摘要：在對昌泰煤業(yè)原有支護(hù)狀況進(jìn)行綜合評估的基礎(chǔ)上，采用高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理念進(jìn)行支護(hù)的改革。通過詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)測試，提出初始支護(hù)方案。在井下進(jìn)行試驗(yàn)后，支護(hù)效果良好，錨桿受力合理，巷道變形較小、可控，真正做到了經(jīng)濟(jì)合理。
潞安集團(tuán)壽陽潞陽昌泰煤業(yè)有限公司位于晉中市壽陽縣解愁鄉(xiāng)榮家溝村-紅花堙村之間，行政區(qū)劃屬解愁鄉(xiāng)管轄。屬沁水煤田，井田面積3.7252km2，礦井規(guī)模為60萬t/a，批準(zhǔn)開采煤層8-15下號煤層，其中12號煤層為主采煤層，12號煤層平均厚度為1.61m。
1原有支護(hù)評估情況
資源整合之前，昌泰煤業(yè)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，缺乏對先進(jìn)技術(shù)的重視與探索。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏，礦井井巷工程的設(shè)計(jì)隨意性較大。以錨網(wǎng)支護(hù)巷道為例，支護(hù)主要存在以下問題：
?、僦ёo(hù)參數(shù)偏保守，錨桿間排距大都控制在800mm×800mm以內(nèi)，甚至更小。
②設(shè)計(jì)一成不變，導(dǎo)致有的區(qū)域支護(hù)密度大，造成材料浪費(fèi)和進(jìn)度緩慢；有的區(qū)域壓力異常而不采取其他措施，導(dǎo)致頂板變形嚴(yán)重。
?、坼^桿、錨索預(yù)應(yīng)力過低，初始支護(hù)強(qiáng)度低，無法發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用，致使部分異常區(qū)域在較大支護(hù)密度下仍變形嚴(yán)重。
?、苠^桿、錨索構(gòu)件不合理，比如托板不可調(diào)心、鋼筋托梁太窄等，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散差，支護(hù)體受力狀態(tài)差。
?、蒎^桿、錨索支護(hù)密度不匹配，導(dǎo)致有的區(qū)域支護(hù)過密，有的區(qū)域又不合理。綜合以上情況，昌泰煤業(yè)原有支護(hù)缺乏一定的力學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和靈活性，大大影響了掘進(jìn)速度和頂板安全，進(jìn)而影響到了礦井的高產(chǎn)高效。因此，非常有必要對礦井的支護(hù)進(jìn)行改革，依據(jù)各種基礎(chǔ)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，做到在保證頂板安全的提前下，盡可能地提高掘進(jìn)速度。
2高預(yù)應(yīng)力支護(hù)方法的應(yīng)用
針對以上情況，通過和北京天地科技股份有限公司合作，采用高預(yù)應(yīng)力支護(hù)方法進(jìn)行支護(hù)，其核心為高預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散[1]。采用動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，主要包括地質(zhì)力學(xué)測試、初始設(shè)計(jì)、井下試驗(yàn)反饋等幾個(gè)關(guān)鍵階段。下面以12101工作面作為試驗(yàn)巷道進(jìn)行應(yīng)用，12101工作面斷面呈矩形，掘進(jìn)寬4.2m，高3.1m，掘進(jìn)斷面積為13m2，沿煤層底板掘進(jìn)，屬于普通回采巷道，服務(wù)一個(gè)工作面。
2.1地質(zhì)力學(xué)測試在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)前，必須進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)力學(xué)測試，以便獲得相對準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)，主要包括：地應(yīng)力大小及方向、煤層及頂板的原位單軸抗壓強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)面的分布等[2]。地應(yīng)力測試采用水壓致裂法平面應(yīng)力測量進(jìn)行，鉆孔為垂直鉆孔，即垂直主應(yīng)力根據(jù)煤層埋深推算得到。根據(jù)巖體的破裂壓力和彈性力學(xué)平面問題求解得到最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，即原巖中的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。圍巖強(qiáng)度采取原位鉆孔觸探法進(jìn)行，圍巖結(jié)構(gòu)采用全景式電子鉆孔窺視儀進(jìn)行分析。地應(yīng)力測量結(jié)果如表1所示，3個(gè)測站最大水平主應(yīng)力（σH）均大于垂直應(yīng)力，垂直應(yīng)力（σV）均大于最小水平主應(yīng)力（σh）。從量值上來劃分，昌泰煤業(yè)公司應(yīng)力場量值屬于低應(yīng)力值區(qū)域。在數(shù)值上為σH>σV>σh型，即最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，類型為水平應(yīng)力場。
12101工作面測點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹7.1°E，12101工作面布置方向?yàn)镹41°E，與最大水平主應(yīng)力之間的銳角為33.9°，根據(jù)澳大利亞學(xué)者W.J.Gale的最大水平應(yīng)力理論，頂板右側(cè)受地應(yīng)力的影響，會(huì)形成應(yīng)力集中，相對破壞嚴(yán)重。該處頂板0～1.7m為煤，黑色，裂隙發(fā)育；1.7～10.6m為泥質(zhì)砂巖，深灰色，2.0m處較破碎，6.0～6.3m之間非常破碎，形成空洞，8.6～8.7m及9.0m處離層明顯，其他地方橫向裂隙較發(fā)育；10.6～11.7m為煤，黑色，較完整；11.7～15.2m為砂質(zhì)泥巖，灰色，其中14.6～15.1m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，巖層較破碎；15.2～20.8m為中粗砂巖，灰白—深灰色，整體完整，局部有離層。
地質(zhì)力學(xué)測試所測區(qū)域內(nèi)頂板10m范圍內(nèi)頂板巖層強(qiáng)度主要集中在20～80MPa之間，12101工作面測點(diǎn)巖層強(qiáng)度2.5～9m內(nèi)平均55MPa，9～10m范圍內(nèi)為10MPa；煤體強(qiáng)度大部分集中在6～24MPa之間，12101工作面測點(diǎn)煤體強(qiáng)度集中在6～15MPa之間，平均為10MPa。
從地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果看，昌泰煤業(yè)開拓區(qū)域?qū)儆诘貞?yīng)力場類型，頂板巖層強(qiáng)度中等，局部有離層，整體較為完整。
2.2試驗(yàn)巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)過數(shù)值模擬多方案比較，確定12101工作面采取高強(qiáng)錨桿、錨索組合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)。
頂板支護(hù)：錨桿為335號左旋無縱筋螺紋鋼，直徑為22mm、長度為2400mm，配合相應(yīng)的調(diào)心球墊、減摩墊片及拱形高強(qiáng)度托板，間排距為1000mm×1000mm，組合構(gòu)件為D14mm鋼筋焊接的寬度為80mm的鋼筋托梁；錨索材料為D18.9mm、1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長6300mm，間排距為1500mm×2000mm；頂板鋪設(shè)10號菱形金屬網(wǎng)。
兩幫支護(hù)：內(nèi)側(cè)幫采用玻璃鋼錨桿配合木托板支護(hù)，外側(cè)幫采用與頂板錨桿相同規(guī)格的錨桿及附件，用鋼筋托梁聯(lián)接；內(nèi)側(cè)幫鋪設(shè)塑料網(wǎng)，外側(cè)幫鋪設(shè)10號菱形金屬網(wǎng)。
按照高預(yù)應(yīng)力要求，錨桿預(yù)緊力矩需達(dá)到300N·m，錨索初次張拉到250kN。支護(hù)布置如圖1所示。
3支護(hù)效果及礦壓監(jiān)測
試驗(yàn)巷道施工后，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，主要包括錨桿受力及巷道表面變形監(jiān)測。
左幫錨桿受力較大，最大為104kN，平均為95kN；頂板錨桿雖然由于頂煤松軟等原因?qū)е鲁跏碱A(yù)緊力不大（僅為30kN左右），但錨桿受力變化幅度不大，最大僅為70kN，平均為43kN。從錨桿受力來看，錨桿受力最大為屈服強(qiáng)度的77.6%，既滿足了支護(hù)的需要，又充分利用了錨桿的強(qiáng)度，做到了經(jīng)濟(jì)合理。
巷道的表面變形在距離迎頭40m范圍內(nèi)增加較快，40m以后逐漸趨于穩(wěn)定；但總體變形較小，頂板下沉量在掘進(jìn)影響期內(nèi)為20mm，兩幫移近量為47mm。與原有支護(hù)相比，現(xiàn)在支護(hù)密度大大降低，巷道的變形也相對較小，表明該支護(hù)參數(shù)在保證頂板安全的同時(shí)，提高了掘進(jìn)速度，能滿足礦井高產(chǎn)高效的需要。
4結(jié)論
?、俨┟簶I(yè)為整合礦井，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，支護(hù)設(shè)計(jì)隨意性大，有必要進(jìn)行詳細(xì)的研究，使設(shè)計(jì)趨向合理高效。
?、诓捎酶哳A(yù)應(yīng)力支護(hù)理論進(jìn)行錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)，在進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測試和數(shù)值模擬多方案比較后，確定支護(hù)參數(shù)，井下進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)通過礦壓監(jiān)測反饋進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。
?、坌轮ёo(hù)方案試驗(yàn)后，巷道支護(hù)狀況大大改觀，礦壓監(jiān)測表明，支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，能保證礦井的高產(chǎn)高效。
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