摘要：在煤礦開采過程中，為保證增大回收率，部分巷道需要在煤柱中掘進(jìn)。這些巷道兩邊為采空區(qū)，支護(hù)方式的合理選擇，對掘進(jìn)施工質(zhì)量及施工進(jìn)度影響較大。為提高巷道掘進(jìn)施工質(zhì)量及施工速度，在不改變掘進(jìn)方法、不增添新設(shè)備、不增加施工人員的前提下，通過分析圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測試，提出了合理的錨桿支護(hù)設(shè)計，在施工的應(yīng)用中取得了明顯的效果。新陽煤業(yè)在新102材料巷進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，并做好了詳細(xì)的監(jiān)測及記錄在巷道兩幫壓力控制上取得了良好的效果，值得推廣。
1工作面地質(zhì)概況
1.1工作面概況
新102工作面位于新一采區(qū)東翼，新102工作面北鄰南軌道上山保安煤柱，西鄰新104工作面(2006年至2007年已回采9#、10#和11#煤層)，兩工作面間凈煤柱尺寸為30m，南至韓家灘保安煤柱。新102工作面地面標(biāo)高為+865m～+980m，煤層標(biāo)高為+580m～+680m，平均埋深約為292m左右，工作面開采太原組10～11#煤合并層，局部開采9#～10#～11#煤合并層，煤層總厚平均7.2m，屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤種為瘦煤，穩(wěn)定可采。
1.2巷道布置方式
新102工作面開采10#～11#煤合并層，由于合并層10#～11#煤直接底為粘土泥巖，遇水膨脹，故將新102工作兩巷沿煤層底板布置，頂板為0.1m的標(biāo)志層，底板留設(shè)300mm的浮煤。新102工作面材料巷布置在新102工作面和新104工作面煤柱下方如圖1所示，新102工作面材料巷距離上部902工作面煤層采空區(qū)凈煤柱尺寸約為8m，距離新104材料巷距離22m，此時新102運(yùn)輸巷正好處于工作面保護(hù)煤柱應(yīng)力峰值影響的范圍內(nèi)，故巷道壓力很大，巷道維護(hù)困難。
1.3巷道圍巖條件
新102工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示，新102工作面煤層直接頂是2.0m厚的灰黑色石灰?guī)r，之上為1.75m的灰黑色泥巖，老頂為6.24m的深灰色石灰?guī)r，致密堅硬。工作面巷道底上留300mm左右浮煤，直接底為0.3m的碳質(zhì)泥巖和0.53m的灰色粘土泥巖，下方為7.41m厚的黑色及灰色泥巖。
1.4地質(zhì)構(gòu)造
工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，煤巖層基本為單斜構(gòu)造區(qū)。煤巖層產(chǎn)狀為走向北西，傾向北東，另外根據(jù)相鄰新104工作面知，掘進(jìn)至切眼附近時，將揭露2條正斷層，斷層落差不大，預(yù)計對掘進(jìn)不會造成較大影響。
1.5水文地質(zhì)條件
工作面上覆含水層為K2、K3、K4三層灰?guī)r含水層，其水量較豐富，對本工作面掘進(jìn)有一定影響；新102工作面布置在已采902工作面下方，采空區(qū)可能存有一定積水，對掘進(jìn)支護(hù)有一定影響。下伏含水層為奧陶紀(jì)石灰?guī)r含水層，其水量豐富，水位標(biāo)高低于煤層底板標(biāo)高，故在掘進(jìn)期間必須準(zhǔn)備好足夠的排水設(shè)施，堅持“有掘必探”的原則，對其進(jìn)行探放水工作，確保安全生產(chǎn)。
工作面最大涌水量為50m3/h，正常涌水量為10～30m3/h。
1.6瓦斯及煤塵特點(diǎn)
新陽礦井屬低瓦斯礦井，瓦斯涌出情況較少。工作面煤層具有發(fā)火傾向和自燃發(fā)火現(xiàn)象，發(fā)火期為4～6個月。煤塵具有強(qiáng)烈爆炸性，爆炸指數(shù)9#煤為18.32%，10#煤為18.7%，11#煤為18.44%。
1.7粘結(jié)強(qiáng)度測試
采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度。該測試工作必須在井下施工之前進(jìn)行完畢。測試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計錨固深度上進(jìn)行三組拉拔試驗(yàn)。粘結(jié)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求后方可在井下施工中采用。
2巷道支護(hù)形式和參數(shù)選擇原則
針對新陽煤礦新一采區(qū)新102工作面10#～11#煤合并層地質(zhì)及生產(chǎn)條件，為了充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，提出以下設(shè)計原則有以下幾點(diǎn)。
(1)一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。一方面，這是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程，需要保持長期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會受到顯著影響。
(2)高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動支護(hù)還是主動支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。
(3)“三高一低”原則。即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、全長錨固)，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。
(4)臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)大于臨界值。
(5)相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用。
(6)可操作性原則。提供的錨桿支護(hù)設(shè)計應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。
(7)在保證巷道支護(hù)效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本。
3設(shè)計原則
3.1支護(hù)參數(shù)確定原則
(1)支護(hù)設(shè)計確保支護(hù)安全，避免在服務(wù)期間進(jìn)行維修或僅進(jìn)行局部維修。(2)支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格具有較好的適應(yīng)性和施工可行性，由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護(hù)合理性考慮，可能出現(xiàn)多種支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料規(guī)格，但這將不利于巷道施工和管理。所以，盡可能采用統(tǒng)一的支護(hù)參數(shù)和材料規(guī)格。(3)支護(hù)設(shè)計要在保證支護(hù)質(zhì)量的同時有利于提高巷道掘進(jìn)速度。(4)在滿足前三項原則的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理。
3.2支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)
(1)已掘巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況和礦壓觀測數(shù)據(jù)。(2)理論分析及數(shù)值計算成果。(3)新一采區(qū)工作面詳細(xì)地質(zhì)資料。(4)現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
4新102工作面材料順槽初始設(shè)計
考慮到新102工作面運(yùn)輸巷正好處于煤柱應(yīng)力峰值影響范圍內(nèi)，由于運(yùn)輸巷斷面較大，礦方?jīng)Q定將新102工作面兩巷位置進(jìn)行互相調(diào)整，將斷面較小的材料巷布置在煤柱應(yīng)力影響范圍內(nèi)，根據(jù)掘進(jìn)過程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計新一采區(qū)新102工作面材料巷掘進(jìn)斷面尺寸：巷道斷面呈矩形，寬4.3m，高3.0m，掘進(jìn)斷面積12.9m2。巷道采用樹脂加長錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。
4.1頂板支護(hù)
錨桿：錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m，桿尾螺紋為M24。
錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為M2360。鉆孔直徑為28。
W鋼帶規(guī)格：采用W鋼帶護(hù)頂，鋼帶規(guī)格：厚度3mm，寬280mm，長度4200mm。
錨桿配件：托盤采用高強(qiáng)度拱型托盤，規(guī)格為150×150×10mm。
錨桿角度：錨桿盡量全部垂直頂板安設(shè)，角錨桿由于靠近煤幫，現(xiàn)場操作存在一定困難，要求和頂板角度不超過10°。
網(wǎng)片規(guī)格：采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50×50mm，網(wǎng)片規(guī)格4500×1100mm。
錨桿布置：錨桿排距900mm，每排4根錨桿，間距1000mm。
錨桿預(yù)緊力矩：≥300N·m。
錨索：錨索形式和規(guī)格：錨索材料為17.8mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5300mm，鉆孔直徑28mm，采用一支K2335和兩支M2360低粘度樹脂藥卷錨固，錨固長度1600mm；
錨索托盤：采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度托板及配套鎖具。
錨索布置：錨索采用“五花”布置，每900mm打2根錨索，錨索間距為2000mm，之后隔900mm在巷道中間打設(shè)一根錨索，錨索均垂直頂板巖層打設(shè)。
錨索預(yù)緊力：200kN～250kN。
4.2兩幫支護(hù)
錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m，桿尾螺紋為M24。
錨固方式：樹脂加長錨固，采用一支錨固劑，規(guī)格為M2360，鉆孔直徑為30mm。
W護(hù)板規(guī)格：采用W鋼護(hù)板護(hù)幫，鋼帶厚度3mm，寬280mm，長度400mm。
錨桿配件：托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為150×150×10mm。
網(wǎng)片規(guī)格：采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50×50mm，網(wǎng)片規(guī)格2900×1000mm。
錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距800mm。
錨桿角度：垂直巷幫打設(shè)。
錨桿預(yù)緊力矩：≥300N·m。
新一采區(qū)新102工作面材料巷支護(hù)設(shè)計。
5特殊條件處理措施
巷道每超寬500mm時，補(bǔ)打一根單體錨桿，超寬1000mm時，補(bǔ)打一根錨索。當(dāng)巷道超高500mm～1000mm時，應(yīng)該在距正常巷幫底部位置補(bǔ)打一根單體錨桿，高頂距離較長時，應(yīng)該補(bǔ)打一根錨索，錨索規(guī)格為17.8-1×7-5300mm。如遇巷道頂板和兩幫不平、巷道淋水以及其它簡單地質(zhì)構(gòu)造時，適當(dāng)縮小錨桿錨索排距，并保證施工質(zhì)量；如遇巷道條件變化較大，應(yīng)及時聯(lián)系生產(chǎn)技術(shù)部門并通知設(shè)計單位根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定此段巷道的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。
說明：錨桿預(yù)緊力是巷道支護(hù)的關(guān)健因素，必須及時施加預(yù)緊力，優(yōu)先保證錨桿施工質(zhì)量，將錨桿外露長度不作為施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的考核指標(biāo)中，但必須控制好鉆孔深度，盡量保證錨桿外露長度不超過100mm。
6支護(hù)材料
新一采區(qū)新102工作面兩巷支護(hù)材料。
7井下施工工藝和安全措施
井下施工是該項目的關(guān)鍵部分，所以必須按照設(shè)計要求，保證施工質(zhì)量。
7.1施工前的準(zhǔn)備工作
(1)準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的一切材料、機(jī)具和礦壓觀測儀器，并保證質(zhì)量。(2)對施工隊伍進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使其了解試驗(yàn)?zāi)康?，施工工藝和要求，掌握有關(guān)機(jī)具的操作，以便在井下施工中保證質(zhì)量。
7.2施工工藝和技術(shù)要求
施工工序包括掘進(jìn)和支護(hù)兩大部分。巷道頂板支護(hù)的施工工藝流程為：掘進(jìn)→打掉危巖出煤→臨時支護(hù)→鉆頂板中部錨桿孔→清孔→安裝樹脂藥卷和錨桿→用錨桿機(jī)攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間→停止攪拌并等待1min左右→鋪金屬網(wǎng)→上W鋼帶、托盤、螺母→擰緊螺母→從中向外依次安裝其它頂板錨桿。
幫錨桿施工工藝：鉆孔、清孔→安裝樹脂藥卷和錨桿→攪拌樹脂藥卷→等待1min左右→掛網(wǎng)→上鋼護(hù)板、螺母→擰緊螺母→依次安裝其它幫錨桿。
錨索施工工藝：定錨索孔位→用錨索鉆機(jī)鉆進(jìn)錨索鉆孔→清孔→往鉆孔內(nèi)放入樹脂藥卷→用錨索頭部頂住樹脂藥卷并送入孔底→升起錨索鉆機(jī)并用攪拌器聯(lián)接錨索鉆機(jī)和錨索尾部→轉(zhuǎn)動錨索鉆機(jī)攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為15s～30s)→停止攪拌等待規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為1min)后收縮錨桿機(jī)卸下攪拌器→等待15min→套上托板安裝錨具→用張拉設(shè)備張拉錨索直到預(yù)緊力為200kN以上。
7.2.1技術(shù)要求
(1)掘進(jìn)。要求按設(shè)計尺寸施工，保證成形質(zhì)量。不得超挖或欠挖。巷道掘進(jìn)尺寸與設(shè)計尺寸相差不得超過200mm。割煤完成后，應(yīng)盡可能將浮煤清理干凈，特別是兩幫附近的浮煤，以防造成幫底腳錨桿安裝困難。
(2)臨時支護(hù)。采用前探梁進(jìn)行臨時支護(hù)。
(3)安裝頂錨桿。錨桿應(yīng)緊跟掘進(jìn)頭及時支護(hù)，空頂距不得超過1.2m。當(dāng)頂板比較破碎時，應(yīng)適當(dāng)縮小空頂范圍。錨桿孔采用單體風(fēng)動錨桿機(jī)完成。先用1.2m的短釬桿，后換2.4m的長釬桿，采用28mm鉆頭。鉆孔時錨桿機(jī)升起，使鉆頭頂在頂板對應(yīng)的位置，然后開動錨桿機(jī)進(jìn)行鉆孔?？咨钜鬄?100±30mm，并保證鉆孔垂直巖面。鉆頭鉆到預(yù)定孔深后下縮錨桿機(jī)，同時清孔，清除煤粉和泥漿。放入樹脂藥卷。錨桿桿尾通過安裝器與錨桿機(jī)機(jī)頭聯(lián)接，桿端插入已裝好樹脂藥卷的鉆孔中，升起錨桿機(jī)，將孔口處的藥卷送入孔底。利用錨桿機(jī)攪拌樹脂藥卷。樹脂藥卷攪拌是錨桿安裝中的關(guān)鍵工序，攪拌時間按廠家要求嚴(yán)格控制。同時要求攪拌過程連續(xù)進(jìn)行，中途不得間斷。停止攪拌后等待1min左右。利用錨桿鉆機(jī)擰緊螺母，之后使用扭矩倍增器或者風(fēng)動扳手，使錨桿預(yù)緊力矩應(yīng)達(dá)到“300N·m”以上。錨桿排距誤差不得超過設(shè)計值±50mm。
(4)安裝幫錨桿。幫錨桿安裝應(yīng)緊跟迎頭，最大空幫距離不得超過2.4m。當(dāng)煤幫斜茬發(fā)育，容易造成片幫時，幫錨桿必須緊跟迎頭及時打設(shè)，不得出現(xiàn)空幫現(xiàn)象，以防片幫造成錨桿外露太長，報廢錨桿。錨桿間排距誤差不得超過設(shè)計值50mm。兩幫孔深要求2100mm±30mm，并保證鉆孔角度。采用鉆機(jī)攪拌，之后使用扭矩倍增器或者風(fēng)動扳手，使錨桿預(yù)緊力矩應(yīng)達(dá)到“300N·m”以上。其它技術(shù)要求同頂板錨桿。
(5)安裝錨索。錨索應(yīng)緊跟掘進(jìn)工作面安裝，可以不與錨桿同步安裝，但是滯后時間不超過1個班的作業(yè)時間。頂板錨索孔深控制在5950mm～6050mm內(nèi)。安裝樹脂藥卷，先放入1個K2335快速樹脂藥卷，然后放入2個M2360慢速樹脂藥卷。插入錨索將樹脂藥卷推至孔底。錨索下端用專用攪拌器與錨索鉆機(jī)相連，開機(jī)攪拌。先慢后快，待錨索全部插入鉆孔后，采用全速旋轉(zhuǎn)攪拌規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為15s～30s)。停止攪拌后等待規(guī)定時間(根據(jù)樹脂藥卷使用說明書，一般為1min)，收縮錨桿機(jī)，卸下攪拌器。攪拌后錨索外露長度應(yīng)控制在300mm以內(nèi)。張拉錨索：等待15min后裝上托板、錨具，用張拉千斤頂張拉錨索至設(shè)計預(yù)緊力(>200kN)，之后卸下千斤頂。錨索間距誤差不得超過設(shè)計值±50mm。
7.2.2安全技術(shù)措施
(1)須定期進(jìn)行井下錨桿錨固力拉拔試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)時錨固力不得低于桿體的屈服載荷(125kN)，每次數(shù)量不少于3根。如果發(fā)現(xiàn)錨桿實(shí)際錨固力與設(shè)計值相差較大，必須對錨固參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改。
(2)為了保證施工質(zhì)量，須對錨桿錨固力進(jìn)行抽檢(10%的比例)，抽檢指標(biāo)為錨桿錨固力不得低于125kN。發(fā)現(xiàn)不合格錨桿，應(yīng)在其周圍補(bǔ)打錨桿。
(3)掘進(jìn)時形成的巷幫超寬或片幫超寬時，應(yīng)及時處理，可采用補(bǔ)打單體錨桿的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
(4)巷道地質(zhì)條件發(fā)生變化時，應(yīng)根據(jù)變化程度，調(diào)整支護(hù)參數(shù)或采取應(yīng)急措施及時處理，如采用掛網(wǎng)和補(bǔ)打錨索加固。
(5)試驗(yàn)過程中，每隔50m在頂板安裝一個離層指示儀，觀測圍巖移動情況。一旦發(fā)生異?，F(xiàn)象，觀測人員應(yīng)立即報告有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，以便采取相應(yīng)措施。
(6)金屬網(wǎng)的鋪設(shè)、連接要求：網(wǎng)與網(wǎng)之間的壓接寬度100mm，要求每勾必掛。
(7)張拉錨索時，每次使用要兩人協(xié)作，張拉油缸應(yīng)與鋼絞線保持在同一軸線上，加壓后，工具錨卡住鋼絞線方能松手，并用8#鐵絲將千斤頂綁在頂網(wǎng)上。操作人員要避開張拉缸軸線方向，以保證安全。
(8)張拉時，發(fā)現(xiàn)不合格錨索，必須在其附近300mm的范圍內(nèi)補(bǔ)打合格錨索。
8結(jié)語
現(xiàn)有的錨桿支護(hù)設(shè)計方法很多，如基于以往經(jīng)驗(yàn)和圍巖分類的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計法，基于某種假說和解析計算的理論設(shè)計法，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計法。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，單獨(dú)采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn)，因而達(dá)不到理想的設(shè)計效果。只有采用包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測和信息反饋、修正設(shè)計和日常監(jiān)測的動態(tài)信息設(shè)計方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計方法。其中試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評估，為初始設(shè)計提供可靠的參數(shù)。初始設(shè)計采用井下實(shí)測和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法進(jìn)行，根據(jù)井下實(shí)測數(shù)據(jù)和已有經(jīng)驗(yàn)確定出比較合理的初始設(shè)計。然后將初始設(shè)計實(shí)施于井下，并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證或修正初始設(shè)計。正常施工后還要進(jìn)行日常監(jiān)測，保證巷道安全。
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