煤炭巷道錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)用

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摘要：針對(duì)某煤炭巷道錨桿錨索支護(hù)存在的諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)了“高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索”的支護(hù)形式，提出了具體的實(shí)施方案。借助FLAC5.0數(shù)值模擬軟件，分析了改進(jìn)支護(hù)形式下巷道圍巖的應(yīng)力位移分布狀態(tài)，結(jié)果表明，改進(jìn)支護(hù)形式減小了巷道最大應(yīng)力分布范圍，降低巷道側(cè)壁最大位移量。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)支護(hù)形式提高了頂板和兩幫錨桿的拉拔力，降低了頂板和兩幫的最大移進(jìn)量，改進(jìn)效果顯著。

關(guān)鍵詞：煤炭巷道；錨桿支護(hù)；問(wèn)題；方案設(shè)計(jì)；效果分析；應(yīng)用

引言

錨桿支護(hù)作為煤炭巷道掘進(jìn)作業(yè)的一種主動(dòng)支護(hù)形式，因其具有支護(hù)強(qiáng)度高、工作穩(wěn)定可靠、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。巷道掘進(jìn)過(guò)程中取出煤炭的同時(shí)會(huì)破壞周圍巖層，若不及時(shí)支護(hù)處理，將會(huì)自行脫落，導(dǎo)致巷道阻塞甚至出現(xiàn)安全事故，必須采用可靠的支護(hù)方式才能保證巷道掘進(jìn)工作的有序進(jìn)行[3]。厚煤層巷道掘進(jìn)時(shí)巷道周圍多為煤炭，支護(hù)技術(shù)要求較高，傳統(tǒng)的錨桿錨索支護(hù)難以滿足支護(hù)要求，極易出現(xiàn)較大的巷道側(cè)壁變形、錨桿支護(hù)失效或破壞等問(wèn)題。因此，針對(duì)某煤炭巷道錨桿錨索支護(hù)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)新的巷道錨桿支護(hù)方案，對(duì)于提升巷道工作的穩(wěn)定性及安全性具有重要意義。

1工作面概況及問(wèn)題

某工作面現(xiàn)處于煤炭掘進(jìn)中，其布置結(jié)構(gòu)為一進(jìn)二回三巷。三條巷道平行分布，主采煤層的最大煤層厚度約為11.8m，最小煤層厚度約為6.4m，平均煤層厚度約為8.5m，煤層中的夾石層的厚度最大約為1m，最小厚度約為0.1m，平均厚度約為0.3m。煤層地質(zhì)多為半亮型煤，存在少些的半暗型煤，采掘得到的煤炭呈現(xiàn)塊狀，斷口為參差狀或者階梯狀，內(nèi)生裂紋，夾有鏡煤條和薄層暗煤。整個(gè)工作面內(nèi)部不存在斷裂構(gòu)造，僅存在巖床侵入，主要發(fā)生在切眼的上半部分，最大厚度約為1.4m，入侵層數(shù)在2層左右，無(wú)規(guī)律可循，對(duì)煤層厚度和煤的質(zhì)量影響較大。煤層頂板之上是砂巖含水層，厚度不小于10m，工作面涌水量為0.05~0.2m3/min。當(dāng)前工作面巷道支護(hù)方式為錨桿錨索支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果表現(xiàn)出了若干問(wèn)題：第一是錨桿強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨桿托盤的強(qiáng)度，限制了錨桿優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。第二是兩幫掛網(wǎng)的防護(hù)效果不佳，塑料掛網(wǎng)方式與幫壁之間不可避免的存在間隙，幫壁發(fā)生位移時(shí)不能及時(shí)起到護(hù)幫效果。第三是護(hù)幫附件防護(hù)能力不足，主要是材料強(qiáng)度較小，使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)變形或者破壞。第四是錨索托板的強(qiáng)度不足，單薄的托板不能抵抗較大的變形應(yīng)力，限制錨索力的傳遞。第五是錨桿錨索預(yù)緊力不足，實(shí)際支護(hù)結(jié)構(gòu)中的預(yù)緊力僅有幾噸，無(wú)法形成頂板主動(dòng)支護(hù)。由此可見，現(xiàn)有巷道錨桿支護(hù)不能滿足安全支護(hù)要求，有必要進(jìn)行錨桿支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2方案設(shè)計(jì)

基于工作面基本情況及當(dāng)前存在的問(wèn)題，查閱文獻(xiàn)資料確定了“高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索”支護(hù)形式，具體的巷道錨桿支護(hù)方案如下。

2.1頂板錨桿

將原有頂板錨桿更換為Φ20mm×3100mm規(guī)格的高強(qiáng)度錨桿，表面無(wú)縱筋，制備材料為MG500螺紋錨桿鋼，延伸率高達(dá)17%。錨桿布置垂直于頂板，每排設(shè)置8根錨桿，排間距為800mm，錨桿間距為800mm。錨桿尾部采用滾壓加工成型的M22螺母緊固，以保證螺母的連接強(qiáng)度。頂板加強(qiáng)錨固時(shí)采用K2360和M2370樹脂藥卷，鉆孔直徑尺寸設(shè)計(jì)為Φ25mm，采用W鋼帶進(jìn)行護(hù)頂，鋼帶規(guī)格為5000mm×280mm×4mm（長(zhǎng)×寬×厚）。更換錨桿托盤，選擇規(guī)格為150mm×150mm×16mm（長(zhǎng)×寬×厚）的高強(qiáng)度托盤進(jìn)行頂板支護(hù)。為了增加錨桿支護(hù)的效果，提高錨桿初始預(yù)緊力，要求其不小于450N•m。工作面巷道頂板布置Φ6金屬網(wǎng)作為護(hù)頂，網(wǎng)孔的規(guī)格為100mm×100mm。

2.2頂板錨索

頂板錨索作為錨桿支護(hù)技術(shù)的重要組件，進(jìn)行了如下改進(jìn)，錨索的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為8400mm，排間距為1600mm，錨索間距為1600mm，為了提高支護(hù)效果，錨索設(shè)計(jì)為每排3根，布置時(shí)盡量使其垂直于頂板。錨索托盤采用承載能力較大的規(guī)格，具體尺寸為300mm×3000mm×16mm（長(zhǎng)×寬×厚）。錨索組合構(gòu)件選擇W帶鋼，其規(guī)格為4500mm×250mm×4mm（長(zhǎng)×寬×厚），配合使用時(shí)要求其初始預(yù)緊力不能小于200kN。

2.3兩幫錨桿

將巷道兩幫原有錨桿更換為Φ18mm×2500mm規(guī)格的高強(qiáng)度錨桿，表面無(wú)縱筋，螺紋左旋，制備材料為MG500，延伸率高達(dá)17%。錨桿布置垂直于兩幫，每邊布置4根錨桿，安裝之后的預(yù)緊力要求不小于400N•m。巷道兩旁加長(zhǎng)錨固選擇K2335和Z2360樹脂藥卷，鉆孔孔徑為Φ25mm，不同樹脂藥卷的間排距分別為900mm和800mm。護(hù)幫選擇W鋼板，規(guī)格為450mm×280mm×5mm（長(zhǎng)×寬×厚），拖盤的規(guī)格為120mm×120mm×10mm（長(zhǎng)×寬×厚），保證具有足夠的承載能力。巷道煤柱一側(cè)布置Φ6金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm，工作面一側(cè)布置高強(qiáng)度塑料護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格為40mm×40mm。

3應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證巷道錨桿支護(hù)改進(jìn)方案的性能，應(yīng)用于巷道支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合巷道實(shí)際情況對(duì)巷道變形和錨桿受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

3.1錨桿錨固力監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

隨機(jī)選擇工作面巷道支護(hù)中的16根錨桿，其中8根為頂板支護(hù)錨桿，8根為兩幫支護(hù)錨桿，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。由圖1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出頂板錨桿的拉拔力均高于兩幫錨桿的拉拔力，頂板錨桿的拉拔力處于80～85kN，兩幫錨桿的拉拔力處于58～65kN，可見煤炭巷道錨桿支護(hù)質(zhì)量很好，錨桿承受的拉拔力較為均勻，滿足巷道錨桿支護(hù)的要求。巷道錨桿支護(hù)方案改進(jìn)之前，頂板錨桿承受的拉拔力處于55～60kN，兩幫錨桿承受的拉拔力處于45～50kN。對(duì)比巷道錨桿支護(hù)方案改進(jìn)前后的錨桿拉拔力可以看出，改進(jìn)之后錨桿支護(hù)能力得到了明顯提升，頂板錨桿拉拔力增加約25kN，兩幫錨桿拉拔力增加約10kN，巷道頂板和兩幫錨桿支護(hù)更加穩(wěn)固。

3.2巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果與分析

選取掘進(jìn)巷道內(nèi)起始點(diǎn)、中間點(diǎn)和采煤點(diǎn)布置變形檢測(cè)裝置，標(biāo)記為1#、2#、3#，各點(diǎn)均采集其頂板和兩幫的移近量。通過(guò)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可以看出，隨著支護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，頂板和兩幫的移進(jìn)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，直至趨于平穩(wěn)不變，頂板移進(jìn)量最大值為70mm，兩幫最大移進(jìn)量為80mm。支護(hù)方式改進(jìn)之前，頂板移進(jìn)量最大值為130mm，兩幫最大移進(jìn)量為100mm。對(duì)比支護(hù)形式改進(jìn)前后的最大移進(jìn)量可以得出，頂板移進(jìn)量降低了50mm，兩幫最大移進(jìn)量降低了20mm，取得了很好的改進(jìn)效果。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析設(shè)計(jì)結(jié)果表明，相較于支護(hù)方式改進(jìn)之前，改進(jìn)支護(hù)形式使巷道最大應(yīng)力分布范圍減小了700mm，巷道頂板最大位移降低了128mm，兩幫最大位移量降低了83mm。應(yīng)用結(jié)果表明，支護(hù)形式改進(jìn)之后的頂板錨桿拉拔力增加約25kN，最大移進(jìn)量減小50mm，兩幫錨桿拉拔力增加約10kN，最大移進(jìn)量減小20mm，錨桿支護(hù)形式改進(jìn)效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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[3]陳明明.煤礦掘進(jìn)巷道錨桿支護(hù)方式的應(yīng)用與研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2018,00(23):4954.

作者：亢建華 單位：山西寧武大運(yùn)華盛能源集團(tuán)有限公司