劉秦嶺

(河南能源化工集團義煤公司)

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高應力沖擊地壓礦井煤巷錨網索支護技術

劉秦嶺

(河南能源化工集團義煤公司)

摘要耿村煤礦煤層厚度大、礦井壓力大、沖擊傾向性高，導致裂隙由淺部向深部發(fā)展，破壞了圍巖體的完整性及其承載能力，導致巷道原支護效果較差。為此，采用科學的動態(tài)信息設計法提出了新的設計方案，對間排距、錨桿(索)規(guī)格、錨桿預緊力、錨索張拉力、錨桿(索)錨固力及36U型棚棚距等支護參數進行了優(yōu)化，并進行了現場礦壓監(jiān)測，取得了良好的支護效果，對于特厚煤層高應力巷道圍巖控制有一定的參考價值。

關鍵詞高應力沖擊地壓錨網索支護支護參數

河南能源化工集團義煤公司沖擊地壓礦井一般采用錨網索+36U型棚+單體液壓支柱的復合支護方式掘進煤巷，回采期間增加液壓抬棚或巷道支架，錨桿間排距700 mm×700 mm，36U型棚棚距700 mm。在該復合支護方式下，巷道礦壓顯現明顯，煤巖體變形嚴重，回采工作面下巷比上巷嚴重，部分巷道兩幫最大變形量超過3 m，底鼓超過2 m，多處36U型棚變形破壞，已掘巷道多處、多次擴修，巷道變形嚴重，導致回采巷道掘進斷面非常大。因此，有必要對特厚煤層高應力沖擊礦區(qū)巷道支護技術進行研究。

1礦井概況

耿村煤礦13230工作面位于東三采區(qū)皮帶下山東側，東至耿村煤礦邊界，北側為已回采結束的東區(qū)13210工作面。13210工作面于 2012年6月開始回采，2014年2月回采完畢，南部為未開采的2-3煤實體。13230上巷地面標高+625～+647 m，工作面標高+45～+8 m，最大埋深580 m，13230上巷沿13210采空邊緣掘進，與13210采空區(qū)之間凈保護煤柱寬6～8 m，沿2-3煤底板留底煤厚約2 m掘進，巷道掘進斷面為三心拱形，掘進寬7 500 mm，高4 600 mm，長1 088 m。13230上巷布置如圖1所示。

13230工作面所處煤層為2-3煤，煤層平均厚10.2m，煤層傾角11°～13°，黑色，成分以暗煤為主，瀝青光澤，條帶狀構造，內生裂隙發(fā)育，裂隙被方解石脈充填，上部煤質較好，下部次之，灰分較高，煤層結構復雜，含夾矸3～5 層，巖性為泥巖及粉砂質泥巖，不穩(wěn)定，平均厚 0.8 m。2-3煤無偽頂，直接頂為灰黑色、黑色泥巖，平均厚 31.5 m，具隱蔽水平層理，含少量動植物化石碎片，致密堅硬，含云母碎片及黃鐵礦結核，泥巖之上為粉砂巖、中粒砂巖、泥巖互層；煤層直接底為灰色泥巖，平均厚1.5 m，老底為灰色、黑灰色細砂巖與粉砂巖互層，平均厚12.5 m，主要成分為石英、長石。13230工作面平均采深 622 m，煤層頂部存在巨厚礫巖層，礫巖層厚約380 m，與煤層層間距240 m，處于沖擊地壓危險區(qū)域。13230上巷掘巷過程中進行放炮卸壓、鉆孔卸壓及煤層注水卸壓。2-3煤頂底板圍巖巖性見圖2。

圖1　13230上巷布置

圖2　13230上巷頂底板圍巖狀況

213230上巷支護方案設計

2.113230上巷原支護方案

13230上巷掘進183 m后巷道使用的36U型棚尺寸(凈寬×凈高)由6.6 m×4.65 m變更為6.2 m×4.15 m，原設計13230上巷采用全斷面錨網索+36U棚復合支護方式，兩幫讓壓距500 mm，頂板讓壓距300 mm。錨桿為直徑22 mm、長2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×700 mm，每排19根錨桿，錨桿托板為拱形托板，配合球墊使用，錨索為直徑17.8 mm、長8 000 mm 錨索，錨索采用“4-5-4”布置形式，布置的5根錨索間距1 200 mm，布置的4根錨索間距1 500 mm，排距1 800 mm，錨索托板采用廢36U型棚壓平加工而成，規(guī)格450 mm×312 mm×16 mm，設計錨索承載力為200 kN，設計初始張拉值為承載力的50%～60%，最小值不得小于設計張拉值的90%。錨桿錨固力不小于100 kN，錨桿扭矩不小于150 N·m，在錨網索支護的基礎增加了36U型棚，36U型棚間距700 mm。13230上巷原支護方案如圖3所示。

圖3　13230上巷原支護設計(單位：mm)

2.213230上巷支護參數模擬分析

針對13230上巷的生產地質條件，采用大型數值計算軟件FLAC3D[1-2]分析13230上巷掘進和工作面回采過程中煤巖體的應力、位移和塑性破壞區(qū)的變化規(guī)律，研究不同支護方案下巷道的變形特征，確定13230上巷主要支護參數。為掌握13210工作面回采后煤巖體應力的分布情況及不同支護方案下13230上巷圍巖的變形狀況，設計了2種模擬方案：①原支護方案下掘進與回采期間巷道圍巖受力、變形及破壞情況。②新支護方案下排距分別為700，900，1 100 mm時，掘進及回采期間圍巖應力、位移、塑性區(qū)、錨桿錨索受力情況。新支護方案中錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距 950 mm，每排14根錨桿，錨索材料為φ18.9 mm、1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，拱頂錨索長6 300 mm，兩幫錨索長4 300 mm，拱頂錨索間距均為1 900 mm，幫錨索與底板垂直距離為500 mm。

建模過程中針對耿村煤礦現場實際工程地質狀況，坐標系采用直角坐標系(XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，向上為正)。取13230上巷斷面左下腳點為坐標原點，水平向右為X軸正方向，沿巷道方向垂直向內為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，重力方向沿Z軸負方向。三維模型的邊界條件：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。初始應力按地質力學實測數據進行施加：最大水平主應力14.84 MPa，最大垂直應力15.55 MPa。巷道斷面及位置分布數值模型見圖4，新支護方案下錨桿與U型鋼架棚支護結構沿巷道斷面分布見圖5。

圖4　巷道斷面積位置分布數值模型

圖5　錨桿與U型鋼架棚支護結構沿巷道斷面分布

13230巷道掘進后巷道圍巖垂直應力集中區(qū)域分布于巷道兩幫，尤其是靠近采空區(qū)一側的中下部位置；水平應力集中區(qū)域主要分布于巷道拱頂位置，尤其是靠近13230工作面一側的拱頂處水平應力集中程度較高。采用原支護方案時，巷道圍巖最大垂直應力158.13 MPa，最大水平應力74.98 MPa。采用新支護方案后，錨桿排距70 mm時，巷道圍巖最大垂直應力131.3 MPa，最大水平應力62.1 MPa；錨桿排距900 mm時，巷道圍巖最大垂直應力135.96 MPa，最大水平應力64.44 MPa；錨桿排距1 100 mm 時，巷道圍巖最大垂直應力148.92 MPa，最大水平應力69.17 MPa。

對于原支護方案，由于錨桿與錨索預緊力較低，錨桿與錨索受力較小，最大受力67.72 kN；新支護方案(排距900 mm)由于預緊力的大幅提高，錨桿與錨索受力較大，最大受力達226.9 kN。可見，原方案下靠近兩側錨桿受力大于拱頂錨桿受力，靠近采空區(qū)一側錨桿與錨索受力大于靠近實體煤一側；新支護方案(排距900 mm)下錨桿與錨索受力較均勻，錨桿與錨索受力均較大，對巷道圍巖的加固作用較明顯。

2.313230上巷支護方案

結合數值模擬分析結果，顧及到巷道的生產要求和巷道圍巖變形的預留量，設計13230上巷斷面為三心拱形，掘進寬度7.5 m，掘進高度4.6 m。經數值模擬分析并結合工程實踐經驗，確定13230上巷采用高預應力錨桿錨索組合支護方案[3-4]。

(1)頂板支護。桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號BHRB335號，長2.4 m，桿尾螺紋為M24。W鋼護板厚5 mm，寬280 mm，長450 mm，高度不低于25 mm。采用雙層經緯網護頂，經緯網材料為10#鐵絲，網孔規(guī)格40 mm×40 mm，網片規(guī)格4 000 mm×1 000 mm，采用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣梳辮法孔孔相連。錨桿排距900 mm，間距950 mm，拱頂每排布置10根錨桿，錨桿預緊扭矩300～500 N·m。錨索材料為φ18.9 mm、1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長6 300，4 300 mm。每2排錨桿打設5根錨索，錨索間距2 850，1 900 mm，排距1 800 mm，要求錨索初始張拉力不小于260 kN，預緊力損失后不小于200 kN。

(2)巷幫支護。桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號BHRB335號，長2.4 m，桿尾螺紋為M24。W鋼護板厚5 mm，寬280 mm，長450 mm，高度不低于25 mm。采用雙層經緯網護頂，經緯網材料為10#鐵絲，網孔規(guī)格40 mm×40 mm，網片規(guī)格4 000 mm×1 000 mm，采用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣梳辮法孔孔相連。錨桿排距900 mm，每排每幫2根錨桿，間距950 mm，錨桿預緊扭矩300～500 N·m。錨索材料為φ18.9 mm、1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長4 300 mm，每幫每2排錨桿打設1根錨索，錨索與底板垂直距離500 mm，排距1 800 mm，錨索初始張拉力不小于260 kN，預緊力損失后不小于200 kN。

3工程應用

13230工作面上巷試驗巷道段自巷道340 m處開始。試驗共設置2個綜合礦壓測站，掘進工作面向前掘進100 m安裝第1個測站，掘進300 m安裝第2個測站。每個測站包括2個巷道表面位移監(jiān)測斷面，1個頂板離層監(jiān)測斷面，1個錨桿受力監(jiān)測斷面，1個錨索受力測站和1個巷道圍巖深部多點位移測站。

3.1頂板離層

由頂板離層儀讀數可知，巷道掘進時當測站與掘進工作面的距離超過約20 m后，頂板下沉量達到穩(wěn)定，其中淺部離層達90～100 mm，深部離層約10～30 mm，可見頂板離層主要集中于淺部圍巖，深部圍巖離層量不大。由表面位移結果可知，頂板移近量最大約50 mm，離層儀讀數過大是由于兩拱角移近造成的淺部巖層錯動所致，頂板總下沉量約50 mm。

3.2錨桿受力

錨桿初期施加預緊力40～60 kN，隨著掘進工作面的不斷推進，錨桿受力呈增加趨勢，當測站與掘進工作面的距離超過30 m后(6～9 d)，錨桿受力整體趨于穩(wěn)定，其中上幫及下幫兩拱角處錨桿均已達到屈服狀態(tài)(BHRB335號錨桿屈服載荷120 kN)，下幫10#錨桿最大受力達180 kN，上幫拱角6#錨桿最大力受力達150 kN，如圖6、圖7所示。錨桿施加預緊力之后，整體受力呈平緩增大趨勢，說明對巷道進行及時、主動的支護有效控制了巷道圍巖變形。

圖6　兩幫錨桿受力曲線

圖7　頂板錨桿受力曲線

由圖6、圖7可知：巷道兩拱角錨桿處受力最大，下幫拱角錨桿受力較上幫錨桿大，頂板錨桿受力比兩幫錨桿大，下幫錨桿受力大于上幫錨桿。掘進期間出現錨桿破斷現象，對此，結合礦壓監(jiān)測結果將錨桿鋼號換為500號，并在2排錨索中間進行補強支護，更換錨桿并進行補強支護后，巷道未出現錨桿破斷現象。

3.3兩幫移近量

目前，巷道兩幫移近量變化較小，基本保持穩(wěn)定，綜合測站兩幫移近量約50 mm，剔除測量誤差，巷道兩幫基本無變形。巷道兩拱角移近量達100 mm，巷道兩拱角移近量明顯大于兩幫，幫部變形主要表現形式為巷道兩拱角的移近。

4結語

基于FLAC3D數值模擬軟件建立了耿村煤礦沖擊地壓礦井煤巷受力模型，對原支護方案下的巷道受力狀態(tài)和變形特征進行了分析，認為原支護方案無法有效控制圍巖變形，巷道變形量大。根據巷道實際地質情況，對13230上巷采用高預應力錨桿錨索組合支護方案。實踐表明，該方案在掘進期間可有效控制巷道圍巖變形，可供類似礦山參考。

參考文獻

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Anchor Net and Anchor Rope Supporting Technology of Coal Roadway of the Mine with High Stress and Rock Burst

Liu Qinling

(Yima Coal Company,Henan Energy and Chemical Industry Group Co.,Ltd.)

AbstractGengcun coal mine with the characteristics of large coal thickness,large mine pressure,high rock burst orientation,which lead to the development of fractures from shallow to the deep,so,the integrity of the surrounding rock and its carrying capacity are destroyed,and the poor effects of the original roadway supporting method is obtained.The new roadway supporting method is designed by adopting the scientific dynamic information design method,the supporting parameters such as row spacing,anchor rod (rope) specifications,anchor rod pre-tightening force,anchor rope tension force,anchor rod (rope) anchoring force,shed spacing of 36U-shaped shed are optimized,besides that,the mine pressure is monitored.The ideal supporting effect is obtained,it has some reference for the surrounding rock controlling of the roadway with high pressure of extra-thick coal seam.

KeywordsHigh pressure, Rock burst, Anchor net and anchor rope supporting, Supporting parameters

(收稿日期2015-12-29)

劉秦嶺(1968—)，男，工程師， 472300 河南省義馬市。