陳家山煤礦綜放工作面全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)

1、陳家山煤礦綜放工作面全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)：Bolt-mesh-anchorsupportisakindofmainsupportformforcoalmineshaftengineering.Inthispaper，inviewofthebolt-mesh-anchorsupportformofChenjiashanCoalMine，thesupportingmechanismofcoalroadwayisanalyzedindetail.Inviewofcharacteristicsofcoalroadway，combinedwithbolt-mesh-anchorsupportexper

2、ienceoffullymechanizedcavingfacecoalroadway，apracticalsupportwayfortheChenjiashanCoalMine4-2coalisprovided.Thesupportmethodcanreducethecostofsupport，solvethehiddentroubleofcoalspontaneously，therebyreducingthelaborintensityofworkers，soithassignificanteconomicandsocialbenefits.0引言陳家山煤礦綜采放頂煤工作面運(yùn)回順均沿煤層底

3、板掘進(jìn)，巷道頂板和兩幫皆為煤體，維護(hù)困難，采用架棚、金屬支架支護(hù)易產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和破壞，需經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)處理。由于有煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)，在回采工作面前方還需要替棚，工序復(fù)雜而又危險(xiǎn)。錨網(wǎng)索支護(hù)目前做為一種主要支護(hù)形式，具有加固圍巖、提高圍巖強(qiáng)度及其承載力的作用，支護(hù)效果好，成本低，且有利于工作面兩端頭維護(hù)。1 巷道的地質(zhì)條件陳家山煤礦427工作面運(yùn)回順、切眼，巷道總長(zhǎng)為4050m，427工作面開采煤層為侏羅紀(jì)4-2煤，煤層底板起伏較大，底板標(biāo)高為1009-895m,煤層埋藏深度為420-540m,厚度為1.1- 12.2m,平均7.83m（不含夾肝），變化較大，但規(guī)律明顯，煤層趨勢(shì)總體由薄變厚。埋

4、藏最深處位于設(shè)計(jì)的427回順側(cè)，停采線向里52m處；最淺處位于427運(yùn)順側(cè)，427切眼向外370m處。該區(qū)段煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1-4層，夾矸巖性多為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖和泥巖，單層厚0.1-0.8m，總厚度平均0.5m。煤層節(jié)理和裂隙發(fā)育，性脆易碎，普氏硬度指數(shù)2.5-3，單向抗壓強(qiáng)度7.8-20.6mPa。地表為山岳地形，溝深林密，對(duì)應(yīng)位置為太白山向東北方向經(jīng)春林河至崖頭，海拔高度1490-1316m,地形復(fù)雜，相對(duì)高差較大。地表出露地層以第四系（Q4）黃土及松散沉積物為主，次為白堊系（K1）砂礫巖和砂巖沉積。427區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，總體呈單斜構(gòu)造，傾向南北，中里段以新民村向斜構(gòu)造為主，軸

5、向N15E，?梢砬憬瞧交海?一般在5以下。設(shè)計(jì)的運(yùn)順煤巖層傾角為132-540,平均329,同順042-614,平均318,煤巖層傾角030-6,平均3,兩順高差0-15m,同順比運(yùn)順高。4-2煤直接頂由粉細(xì)砂巖、4-1煤層組合而成的復(fù)合型I類頂板，厚度1.35-5.12m,平均3.27m,穩(wěn)定性差，強(qiáng)度較低，單向抗壓強(qiáng)度9-14.6MPa,普氏硬度系數(shù)f=2.5-5.0。老頂由中細(xì)粒砂巖、3#煤煤線組合而成，厚度9.75-31.68m，平均20.75m，普氏硬度系數(shù)f=6-8，單向抗壓強(qiáng)度24.9-51.2MPa，穩(wěn)定性較好，屬n級(jí)頂板。底板由上而下為炭質(zhì)泥巖，黑色、塊狀、含炭質(zhì)，厚度0.1

6、-2.88m，平均1.1m；其次根土巖：灰色，塊狀，含砂質(zhì)，局部含鋁質(zhì)，植物化石及少量FeS2結(jié)核，質(zhì)脆，遇水膨脹，厚1.86- 5.5m,平均3.7m。最后為砂質(zhì)泥巖：灰、灰綠、暗紫紅色，中厚層狀，具應(yīng)力面和花斑狀，中夾粉砂巖薄層，泥質(zhì)膠結(jié)，厚3.91-31.4m，平均13.94m。2 全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)井下工業(yè)性應(yīng)用2.1 支護(hù)方案427兩巷設(shè)計(jì)斷面形狀均為直墻圓弧拱型（本文以427運(yùn)順為例進(jìn)行說明），運(yùn)順斷面S掘=16.1m2,S凈=15.1m2;巷道毛寬5.0m,凈寬4.8m；毛高3.4m,凈高3.3m；墻高2.8m。巷道頂板錨桿從巷道拱頂正中按設(shè)計(jì)間排距尺寸向周圍兩邊均勻布置，采用1

7、8X2250mm（編碼CKJS-C-M螺18-001）螺紋鋼錨桿支護(hù)，每排7根；幫部采用16X2250mm（編碼CKJS-C-M螺16-003）圓鋼錨桿支護(hù)，每排8根；錨桿間排距為800X900mm頂部錨桿每眼使用1節(jié)Z2335、1節(jié)Z2360樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)950mm幫部錨桿每眼使用2節(jié)Z3530樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度600mm同時(shí)每根錨桿配備S8X120X120mm鐵托板一塊，加厚防松螺母1個(gè)；網(wǎng)采用2.6X1100X11000mm菱形鐵絲網(wǎng)支護(hù)；每排使用3根10X70X3000?L鋼筋衍架托梁，并用扎絲雙排邁步式連接；頂部錨索采用15.24X7300mmffi絞線，間排距1600mm：2

8、700mm雙排矩形布置，同時(shí)配備M12X600mm曹鋼一塊、58X150X80mm墊板和鎖具一個(gè)。在巷道右側(cè)幫部打一組組合錨梁，每個(gè)錨梁配2根錨索，錨索規(guī)格為15.24X4900mm錨梁規(guī)格為12#x1500mmi曹鋼，間距為2700mm每根錨索使用2節(jié)Z2335、2節(jié)Z2360樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度1900mm。永久支護(hù)距工作面的最大距離為1100mm最小距離為200mm。注：每掘進(jìn)300m加一排絕緣隔離帶（塑料網(wǎng)）。2.2 錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算按桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則對(duì)錨桿直徑進(jìn)行計(jì)算：式中：d錨桿直徑，cm；Q錨桿錨固力，70kN;St抗拉強(qiáng)度，取380MPa代入得d=0.48cm

9、礦井實(shí)際使用18mml桿，符合支護(hù)要求。按單體錨桿懸吊作用計(jì)算錨桿長(zhǎng)度：L=L1+L2+L3式中：L錨桿總長(zhǎng)度，m；L1錨桿外漏長(zhǎng)度，取0.1m；L2有效長(zhǎng)度（取免壓拱高bl）,m；L3錨桿錨入堅(jiān)固穩(wěn)定巖層的深度（頂錨桿取0.7m,幫錨桿0.3m）；L2=b1=1/fXB/2+Hcot（45+小w/2）式中：B、H巷道掘進(jìn)跨度和高度，B=5.0m,H=3.4m；f頂板巖石普氏系數(shù)，取3;小w-一兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，小w取63.43（查表可知）結(jié)合上述公式計(jì)算可得出：L2=1.16m；頂錨桿長(zhǎng)度L頂=0.1+1.16+0.7L頂=1.96m；幫錨桿長(zhǎng)度L幫=0.1+1.16+0.3L幫=1.56

10、m；礦井實(shí)際使用錨桿長(zhǎng)度2.25m,符合支護(hù)要求。按單體錨桿懸吊作用計(jì)算錨桿間距：式中：a錨桿間距，mmCH錨桿錨固力，70kN;安全系數(shù)，一般取2;丫一巖體容重，26.7kN/m3;L2巷道頂板巖層破碎帶高度，取且1.16m。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：a=1.16m礦井實(shí)際為0.8X0.9m,符合支護(hù)要求。錨索支護(hù)驗(yàn)算：根據(jù)地質(zhì)鉆孔柱狀圖參考分析得知，直接頂無堅(jiān)硬巖層。為有效防止巷道頂板巖層發(fā)生大面積或整體垮落，選用？準(zhǔn)15.24mm7300mm的鋼絞線，每排施工2個(gè)錨索，將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅(jiān)硬巖層中。冒落方式按最嚴(yán)重的冒落高度大于錨桿長(zhǎng)度的整體冒落進(jìn)行考慮，此時(shí)，靠巷道兩幫的角錨桿和錨

11、索一起發(fā)揮懸吊作用，同時(shí)在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，利用垂直方向力的平衡，?x用懸吊理論校核錨索排距：L=nF2/(BHy-2F1sin8)/L1式中：L錨索排距，m；F1錨桿錨固力，70kN;B-一巷道冒落寬度，取5.0m；H巷道冒落高度，按最嚴(yán)重冒落高度取2.0m；r巖體容重，26.7kN/m3;L1錨桿排距，0.90m；F2錨索的極限承載力，取230kN;e角錨桿與巷道頂板夾角，75；n錨索每排個(gè)數(shù)，取2個(gè)。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得L=3.11m礦井實(shí)際為2.7m,符合支護(hù)要求。由以上驗(yàn)算數(shù)據(jù)可知，陳家山煤礦所選用的錨桿規(guī)格、錨桿間排距、錨桿長(zhǎng)度及錨索間排距符合支護(hù)要求，為增加支護(hù)的安全系

12、數(shù)，又采用鐵絲網(wǎng)等一系列補(bǔ)強(qiáng)措施，加強(qiáng)了各巷道的支護(hù)強(qiáng)度。2.3 巷道支護(hù)斷面圖巷道支護(hù)斷面圖如圖1所示。3 施工方法及技術(shù)要求3.1 施工方法巷道掘進(jìn)施工均采用EBJ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割施工，短掘短支一次成巷；配40T刮板輸送機(jī)與80膠帶輸送機(jī)出煤，頂部錨桿眼、錨索眼施工和錨固用MQT-85風(fēng)動(dòng)錨索機(jī)施工。工作面最大空頂距1100mm最小空頂距200mm堅(jiān)持割一排，支護(hù)一排。3.2 技術(shù)要求毛斷面巷道輪廓尺寸誤差為0+200mm錨桿間排距誤差為0100mm安裝角度誤差不超過土50。錨桿、錨索眼深誤差不得超過50mm。錨固劑攪拌必須一次完成，嚴(yán)禁二次攪拌，一次攪拌時(shí)間不超過30秒。網(wǎng)壓在20

13、0mm扣距150200mm用扎絲雙排邁步式連接牢固，無壓茬或小于50mm連接距超過200mmg未連接屬不合格。網(wǎng)必須掛到底、掛齊。頂板錨桿、錨索預(yù)緊力為100kN,老空側(cè)幫錨桿錨固力為60kN,每天抽查一次，達(dá)不到要求必須及時(shí)補(bǔ)打錨桿、錨索，從而保證支護(hù)強(qiáng)度。4 全煤巷道錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理分析目前錨網(wǎng)索支護(hù)有多種理論：懸頂理論、組合梁理論、組合加固拱理論、擠壓連接作用等。這些理論與學(xué)說在一定時(shí)期對(duì)厚煤層錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。經(jīng)研究實(shí)踐證明：錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到60-70kN的范圍時(shí)，即可有效地減小巷道圍巖變形幅度，又有效控制了巷道頂板的下沉量及頂板離層。特別是該預(yù)應(yīng)力達(dá)到臨界值后，支護(hù)系

14、統(tǒng)就能控制住圍巖變形。基于高水平地應(yīng)力的相關(guān)作用，提出了“剛性”梁頂板，充分利用水平應(yīng)力來維護(hù)頂板的穩(wěn)定性。所以，錨桿預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)頂板的穩(wěn)定性起決定性作用，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)以及錨桿以外的頂板離層得以消除。錨桿預(yù)應(yīng)力的作用在于給頂板及時(shí)提供很高的工作阻力以形成“剛性”頂板，“剛性”頂板本身提供了一個(gè)壓力支撐機(jī)構(gòu)，不存在橫向彎曲變形，只有縱向的微小膨脹和壓縮變形。建立“剛性”梁頂板可提高頂板整體的抗剪強(qiáng)度，使其破壞程度不向頂板縱深方向發(fā)展。在該條件下頂板的垂直壓力被轉(zhuǎn)移到兩側(cè)煤體縱深，巷道兩側(cè)煤體壓力減少，片幫現(xiàn)象得以緩和，與無預(yù)拉力錨桿支護(hù)相比較，高預(yù)應(yīng)力主動(dòng)錨桿支護(hù)的原

15、則是先護(hù)頂，后護(hù)幫，在一定極限范圍內(nèi)，頂板穩(wěn)定性與巷道跨度關(guān)系不是很大，頂部錨桿的高預(yù)拉力作用是維護(hù)頂板的“剛性”，而兩幫錨桿的作用是維護(hù)兩幫煤體的整體性和完整性，這一支護(hù)理論彌補(bǔ)了“松動(dòng)圈”理論的缺陷，使在相對(duì)簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件下采用大間排距錨網(wǎng)索支護(hù)成為可能。同時(shí)頂部錨桿間通過鋼帶或托梁、菱形金屬網(wǎng)橫向連接成整體，相互作用，防止煤炮或掘進(jìn)過程中破碎煤體的冒漏，組合錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)使錨固區(qū)具有很好的剛度，其自身穩(wěn)定性很強(qiáng)，尤其對(duì)內(nèi)部圍巖起阻止和限制作用，頂板的破壞性也大大減少?；凇皠傂浴绷褐ёo(hù)理論開發(fā)出的高性能預(yù)拉力錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)已在淮北、淮南、彬長(zhǎng)等地得到大范圍推廣應(yīng)用，并取得成功。5 礦壓觀

16、測(cè)結(jié)果陳家山煤礦安裝的是KJ24礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了錨桿應(yīng)力和頂板離層不間斷監(jiān)測(cè)。頂板離層監(jiān)測(cè)每隔300m設(shè)置1處，巷道表面位移監(jiān)測(cè)分別設(shè)3-5處，錨桿、錨索承載監(jiān)測(cè)設(shè)1-2處，螺母擰緊力矩每班必須安排專人進(jìn)行抽查，所需儀器規(guī)格及數(shù)量見表2。為準(zhǔn)確掌握巷道圍巖的變形規(guī)律，在掘進(jìn)巷道開始時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行巷道圍巖表面位移觀測(cè)。圍巖表面位移觀測(cè)主要包括頂?shù)装宓囊平剩↘）,巷道兩幫移近率（S）,觀測(cè)結(jié)果如下：巷道剛開始掘進(jìn)期間頂板下沉量分別為35-48mni兩幫移近量98-125mni說明巷道圍巖位移以兩幫為主，頂部高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索支護(hù)發(fā)揮了有效作用，形成“剛性”梁頂板，使頂部壓力向兩幫煤體縱深轉(zhuǎn)移，

17、可見頂板支護(hù)是厚煤層巷道支護(hù)的一個(gè)重點(diǎn)?；夭善陂g工作面超前影響距離40-50m左右，劇烈影響范圍在20m左右，頂板下沉量為280-400mm最大變形速度為6-7.5mm/d;兩幫移近量為120-300mm最大變形速度4.6-5.4mm/d。在此期間巷道變形量占巷道總變形量的70%以上，可見全煤錨網(wǎng)索支護(hù)巷道受回采巷道影響顯著。通過礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得知，全煤錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理對(duì)幫頂支護(hù)效果較好，其變形量特點(diǎn)是：掘進(jìn)階段以水平（即兩幫）移近為主，而在回采階段受采動(dòng)影響則以垂直（即頂?shù)祝┮平鼮橹鳌?結(jié)論錨網(wǎng)索支護(hù)體系是主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)、短掘短支等最大程度上實(shí)現(xiàn)了頂板在暴露后未出現(xiàn)離層和在未受到頂板最大應(yīng)力影響之前，就完成了巷道支護(hù)，及時(shí)有效控制了頂板下沉量，增強(qiáng)了頂板抗剪強(qiáng)度，充分發(fā)揮了錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)性