摘要：為了保持巷道的穩(wěn)定性，防止圍巖垮落或變形過大，巷道掘進(jìn)后一般都要進(jìn)行支護(hù)。過去大多是架設(shè)棚式與砌筑石材整體式支架來維護(hù)巷道，現(xiàn)在錨桿、錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在礦山得到了較廣泛的應(yīng)用，這是支護(hù)技術(shù)的一次重大革新與進(jìn)步。神華烏海能源黃白茨煤礦煤層復(fù)雜頂板條件下煤巷采用錨桿、錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，通過理論分析與計算，結(jié)合本礦區(qū)煤層賦存條件，確定合理的支護(hù)參數(shù)，試驗成功加以推廣應(yīng)用，并分析了其支護(hù)效果和支護(hù)費(fèi)用。
一、概述
黃白茨煤礦采用錨桿、錨噴支護(hù)井下巷道、峒室已有四十余年的歷史，早在上世紀(jì)60年代五虎山煤礦建井時期就采用鋼絲繩注漿錨桿、錨噴技術(shù)支護(hù)巷道、峒室，但由于對錨桿、錨噴支護(hù)機(jī)理的認(rèn)識不夠，錨桿、錨噴支護(hù)的應(yīng)用范圍仍局限于圍巖比較穩(wěn)定的煤巖巷中，許多復(fù)雜頂板條件下，圍巖穩(wěn)定性較差的巷道仍采用料石砌碹、砌墻鋼梁、工字鋼棚子支護(hù)，這些傳統(tǒng)的被動支護(hù)方式支護(hù)費(fèi)用高、支護(hù)速度慢，工人勞動強(qiáng)度大，支護(hù)效果差，大大制約著開拓、掘進(jìn)的速度，造成采、掘比例失調(diào)，出現(xiàn)采、掘接續(xù)緊張的局面，為了更好的解決這些問題，我礦從2001年開始對典型復(fù)雜頂板條件下4#、12#煤層的采、準(zhǔn)巷道支護(hù)方式進(jìn)行試驗研究，采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)片+鋼帶+鋼托盤”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，取得了顯著成效。
二、應(yīng)用實(shí)例
(一)圍巖條件
黃白茨煤礦12＃煤層全區(qū)賦存穩(wěn)定，煤厚5—7.5米，平均4.8米，傾角5—8°，是礦區(qū)主采煤層之一。該煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含矸5—7層，其中較穩(wěn)定的有四層，上矸厚度0.4—0.6米，中矸厚度0.2米，三矸厚度0.3—0.5米，四矸厚度0.1—0.2米，夾矸巖性全部為粘土巖，節(jié)理發(fā)育，易碎。
煤層直接頂為粘土巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度4—6米，下部有一層0.2米薄巖層、含煤屑、易剝落，老頂為細(xì)砂巖，厚度4.21米，煤層底板為粘土巖，厚度0.51—1.05米。
根據(jù)煤層賦存條件及煤質(zhì)要求，回采巷道布置在三矸以上，上矸以下煤層中，巷道以上矸為頂掘進(jìn)。
(二)支護(hù)方式及施工工藝
12層煤全部采用雙巷掘進(jìn)，即一條回風(fēng)巷、一條運(yùn)輸巷，巷道為矩形斷面，掘進(jìn)斷面回風(fēng)巷12.24㎡，運(yùn)輸巷16.56㎡，兩巷均平行沿12層煤上矸為頂掘進(jìn)。上矸為泥質(zhì)頁巖，比較松軟，上矸與煤層頂板間煤厚0.2～0.3m之間，頂板采用錨桿支護(hù)時，局部頂板難以留住，經(jīng)常出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象。根據(jù)兩巷的地質(zhì)條件及礦壓顯現(xiàn)，巷道頂板圍巖穩(wěn)定性相對較差，原支護(hù)方式慣用工字鋼架棚形式，維護(hù)費(fèi)用高、勞動強(qiáng)度大，針對這種情況，為尋求一種更有效、更經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式，經(jīng)認(rèn)真研究分析，回風(fēng)巷中頂板采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)片+鋼帶+鋼托盤”組合支護(hù)，兩幫采用竹錨桿支護(hù)。通過錨桿將鋼筋網(wǎng)片、鋼帶固定在頂板上，利用網(wǎng)片防止頂板上所留碎矸的掉落，維護(hù)組合拱的平衡。運(yùn)輸巷為機(jī)軌合一巷，斷面大，頂板采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)片+鋼帶+鋼托盤”支護(hù)，用φ15.24mm的鋼絞線將錨桿加固的組合梁整體懸吊于堅硬巖層中形成一個平衡拱。這種支護(hù)與錨桿支護(hù)相比具有較高的承載力和較好的可縮性，能夠有效的防止頂板冒落。因此在掘進(jìn)巷道中被廣泛應(yīng)用。如在巷道開口、十字交叉口處、頂板破碎及壓力大時的支護(hù)，尤其應(yīng)用在施工1294工作面回撤通道中，不僅簡化了回撤工序，縮短了回撤時間，節(jié)省了支護(hù)材料的消耗。而且還有效的控制了頂板下沉。
?。ㄈ┲ёo(hù)參數(shù)計算
1、按照懸吊理論計算錨桿參數(shù)
L≥KH+L1+L2
式中：L—錨桿長度（m）；
H—冒落拱高度；
K—安全系數(shù)，取K=2；
L1—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取L1=0.6m；
L2—錨桿在巷道中的外露長度，取L2=0.1m；
其中：H=B/2f=4.6/2×4=0.58
B—巷道寬度，取B=4.6m；
f—巖石堅固性系數(shù)，粘土巖取f=4.0m；
L≥KH+L1+L2=2×0.58+0.6+0.1=1.86m
故：取錨桿長度L=2.0m。
2、錨桿排、間距及桿體直徑
錨桿間距按不大于錨桿長度的一半考慮，間距不大于1m，但考慮到巷道頂板為煤巖互層，節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，經(jīng)現(xiàn)場觀察裂隙間距一般為15-25cm，錨桿間距按不大于節(jié)理裂隙間距3倍考慮，應(yīng)為0.45—0.75m，綜合考慮錨桿間距確定為0.7m。
①.錨桿排距：確定為0.8m，每排4根錨桿。
?、?錨桿直徑：
③.錨桿承載能力為：
P＝a﹒d﹒h﹒r
?。?.7×0.8×2×23
?。?5.76kN
式中：a——錨桿間距；
b——錨桿排距；
h——錨桿承載巖體高度，取2m；
r——承載巖體加權(quán)平均容重，取23kN/m3；
K——安全系數(shù)，取2；
σ——錨桿材料抗拉強(qiáng)度，普通圓鋼取24kN/cm2；
3、錨索長度及布置方式
?。?） 巷道潛在冒落高度H
?、?按巷道寬度的1.5倍計算冒落高度
H1＝1.5B＝1.5×3.4＝5.1m
潛在冒落范圍面積S為：
?、?按實(shí)際井下現(xiàn)場觀察冒落高度最高為H＝2m，取高度H2＝2m
則，潛在冒落面積S為：
?、?按圍巖松動圈半徑RO計算潛在冒高H
式中：ro——巷道的等效半徑，非圓形巷道取其外接圓半徑，
P——作用于模型上（巷道上）的應(yīng)力；
P＝K′TH
?。?×23×160
?。?360kN
式中：K′——為支撐壓力集中系數(shù)，取K′＝2；
H——為埋深，取160m；
T——為巖石加權(quán)平均容重，取23kN／m3；
Pi——支護(hù)阻力，按無支護(hù)計算Pi＝0；
K——圍巖粘聚力，取K＝1.30MPa；
Φ——圍巖內(nèi)摩擦角，取35°；
經(jīng)計算圍巖松動圈半徑：RO＝3.176m
潛在冒落拱高度：H3＝RO－h(huán)1／2（h1為巷道高度，取3.4m）
?。?.176－1.7
?。?.476m
非圓形巷道松動圈需加以修正，修正系數(shù)取1.4，冒落拱高度H＝1.4×1.476＝2.068m。
冒落拱面積
（2） 計算錨索長度
按公式分別對以上三種潛在冒落高計算錨索長度
L′≥L1＋L2＋H
L1′=7.3m
L2′=4.1m
L3′=4.168m
式中：L1——錨索外露長度，取L1＝0.3m；
L2——錨索錨固長度，取L2＝1.8m；
H——冒落高度，根據(jù)以上計算分別為：H1＝5.1m，
H2＝2m，H3＝2.068m；
根據(jù)上述計算結(jié)果，確定錨索長度為6m。
錨索采用S2360、Z2360聚酯樹脂卷加長錨固，每孔1卷S2360，2卷Z2360樹脂卷，錨固長度1.8m。
（3） 錨索的選擇
錨索選擇1×7絲，直徑為15.24mm，破斷力Pe＝260kN鋼絞線。
錨索懸吊力Q為：
Q＝S﹒Υ﹒D
其中：S——冒落范圍面積，
式中：B——巷寬，取3.4m；
H——懸吊巖石高度，取3.9m；
1/2——冒高超過巷寬時，按三角冒落面積計算；
Υ——冒落拱巖石容重，取23kN/m3；
D——錨索間距m；
當(dāng)錨索懸吊力Q等于錨索破斷力Pe＝260kN時
則可得出D＝Pe/S·r
取錨索間距1.5m
錨索實(shí)際懸吊力為Q＝6.63×23×1.5＝228.7kN
Q＜Pe所選鋼絞線符合要求。
錨梁選用10＃槽鋼，長度0.5m，配帶120×120×10mm鋼托板。
?。?） 錨固力
樹脂每平方厘米抗拉強(qiáng)度一般達(dá)100Kg/cm2，錨固長度1.8m，孔徑φ27mm，錨固力達(dá)1526kN，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際試驗，在砂巖中每米錨固長度，錨固力達(dá)380kN，錨固長度為1.8m時，錨固力達(dá)684kN，遠(yuǎn)大于鋼絞線的靜拉力。
4、幫錨桿
幫錨采用竹錨桿，錨桿長1800mm，實(shí)芯快硬膨脹水泥藥卷端頭錨固，每孔2個水泥卷，三花布置，間排距900×1000mm，幫錨桿所用木托板規(guī)格300×150×50mm。
鋼筋網(wǎng)規(guī)格：φ6mm冷拔鋼筋焊制，網(wǎng)孔150×150mm，網(wǎng)長3.0m，寬1.0m。斷面支護(hù)見圖3。
三、經(jīng)濟(jì)分析
1 錨桿支護(hù)材料費(fèi)分析
每米支護(hù)頂錨桿5套、鋼筋網(wǎng)一塊費(fèi)用170.8元；梯形梁0.8米一根，折合每米費(fèi)用40.1元；錨索1.5米一根，折合每米費(fèi)用62.96元；幫錨桿4套費(fèi)用52.7元；共計每米巷道支護(hù)費(fèi)用326.56元。
2 礦工鋼架棚支護(hù)巷道材料費(fèi)分析
工字鋼按復(fù)用3次計算，每米工字鋼費(fèi)用426.07元；每米巷道剎頂費(fèi)用179元；共計605.07元。
3 經(jīng)濟(jì)對比
經(jīng)以上計算，錨桿支護(hù)較鋼梁支護(hù)僅材料一項可節(jié)約費(fèi)用278.51元/米。
從2001年6月至2011年6月，蘇海圖礦、黃白茨礦12#煤層和五虎山礦4#煤層用“錨桿——錨索——鋼筋網(wǎng)片——鋼帶——鋼托盤”聯(lián)合支護(hù)方式，共支護(hù)煤巷59050米，與工字鋼架棚支護(hù)相比，巷道支護(hù)僅材料費(fèi)一項節(jié)約1541.97萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。
四、結(jié)論
煤巷錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)方式，能有效地控制巷道頂板的早期離層，減少巷道圍巖變形，提高巷道支護(hù)的可靠性，與砌墻鋼梁等支護(hù)形式相比，可大大減少工人的勞動強(qiáng)度，提高掘進(jìn)速度，降低巷道支護(hù)及維護(hù)費(fèi)用，給回采作業(yè)創(chuàng)造了更為方便、安全的環(huán)境和條件，有著十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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