煤炭巷道錨桿支護方案設計應用
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摘要：針對某煤炭巷道錨桿錨索支護存在的諸多問題，設計了“高強錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索”的支護形式，提出了具體的實施方案。借助FLAC5.0數(shù)值模擬軟件，分析了改進支護形式下巷道圍巖的應力位移分布狀態(tài)，結果表明，改進支護形式減小了巷道最大應力分布范圍，降低巷道側壁最大位移量。應用結果表明，改進支護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量，改進效果顯著。
引言
錨桿支護作為煤炭巷道掘進作業(yè)的一種主動支護形式，因其具有支護強度高、工作穩(wěn)定可靠、成本低廉等優(yōu)勢，現(xiàn)已得到了廣泛的應用[1-2]。巷道掘進過程中取出煤炭的同時會破壞周圍巖層，若不及時支護處理，將會自行脫落，導致巷道阻塞甚至出現(xiàn)安全事故，必須采用可靠的支護方式才能保證巷道掘進工作的有序進行[3]。厚煤層巷道掘進時巷道周圍多為煤炭，支護技術要求較高，傳統(tǒng)的錨桿錨索支護難以滿足支護要求，極易出現(xiàn)較大的巷道側壁變形、錨桿支護失效或破壞等問題。因此，針對某煤炭巷道錨桿錨索支護存在的問題，設計新的巷道錨桿支護方案，對于提升巷道工作的穩(wěn)定性及安全性具有重要意義。
1工作面概況及問題
某工作面現(xiàn)處于煤炭掘進中，其布置結構為一進二回三巷。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，內生裂紋，夾有鏡煤條和薄層暗煤。整個工作面內部不存在斷裂構造，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，無規(guī)律可循，對煤層厚度和煤的質量影響較大。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。當前工作面巷道支護方式為錨桿錨索支護，現(xiàn)場支護效果表現(xiàn)出了若干問題：第一是錨桿強度遠遠大于錨桿托盤的強度，限制了錨桿優(yōu)勢的發(fā)揮。第二是兩幫掛網(wǎng)的防護效果不佳，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)生位移時不能及時起到護幫效果。第三是護幫附件防護能力不足，主要是材料強度較小，使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)變形或者破壞。第四是錨索托板的強度不足，單薄的托板不能抵抗較大的變形應力，限制錨索力的傳遞。第五是錨桿錨索預緊力不足，實際支護結構中的預緊力僅有幾噸，無法形成頂板主動支護。由此可見，現(xiàn)有巷道錨桿支護不能滿足安全支護要求，有必要進行錨桿支護方案的優(yōu)化設計。
2方案設計
基于工作面基本情況及當前存在的問題，查閱文獻資料確定了“高強錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索”支護形式，具體的巷道錨桿支護方案如下。
2.1頂板錨桿
將原有頂板錨桿更換為Φ20mm×3100mm規(guī)格的高強度錨桿，表面無縱筋，制備材料為MG500螺紋錨桿鋼，延伸率高達17%。錨桿布置垂直于頂板，每排設置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度。頂板加強錨固時采用K2360和M2370樹脂藥卷，鉆孔直徑尺寸設計為Φ25mm，采用W鋼帶進行護頂，鋼帶規(guī)格為5000mm×280mm×4mm（長×寬×厚）。更換錨桿托盤，選擇規(guī)格為150mm×150mm×16mm（長×寬×厚）的高強度托盤進行頂板支護。為了增加錨桿支護的效果，提高錨桿初始預緊力，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技術的重要組件，進行了如下改進，錨索的長度設計為8400mm，排間距為1600mm，錨索間距為1600mm，為了提高支護效果，錨索設計為每排3根，布置時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×寬×厚）。錨索組合構件選擇W帶鋼，其規(guī)格為4500mm×250mm×4mm（長×寬×厚），配合使用時要求其初始預緊力不能小于200kN。
2.3兩幫錨桿
將巷道兩幫原有錨桿更換為Φ18mm×2500mm規(guī)格的高強度錨桿，表面無縱筋，螺紋左旋，制備材料為MG500，延伸率高達17%。錨桿布置垂直于兩幫，每邊布置4根錨桿，安裝之后的預緊力要求不小于400N•m。巷道兩旁加長錨固選擇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。護幫選擇W鋼板，規(guī)格為450mm×280mm×5mm（長×寬×厚），拖盤的規(guī)格為120mm×120mm×10mm（長×寬×厚），保證具有足夠的承載能力。巷道煤柱一側布置Φ6金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm，工作面一側布置高強度塑料護幫，網(wǎng)孔規(guī)格為40mm×40mm。
3應用效果評價
為了驗證巷道錨桿支護改進方案的性能，應用于巷道支護現(xiàn)場，結合巷道實際情況對巷道變形和錨桿受力進行了監(jiān)測并進行了統(tǒng)計。
3.1錨桿錨固力監(jiān)測結果與分析
隨機選擇工作面巷道支護中的16根錨桿，其中8根為頂板支護錨桿，8根為兩幫支護錨桿，進行拉拔試驗，統(tǒng)計結果如圖1所示。由圖1統(tǒng)計結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質量很好，錨桿承受的拉拔力較為均勻，滿足巷道錨桿支護的要求。巷道錨桿支護方案改進之前，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。對比巷道錨桿支護方案改進前后的錨桿拉拔力可以看出，改進之后錨桿支護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更加穩(wěn)固。
3.2巷道圍巖表面位移觀測結果與分析
選取掘進巷道內起始點、中間點和采煤點布置變形檢測裝置，標記為1#、2#、3#，各點均采集其頂板和兩幫的移近量。通過結果統(tǒng)計可以看出，隨著支護時間的延長，頂板和兩幫的移進量呈現(xiàn)增加趨勢，直至趨于平穩(wěn)不變，頂板移進量最大值為70mm，兩幫最大移進量為80mm。支護方式改進之前，頂板移進量最大值為130mm，兩幫最大移進量為100mm。對比支護形式改進前后的最大移進量可以得出，頂板移進量降低了50mm，兩幫最大移進量降低了20mm，取得了很好的改進效果。
4結語
通過分析設計結果表明，相較于支護方式改進之前，改進支護形式使巷道最大應力分布范圍減小了700mm，巷道頂板最大位移降低了128mm，兩幫最大位移量降低了83mm。應用結果表明，支護形式改進之后的頂板錨桿拉拔力增加約25kN，最大移進量減小50mm，兩幫錨桿拉拔力增加約10kN，最大移進量減小20mm，錨桿支護形式改進效果顯著。
參考文獻
[1]白宇.煤礦巷道錨桿支護技術應用探討[J].江西煤炭科技,2018,00(01):77-79.
[2]張晶,李金龍.煤礦軟巖巷道錨桿支護參數(shù)設計研究[J].陜西煤炭,2018,177(04):68-70.
[3]陳明明.煤礦掘進巷道錨桿支護方式的應用與研究[J].建筑工程技術與設計,2018,00(23):4954.
作者：亢建華 單位：山西寧武大運華盛能源集團有限公司
