王國明

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪煤礦)

杜兒坪煤礦現(xiàn)開采1 010 m水平，礦井以北大巷為中軸，分別以南大巷、北一大巷、北二大巷3條大巷分割井田布置盤區(qū)，布置有南九3#煤層、南十2#煤層、北三8#煤層等7個(gè)生產(chǎn)盤區(qū)[1-3]。3#煤層盤區(qū)由于受到上層煤柱及巷道側(cè)壓的影響，巷道整體變形、斷面縮小、頂板破碎、底鼓、錨桿失效等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，形成回采系統(tǒng)前，需要再次對綜采工作面兩順槽進(jìn)行擴(kuò)幫等工作。不足在于：①大幅增加了支護(hù)材料、人工成本的重復(fù)投入和浪費(fèi)；②機(jī)電設(shè)備循環(huán)利用率降低，增加了機(jī)電設(shè)備租用費(fèi)，提高了噸煤成本；③再次擴(kuò)幫整巷時(shí)，巷道受二次、三次采動(dòng)影響，增加了人員作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，給安全生產(chǎn)帶來了直接影響；④礦井整體的采、掘、抽等生產(chǎn)環(huán)節(jié)銜接受到了影響，后續(xù)抽采打鉆、綜采設(shè)備安裝、初采調(diào)試等工作受到拖延，影響了整個(gè)礦井生產(chǎn)的正常銜接，降低了礦井的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。本研究針對該礦3#煤層盤區(qū)地應(yīng)力分布特征以及錨桿支護(hù)存在的問題，對該礦73903軌道巷的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1　錨桿支護(hù)失效原因

本研究以杜兒坪煤礦73903軌道巷為例分析錨桿支護(hù)失效的原因。該巷道蓋山厚度為349～534 m；2#煤層厚度為3.6 m(已采空)，3#煤層厚度為3.2 m。該巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，直接頂為細(xì)粒砂巖(厚度為3.7 m)。該巷道的支護(hù)方案為φ22 mm 螺紋鋼錨桿(長度2 000 mm；排距0.8 m)+W型鋼帶墊片(230 mm×230 mm×4 mm)(長×寬×高)+方鐵片(110 mm×110 mm×14 mm)(長×寬×高)+加厚型螺帽；1×7結(jié)構(gòu)φ21.6 mm、長5 000 mm錨索，排距0.8 m，一排2根；錨桿的錨固力為50 kN，扭矩為180 N·m，錨索預(yù)應(yīng)力為100 kN。由于該巷道受上層煤柱及巷道側(cè)壓的影響，兩幫變形嚴(yán)重，斷面縮小，局部地段發(fā)生了漏頂事故。通過對73903軌道巷錨桿支護(hù)現(xiàn)場情況的分析，認(rèn)為該巷道錨桿支護(hù)失效的原因?yàn)椋?/p>

(1)原支護(hù)方案中錨桿預(yù)緊力較小，在低預(yù)緊力支護(hù)狀態(tài)下，原支護(hù)方案無法及時(shí)有效地控制圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開等非連續(xù)變形，導(dǎo)致圍巖的整體性以及承載能力大幅下降[4]。

(2)錨桿的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)與其附屬件不匹配，錨桿墊片與錨桿螺帽之間形成了“點(diǎn)”接觸，錨桿受到了一定的剪切力影響，在高地壓或強(qiáng)烈動(dòng)壓影響的巷道地段，會(huì)出現(xiàn)錨桿破斷現(xiàn)象。

(3)現(xiàn)有托板無減摩墊片和調(diào)心球墊。托板存在的不足為：①托盤拱高小、強(qiáng)度低、易壓翻；②托板結(jié)構(gòu)不合理，孔口直徑小，錨桿托板易“蹩勁”；③錨桿托板厚度大，經(jīng)濟(jì)不合理；④無調(diào)心球墊和減摩墊片；⑤托板底部加工不整齊，易剪切鋼帶。

2　圍巖體強(qiáng)度特征及支護(hù)材料力學(xué)性能

2.1　圍巖體強(qiáng)度特征

2#煤層直接巖層為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度為20～40 MPa，屬于Ⅲ類中等穩(wěn)定性巖層頂板；2#煤厚度為2.4 m，2#煤層抗壓強(qiáng)度為15.44 MPa，屬中等強(qiáng)度；2#煤層與3#煤層間距為7.4 m；3#煤層直接頂由泥巖(厚0.5 m)和細(xì)砂巖(厚3.7 m)組成，抗壓強(qiáng)度為30～70 MPa；3#煤層老頂為粗粒砂巖(厚3 m)，直接底為砂質(zhì)泥巖(厚5.6 m)，老底為K5含礫粗粒砂巖(厚8.5 m)，3#煤層抗壓強(qiáng)度為13.65 MPa，屬中等強(qiáng)度。

2.2　支護(hù)材料力學(xué)性能

錨桿型號為φ20 mm錨桿，牌號335#，桿體屈服強(qiáng)度375 MPa，抗拉強(qiáng)度566 MPa，延伸率34.7%；φ22 mm錨桿，牌號400#，桿體屈服強(qiáng)度464 MPa，抗拉強(qiáng)度644 MPa，延伸率31.5%；螺紋段長度為100 mm，螺母厚約4 mm，桿體外露長度控制在50 mm 以內(nèi)，經(jīng)材料力學(xué)性能檢測，滿足要求。錨桿螺母可以與現(xiàn)加工的錨桿配套使用，其承載力滿足要求。MSCK2360錨固劑的最大抗拔力為157 kN；MSK2380錨固劑的最大抗拔為167 kN，均大于所用錨桿桿體屈服載荷的1.2倍(150 kN)，滿足要求?？梢姡壳霸摰V使用的錨桿桿體、錨桿螺母、錨固劑的力學(xué)性能較好，滿足支護(hù)要求，但錨桿托板未采用可調(diào)心拱形托板、調(diào)心球閥、減摩墊片，故而需要改進(jìn)。

3　高預(yù)緊力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案

73903軌道巷工作面內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，為3.2～3.4 m，平均3.3 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂部往下約0.3 m 含一層均厚0.05 m、巖性為砂質(zhì)泥巖的夾矸，局部頂板往下含一層厚0.5 m的泥巖偽頂，設(shè)計(jì)巷道內(nèi)沿掘進(jìn)方向煤層傾角為2°～6°，平均4°。

3.1　支護(hù)方案

錨桿高預(yù)緊力設(shè)計(jì)時(shí)，既要避免預(yù)緊力較小而影響圍巖穩(wěn)定性，又要避免預(yù)緊力過大而影響巷道掘進(jìn)施工進(jìn)度[5-9]。但是僅提高單根錨桿的預(yù)緊力難以有效控制巷道圍巖變形。巷道穩(wěn)定性的影響因素為：①巷道圍巖穩(wěn)定性；②巷道支護(hù)材料與圍巖相互作用，共同形成一個(gè)具有較強(qiáng)承載能力的錨固層，即承載圈，承載圈厚度越大，圈內(nèi)應(yīng)力分布越均勻，承載能力則越大[10-13]。為此，本研究針對73903軌道巷提出了高預(yù)緊力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案。方案中錨桿采用拱形高強(qiáng)度托板、調(diào)心球墊、減摩墊片，改善錨桿的受力狀態(tài)，提高錨桿預(yù)緊力，為實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力，可使用專用工具，如風(fēng)動(dòng)扳手或液壓扳手進(jìn)行螺母安裝預(yù)緊。新支護(hù)方案為φ20 mm螺紋鋼錨桿(長度2 000 mm；排距1 m)+W型鋼帶墊片(280 mm×300 mm×4 mm)(長×寬×高)+方鐵片(150 mm×150 mm×10 mm)(長×寬×高)+調(diào)心球墊和尼龍墊圈+加厚型螺帽，1×7結(jié)構(gòu)φ21.6 mm，長5 000 mm錨索；排距1.0 m，錨桿的錨固力為90 kN，錨桿扭矩為300 N·m，錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN。

3.2　支護(hù)效果

高預(yù)緊力錨桿錨索巷道支護(hù)方案以錨桿、錨索共同支護(hù)為主，錨索的深層錨固，增加了錨固區(qū)范圍，并對圍巖施加了較強(qiáng)的預(yù)緊力，進(jìn)一步增加了圍巖的穩(wěn)定性，提高了巷道頂板的承載能力。錨桿直徑由22 mm調(diào)整為20 mm，錨桿排距由0.9 m調(diào)整為1 m，預(yù)緊力為300 N·m；采用減磨措施，改變了錨桿墊片與錨桿螺帽之間的“點(diǎn)”接觸，使得“點(diǎn)”接觸變?yōu)椤懊妗苯佑|，巷道掘進(jìn)初期施加了較高的錨桿預(yù)緊力，提高了錨桿支護(hù)的主動(dòng)性。采用本研究高預(yù)緊力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案后，巷道兩幫變形量較小，巷道頂板位移控制在100 mm以內(nèi)，兩幫變形控制在60 mm以內(nèi)，支護(hù)效果顯著(圖1)。新方案增大了錨桿排距、減少了掘進(jìn)循環(huán)個(gè)數(shù)，使得巷道掘進(jìn)效率得以大幅提升(表1)。此外，新方案的巷道支護(hù)材料成本較原方案減少了242.64元/m；調(diào)心球墊成本與原方案相比，降低了3元/m。

圖1　73903軌道巷表面位移觀測曲線

方案巷道平均月進(jìn)尺/m原方案73902皮帶巷221新方案73903軌道巷300

4　結(jié)　語

分析了杜兒坪煤礦錨桿支護(hù)失效的原因，通過對支護(hù)材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，以該礦73903軌道巷為例，提出了高預(yù)緊力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案。該方案實(shí)施后，巷道頂板及兩幫的圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，巷道掘進(jìn)效率得以大幅提升，巷道支護(hù)成本也得到了一定程度降低。

[1]王祥春.杜兒坪煤礦主采煤層采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2009.

[2]姬俊燕.近距離煤層群采動(dòng)裂隙發(fā)育演化規(guī)律及其瓦斯抽采技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2014.

[3]范建民.杜兒坪煤礦綜采工作面托夾石開采技術(shù)的應(yīng)用[J].山西煤炭，2010(10)：54-55.

[4]李偉，程久龍.深井煤巷高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭工程，2010(1)：30-32.

[5]侯朝祥.采煤掘進(jìn)中高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2015(5)：135-136.

[6]張永鈞.高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)在采煤掘進(jìn)中的運(yùn)用研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2015(6)：43-44.

[7]劉宗國.淺析高強(qiáng)支護(hù)在采煤掘進(jìn)過程中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2015(20)：103-104.

[8]彭永良.極近距離煤層巷道布置及支護(hù)技術(shù)研究[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，28(4)：19-21.

[9]林健，任碩，楊景賀.樹脂全長錨固錨桿外形尺寸優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(6)：1009-1015.

[10]何長海，姜耀東，曾憲濤，等.深井巖巷高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)優(yōu)化數(shù)值模擬[J].煤礦開采，2010，15(3)：50-52.

[11]肖同強(qiáng)，柏建彪，楊峰.高預(yù)緊力錨桿支護(hù)理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].煤炭技術(shù)，2011，30(2)：79-81.

[12]蔡光順，左建平，李毅，等.中興礦近距離煤層上覆巖層移動(dòng)規(guī)律研究[J].礦業(yè)工程研究，2010，25(2)：1-5.

[13]張凱江.錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011，30(2)：77-79.