摘要：隨著礦井開(kāi)采深度的延深以及成熟綜采技術(shù)的推廣和應(yīng)用，我礦現(xiàn)階段使用的圓鋼麻花式錨桿全斷面支護(hù)方式從支護(hù)安全上已無(wú)法滿足越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)條件，同時(shí)在綜采回采時(shí)因錨桿卷入截割滾筒造成設(shè)備損傷及安全隱患等矛盾也日益突出。通過(guò)計(jì)算研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，在綜采工作面準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)支護(hù)時(shí)合理選用多類型的錨桿相結(jié)合的支護(hù)方式即能保證支護(hù)的合理、有效，同時(shí)降低對(duì)綜采設(shè)備的損傷和危害，在確保安全的同時(shí)降低成本和設(shè)備損耗，為多類型錨桿組合支護(hù)方式在集團(tuán)所屬礦井掘進(jìn)巷道支護(hù)中推廣提供有力的技術(shù)保障和科學(xué)的依據(jù)。
前言
一九三〇煤礦于1988年12月投產(chǎn)至今，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)噸/年，實(shí)際核定生產(chǎn)能力81萬(wàn)噸/年，主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)焦煤。現(xiàn)階段礦井在開(kāi)拓和掘進(jìn)巷道頂、幫均使用圓鋼麻花式錨桿進(jìn)行永久支護(hù)，圓鋼麻花式錨桿為礦區(qū)維修中心自制。為了在煤巷、半煤巷（統(tǒng)稱煤巷，下同）中科學(xué)、規(guī)范、有效地進(jìn)行錨桿支護(hù)，提高質(zhì)量、保證安全，促進(jìn)礦井煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)仔細(xì)計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，最終選取了安全可行的多類型錨桿組合支護(hù)方式。
1掘進(jìn)巷道布置概況
以一九三〇煤礦炮掘的37123運(yùn)輸巷為例。此巷道位于礦井一采區(qū)西翼，巷道沿7號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。煤層厚度為1.8～2.2m，平均2.0m；煤層傾角18°～26°，由西向東煤層傾角逐漸增大；煤層直接頂為含礫粗砂巖，平均厚度3.6m；老頂為粗砂巖，厚度8.3m左右；底板為粉砂巖，平均厚度2.7m。
7#煤層屬中厚煤層，巷道設(shè)計(jì)斷面為斜梯形，巷道掘進(jìn)寬度3.7m，下幫高度2.0m，巷道凈斷面積為9.8m2。巷道兩幫及下幫側(cè)底板為煤體，容重1.35t/m3，巷道圍巖為Ⅰ類，屬非常穩(wěn)定圍巖，頂?shù)装逡屏縣<200mm，巖石硬度f(wàn)>6；巖性完整性較好。
圍巖性質(zhì)及煤層特征：7#煤層系侏羅系八道灣組煤系地層中的可采煤層，平均傾角為22°，平均厚度2.0m。頂、底板巖性特征。
7號(hào)煤層直接頂板為粗砂巖，比重2.94g/cm3，天然容重2.85g/cm3，含水率3.06%，飽和狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度37.2Mpa，天然狀態(tài)下單向抗拉強(qiáng)度2.6Mpa，軟化系數(shù)0.74；直接底板為粗砂巖，比重2.58g/cm3，天然容重2.42g/cm3，含水率6.20%，飽和狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度4.1Mpa，天然狀態(tài)下單向抗拉強(qiáng)度2.0Mpa，軟化系數(shù)0.26。
2選用錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算
錨桿支護(hù)發(fā)揮加固拱作用和懸吊作用，使復(fù)合頂板內(nèi)的各煤巖體與錨桿緊固形成一個(gè)所謂的"組合梁"，從而提高頂板巖層的抗彎強(qiáng)度，減少各巖層層面滑移、離層和冒落的機(jī)率，從而保證巷道的穩(wěn)定性。
2.1現(xiàn)階段錨桿支護(hù)概況
37123運(yùn)輸巷現(xiàn)階段巷道頂、幫均使用圓鋼麻花式錨桿進(jìn)行永久支護(hù)。通過(guò)計(jì)算確定：頂板每排四根錨桿，錨桿間排距為1.0×1.2m；上幫每排三根錨桿，間排距為1.0×1.2m；下幫每排兩根錨桿，錨桿間排距為1.0×1.2m；均使用Φ16mm長(zhǎng)度1.6m的圓鋼麻花式金屬錨桿。錨桿支護(hù)距迎頭最小距離0.3m，最大距離2.7m。
2.2錨桿長(zhǎng)度選型計(jì)算
（1）按巷道跨度及圍巖影響進(jìn)行計(jì)算：L=N（1.1+n/10)=1.47（m）
式中：N-圍巖影響系數(shù)，取1；n-為巷道跨度；
?。?）按懸吊原理進(jìn)行計(jì)算：L＝ＫＨ+Ｌ1+Ｌ2＝2×0.5+0.6+0.1＝1.7（m）
式中：L-錨桿長(zhǎng)度，m；Ｋ-為安全系數(shù)，一般取2；Ｌ1-為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取為0.6m；Ｌ2-為錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，取0.1m；Ｈ-易冒落巖層厚度或冒落拱高度，根據(jù)地質(zhì)資料和37122運(yùn)輸巷掘進(jìn)情況來(lái)看，局部冒落高度均在0.5m以下。
由計(jì)算可知，兩幫選用Φ18mm長(zhǎng)度1.6m的樹(shù)脂錨桿，頂部選用Φ16mm長(zhǎng)度1.8m的等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿滿足錨桿長(zhǎng)度的支護(hù)要求。
2.3錨桿直徑的確定
金屬錨桿支護(hù)系列
錨桿直徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：d=1/110×L=1/110×1.7=15.45（mm）
式中：L-錨桿長(zhǎng)度，選取3.2-（2）計(jì)算值，mm
由計(jì)算可知，頂部錨桿直徑取16mm，兩幫錨桿直徑取18mm。
2.4錨桿間、排距的確定
2.4.1頂部錨桿間、排距的確定
φ16mm等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿：桿體抗拉力≥98KN，桿體螺紋承載力≥75KN，錨固力≥75KN，為75kg/mm2，巖石密度2850kg/m3。
每根錨桿懸吊巖石重量：1.8S×2850=5130
即，S=75000/5130×9.8=1.49㎡；
式中：S為每根錨桿支護(hù)面積=錨桿間距×錨桿排距
錨桿采用矩形布置，取間排距為：1.2×1.2m，可以滿足要求。
2.4.2兩幫錨桿間、排距的確定
兩幫錨桿支護(hù)選用Φ18mm長(zhǎng)度1.6m的樹(shù)脂錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距參數(shù)計(jì)算如下：
錨桿承載能力為：Q=45KN；P=NQ
根據(jù)煤幫跨落時(shí)，對(duì)錨桿載荷為P=DR
1.6S×1.4×9.8×103=21952S
式中：D-垮落體積=1.6S；S-每根錨桿支護(hù)面積；R-煤的比重1.4t/m3；N為安全系數(shù)取0.9。
S=NQ/1.6R=0.9×45000/21952=1.84m2
根據(jù)計(jì)算每根錨桿支護(hù)面積為1.84m2，間排距選擇1.2×1.2m，可以滿足要求。
3錨桿支護(hù)方式的確定
本巷道永久支護(hù)：頂板采用Φ18mm長(zhǎng)度1.8m的等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿，兩幫采用Φ18mm長(zhǎng)度1.6m的樹(shù)脂錨桿配合金屬網(wǎng)、鋼帶進(jìn)行錨網(wǎng)梁支護(hù)。通過(guò)以上計(jì)算確定，本巷道頂板每排三根錨桿，錨桿間排距為1.2×1.2m。上幫每排三根錨桿，間排距為1.2×1.2m。下幫每排兩根錨桿，錨桿間排距為1.2×1.2m，錨桿距迎頭最小距離0.3m，最大距離2.7m。詳見(jiàn)支護(hù)斷面圖
4配套支護(hù)材料選擇
4.1金屬網(wǎng)規(guī)格選擇
考慮到7號(hào)煤體在支承壓力作用下巷道兩幫易產(chǎn)生塌落及片幫，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，煤巷支護(hù)除錨桿以外，還需鋪設(shè)金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)除可防止圍巖及煤體的塌落和片幫以外，還將錨桿之間松動(dòng)的圍巖壓力進(jìn)行傳遞，使得錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻。
金屬網(wǎng)均選用10#鐵絲編制成的菱形網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為3300×1500mm。網(wǎng)片之間必須保證壓接20mm，并做到用扎絲每150mm聯(lián)一扣將網(wǎng)片聯(lián)好。
4.2鋼帶敷設(shè)要求
巷道兩幫及破碎處頂部采用錨網(wǎng)梁進(jìn)行支護(hù)。鋼帶的作用是：一方面能保持頂板的平整，另一方面將頂板錨桿連結(jié)起來(lái)，形成一個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)頂板某一錨桿失效時(shí)，因鋼帶的作用仍能保持對(duì)頂板圍巖的有效支護(hù)。鋼帶梁：采用Φ12mm的圓鋼加工成。
4.3錨桿其它附件及選型
錨固劑：采用型號(hào)為Z3535中速合成樹(shù)脂錨固劑，直徑35mm，長(zhǎng)度為350mm。
托板：金屬托板采用100×100×5mm的鐵托板，中心孔直徑為18.5mm；竹托板用竹質(zhì)材料制成，規(guī)格為300×300×50mm，中心孔直徑為18.5mm。
5煤巷采用等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿及樹(shù)脂錨桿支護(hù)優(yōu)點(diǎn)分析
5.1現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
通過(guò)在37123運(yùn)輸巷的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，配合頂板離層觀測(cè)儀和巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平坑^測(cè)。37123運(yùn)輸巷施工完畢后巷道成形及支護(hù)狀況良好，未發(fā)生垮幫、滑幫或是頂板下沉量超標(biāo)現(xiàn)象。隨著37123備采面的形成，通過(guò)綜采工作面回收、安裝以及回采效果來(lái)看，兩幫采用樹(shù)脂錨桿支護(hù)避免了在使用金屬錨桿時(shí)存在一系列安全問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)對(duì)頂部錨桿配件的回收，大大降低了巷道支護(hù)成本，提高了二次利用率。
5.2多類型錨桿組合支護(hù)方式優(yōu)點(diǎn)分析
1、頂部采用等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿的優(yōu)點(diǎn)
?、倏估瓘?qiáng)度高：普通圓鋼麻花錨桿的抗拉力Φ16mm為7噸左右，Φ18mm的為8.5噸左右，而Φ16mm等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿抗拉力11噸左右，是同等直徑圓鋼麻花錨桿抗拉力的1.5倍以上。理論上：同面積巷道等強(qiáng)錨桿的使用量為圓鋼錨桿使用量的70%左右。
?、诙位赜寐矢撸旱V井現(xiàn)在使用的圓鋼麻花錨桿因宜銹蝕、變形回用率較低且螺母、托板等附件也不能回收；而等強(qiáng)度錨桿由于螺距較寬，只需要將桿體校直即可再次使用，螺母、托板等附件也能回收。
?、壑ёo(hù)有效率高：煤巷出現(xiàn)脫層、偏幫時(shí)，圓鋼麻花錨桿由于受尾部螺紋長(zhǎng)度的限制導(dǎo)致支護(hù)失效，需充填托板或補(bǔ)打錨桿。等強(qiáng)全螺紋錨桿只需要繼續(xù)擰緊螺帽就可以有效支護(hù)，從而降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率同時(shí)也降低了成本。
④運(yùn)輸損壞率低：圓鋼麻花錨桿在裝運(yùn)卸車過(guò)程中由于擠壓、碰撞導(dǎo)致尾部螺紋損壞，螺帽無(wú)法安裝，一般損壞率在5%左右；等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿螺距寬，螺紋不易損壞，使用率較高。
?、菥C合使用成本低：等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿支護(hù)強(qiáng)度高，回收復(fù)用率高，使用方便，巷道維護(hù)投入成本低。
2、兩幫采用樹(shù)脂錨桿支護(hù)
①使用樹(shù)脂錨桿在回采期間采煤機(jī)截割煤體時(shí)不易造成截齒損傷；
?、诮饘馘^桿桿體卷入采煤機(jī)滾筒后取出困難，而采用樹(shù)脂錨桿后采煤機(jī)滾筒可直接截割煤體；
③金屬錨桿隨原煤外運(yùn)時(shí)威脅運(yùn)輸設(shè)備安全運(yùn)行，人力清運(yùn)則增加勞動(dòng)強(qiáng)度。使用樹(shù)脂錨桿不會(huì)存在上述問(wèn)題。
④采煤機(jī)截割金屬錨桿易產(chǎn)生火花，造成安全隱患，使用樹(shù)脂錨桿不存在此類安全隱患。
6支護(hù)效果分析
煤巷通過(guò)采用等強(qiáng)全螺紋金屬錨桿及樹(shù)脂錨桿支護(hù)與原有支護(hù)方式相比：一是巷道整體變形量較小，斷面收縮率有所降低，因此這種支護(hù)方式較好的保持了巷道的穩(wěn)定。由以上結(jié)果可以看出，在煤層的巷道中，采用此支護(hù)方式比圓鋼麻花式錨桿支護(hù)的效果好；二是頂部錨桿回收率提高的同時(shí)降低了巷道支護(hù)成本；三是兩幫樹(shù)脂錨桿的使用在回采期間不易造成截齒損傷的同時(shí)消除了安全隱患等。通過(guò)數(shù)月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，確定此巷道支護(hù)方式能有效地解決和改進(jìn)礦井原有支護(hù)方式存在的安全隱患，值得在集團(tuán)公司所屬礦井中推廣應(yīng)用。
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