 不同預(yù)緊扭矩的對(duì)比

(3)錨桿打設(shè)角度過大，造成錨桿有效長度降低，且壓應(yīng)力區(qū)不能聯(lián)接成一整體。頂板錨桿的角度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布有顯著影響，隨著角錨桿角度增加，錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)分離，疊加區(qū)域越來越小。當(dāng)頂板角錨桿角度達(dá)到15°，頂角錨桿與相鄰錨桿壓應(yīng)力區(qū)明顯分離。繼續(xù)加大角錨桿角度，角錨桿與中部錨桿的壓應(yīng)力區(qū)分開的更遠(yuǎn)，成為彼此獨(dú)立的支護(hù)單元。故對(duì)于近水平煤層錨桿角度應(yīng)垂直打設(shè)，最大不超過10°。原支護(hù)錨桿角度過大，造成部分錨桿有效壓應(yīng)力區(qū)分離。不同錨桿角度的附加應(yīng)力場(chǎng)分布見圖4。

(4)由于錨索長度過長，打設(shè)時(shí)間過長，錨索施工對(duì)掘進(jìn)效率提升影響較大，因此需對(duì)現(xiàn)有錨索參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括位置、長度、預(yù)應(yīng)力等。

圖5是預(yù)應(yīng)力分別為100kN，200kN，250kN，300kN時(shí)錨索支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)比圖。隨著預(yù)應(yīng)力增加，錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值與有效壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷增加。在高預(yù)應(yīng)力下，錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值大，壓應(yīng)力區(qū)范圍廣，幾乎覆蓋了巷道頂板的大部分區(qū)域，錨索的主動(dòng)支護(hù)作用強(qiáng)。為了充分發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工器具，確定S6-8軌道巷錨索預(yù)應(yīng)力為250kN。

圖4 不同錨桿角度的附加應(yīng)力場(chǎng)分布

圖5 錨索不同預(yù)應(yīng)力形成的應(yīng)力場(chǎng)分布

圖6為不同長度錨索應(yīng)力分布，從圖中可獲知：當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，短錨索的主動(dòng)支護(hù)作用優(yōu)于長錨索；錨索越長，施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大，才能充分發(fā)揮錨索的支護(hù)作用；通過提高錨索的預(yù)應(yīng)力，可適當(dāng)減少錨索長度；根據(jù)目前常村煤礦錨索預(yù)應(yīng)力水平，錨索不宜過長，選擇4～6m比較合理。

圖6 不同長度錨索的應(yīng)力分布

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步分析、數(shù)值計(jì)算研究、工程實(shí)踐結(jié)合MB670 型掘錨一體機(jī)工作特點(diǎn)，確定S6-8軌道巷采用樹脂加長錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。具體支護(hù)參數(shù)如下：

錨桿為22號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼材CRM500號(hào)鋼，長度2.0m，桿尾螺紋M24，采用2支樹脂錨固劑，規(guī)格為MSCK2335，錨桿組合構(gòu)件為W鋼護(hù)板，厚度不小于4mm，寬度280mm，長度450mm，能夠有效擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力作用范圍。頂板錨桿W鋼護(hù)板配合鋼筋托梁使用，鋼筋托梁采用φ16mm的Q235圓鋼焊接而成，寬220mm，長度4900mm。頂錨桿間距1400mm，排距1200mm，每排4根錨桿，預(yù)緊扭矩為400N·m，且不超過550N·m，錨桿垂直頂板打設(shè)。每排錨桿打設(shè)2根頂錨索，錨索距巷幫1600mm，間距2000mm，排距1200mm，垂直頂板巖層。錨索初始張拉至300kN，損失后不低于250kN。錨索直徑22mm，材質(zhì)為1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4300mm，采用2支MSCK2335和1支MSZ2360樹脂錨固劑錨固。頂板支護(hù)配金屬網(wǎng)，規(guī)格為5600mm×1300mm和30mm×30mm。

幫錨桿排距1200mm，每排3根錨桿，間距1200mm。同樣，預(yù)緊扭矩要達(dá)到400N·m，且不能超過550N·m。錨桿全部垂直巖面打設(shè)，巷幫支護(hù)配金屬網(wǎng)，規(guī)格為3200mm×1300mm，網(wǎng)格為30mm×30mm，巷道斷面布置圖如圖7。

圖7 S6-8軌道巷優(yōu)化后支護(hù)

5 施工工藝優(yōu)化

原施工工藝為：采用MB670掘錨一體機(jī)割煤1.0m后，進(jìn)行頂幫錨桿打設(shè)，采用掘錨一體機(jī)4根鉆臂打設(shè)頂錨桿及2根1排的錨索，單根錨索采用單體風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)在掘錨機(jī)組后方50m打設(shè)；由于幫鉆臂施工不便，采用手持式幫錨桿鉆機(jī)打設(shè)幫錨桿，每排打設(shè)3根，底角錨桿滯后機(jī)組20m打設(shè)。

優(yōu)化后工藝：采用掘錨機(jī)組配套設(shè)備、液壓錨桿鉆機(jī)及風(fēng)動(dòng)幫鉆來完成鋪網(wǎng)、打眼和錨桿安裝工作。每次掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺1.2m，每次循環(huán)打設(shè)4根頂錨桿、4根幫錨桿及2根錨索，先施工頂錨桿后施工錨索，錨桿與錨索之間排距600mm，頂錨桿采用掘錨機(jī)組自帶頂鉆機(jī)同時(shí)施工，錨索采用液壓錨桿鉆機(jī)進(jìn)行打設(shè)(為了節(jié)約時(shí)間將液壓錨桿鉆機(jī)固定安放在掘錨機(jī)組上)；施工錨索的同時(shí)，施工兩幫上部2根錨桿，兩幫底角錨桿滯后補(bǔ)打。

優(yōu)化后工藝充分發(fā)揮了掘錨機(jī)組鉆臂同時(shí)施工特點(diǎn)，節(jié)約了錨桿打設(shè)時(shí)間，提高了支護(hù)效率。

6 效果評(píng)價(jià)

6.1 支護(hù)效果

為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在S6-8軌道巷內(nèi)安裝了綜合測(cè)站，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)。巷道表面位移監(jiān)測(cè)顯示，隨著距離掘進(jìn)頭距離的增加，巷道位移量逐漸增大，距迎頭25m后，巷道變形基本穩(wěn)定，頂?shù)装逡平孔畲鬄?7mm，兩幫移近量最大為59mm，巷道變形很小，支護(hù)效果明顯。錨桿初始預(yù)緊扭矩為400N·m時(shí)，預(yù)緊力為40～60kN之間，巷道掘進(jìn)至15.4m后錨桿受力基本穩(wěn)定，預(yù)緊力施加合理，能夠較好地控制巷道圍巖，防止圍巖離層、破碎擴(kuò)容的發(fā)生，保持其完整性，充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)作用。同時(shí)，錨桿受力最大為168kN，低于桿體破斷載荷。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

S6-8軌道巷支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，經(jīng)濟(jì)效益顯著，主要體現(xiàn)在支護(hù)材料節(jié)約和掘進(jìn)效率提升。

(1)原支護(hù)方式2775.4元/m；新支護(hù)方式直接支護(hù)成本1796.8元/m，每米巷道直接支護(hù)成本節(jié)約978.7元，約35%。

(2)采用原支護(hù)方式時(shí)，由于錨桿錨索支護(hù)密度較大，每天循環(huán)進(jìn)尺約為14m。采用優(yōu)化后新方案，在提高錨桿預(yù)緊力的同時(shí)，大幅度降低支護(hù)密度，提高了掘進(jìn)速度，每天循環(huán)進(jìn)尺達(dá)18m以上，最高達(dá)22m，掘進(jìn)速度提高28%，有效緩解了礦井生產(chǎn)銜接緊張問題。

7 結(jié)論

(1)掘錨機(jī)組具有掘進(jìn)速度快、機(jī)械化自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)掘錨機(jī)組工作特點(diǎn)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)及施工工藝后，在保證支護(hù)安全的同時(shí)可提高掘進(jìn)速度。

(2)在常村煤礦S6-8軌道巷試驗(yàn)得出巷道變形較小、錨桿受力穩(wěn)定，支護(hù)效果良好，掘進(jìn)速度提高28%，每天循環(huán)進(jìn)尺達(dá)18m以上，最高達(dá)22m，支護(hù)成本降低35%。

(3)基于掘錨一體機(jī)的煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)及施工工藝優(yōu)化研究，能夠有效緩解礦井采掘銜接緊張，實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

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[責(zé)任編輯：林健]

Optimization of Supporting Parameters and Construction Technique of Coal RoadwayBased on Driving and Anchor Machine

WU Jian-xing1,2, WU Yong-zheng1,2

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China;2.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Applying numerical simulation and theoretical analysis and considering the characteristic of MB670 driving and anchor machine, supporting parameters of railway roadway of S6-8 mining face were optimized on the basis of on-the-spot investigation.The maximum convergence value of roof and floor was 47mm and that of two sides was 59mm after optimization.Roadway deformation was small and anchored-bolt stress was stable, driving speed was improved 28%, driving distance of everyday reached above 18m, and the maximum was 22m, supporting cost reduced 35%, and problem of tense relationship between mining and driving was effectively remitted.

coal roadway; driving and anchor machine; anchored-bolt supporting; parameter optimization; technique optimization

2014-06-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.017

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51304119)；國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1261211)；天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化基金(KJ-2013-TDKC-07)

吳建星(1984-)，男，山西臨猗人，助理研究員，從事巷道支護(hù)技術(shù)及礦壓的研究和推廣工作。

吳建星，吳擁政.基于掘錨一體機(jī)的煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)及施工工藝優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：64-67.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0064-04