百良旭升煤矿515 皮带巷支护方案优化研究

2023-03-07张鹏

山东煤炭科技 2023年1期

张鹏

（陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西渭南 714000）

巷道安全是煤矿安全生产的关键，巷道是否满足安全生产取决于多个因素，其中最主要的是矿区的地质条件、合理的支护设计、施工质量、矿压监测等[1-3]。基于此，以澄合矿区白良旭升煤矿515 工作面皮带巷为研究对象，针对该巷变形量大、锚杆断裂等支护失效问题进行具体分析，并提出支护优化方案，以期有效解决矿井复杂地质条件下巷道支护难题。

1 工作面概况

515 工作面皮带巷主要用于515 工作面进风（行人）及运煤，设计长度675 m，已掘进213 m，沿5#煤顶板掘进，为实煤体掘进巷道，不受采动影响，埋深500 m 左右。该区域煤层厚度4.3～6.6 m，平均厚5.0 m，煤层倾角2°～6°，平均4°，为近水平煤层。5#煤层直接顶为细粒砂岩，均厚3 m，岩体强度平均值为48.68 MPa，细粒砂岩上部为K4 灰岩，均厚6 m，强度平均值为56.36 MPa；5#煤层底板以石英质粉细粒砂岩为主。515 皮带巷为矩形断面，正常支护方式为锚网索，巷宽4.8 m，巷高3.6 m，掘进断面17.28 m2，净断面15.84 m2；遇特殊地质构造时，变更为三心拱形，支护方式为锚网索+U 型棚，巷宽5.2 m，巷高3.6 m，掘进断面14.92 m2，净断面13.86 m2。巷道布置如图1。

图1 515 皮带巷布置图

2 存在的支护问题与原因分析

2.1 原支护形式与支护参数

（1）锚网索支护

515 皮带巷原设计正常支护方式为锚网索，采用HRB500 左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，杆体直径20 mm，锚杆长度2.4 m，托板规格为150 mm×150 mm×8 mm 拱形铁托板，同时配合300 mm×265 mm×2.5 mm 型W 钢护板使用。锚杆锚固方式为加长锚固，锚固剂型号为MSZ2360 型树脂锚固剂，每根锚杆使用2 支锚固剂。锚杆间排距为700 mm×800 mm。锚杆螺母扭矩不小于260 N·m；锚索规格：Ф18.9 mm、1×7 股钢绞线，长度8300 mm，300 mm×300 mm×12 mm 配套金属托盘。锚索锚固方式为加长锚固，使用4 支MSZ2360 型树脂锚固剂锚固。锚索间距1.4 m，排距1.6 m，每排4 根。顶板金属网：采用10#镀锌铁丝编织成的铁丝网，网孔规格为50 mm×50 mm，铁丝网规格为900 mm×5400 mm。锚网索支护断面如图2。

图2 515 皮带巷锚网索支护断面图（mm）

（2）架棚支护

515 皮带巷遇特殊地质构造时，变更为三心拱形，采用架棚配合锚网索支护。金属棚使用29U型钢加工而成，棚距800 mm，架间连锁方式采用拉杆（长674 mm，每架3 根）。刹顶木采用规格为Φ140 mm×1200 mm 的半圆木，材质杂木。锚杆间排距800 mm×800 mm，锚索间排距1600 mm×1600 mm，每排5 根，其他支护参数同原锚网索支护参数一致。支护断面如图3。

图3 515 皮带巷锚网索+U 型棚支护断面图（mm）

2.2 出现的支护问题与原因分析

515 工作面皮带巷掘进213 m 后，根据采掘接替安排，暂停掘进6 个月，期间巷道密闭，6 个月后打开巷道，发现采用锚网索支护的巷道围岩变形量较大，顶板最大下沉量达210 mm，帮部最大位移量320 mm。此外，巷道出现多处锚杆断裂。经初步分析，造成巷道围岩变形量大的主要原因为锚网索支护失效，具体原因分析如下：

（1）锚杆配件不合理导致受力不均。通过检查现场断裂锚杆，发现断裂位置均为锚杆外端托盘处。根据该断口分析，属剪切断裂。为此，通过对原支护所用的锚杆托盘进行查看及检测，发现托盘实测厚度为7 mm，拱高29 mm，且无调心球窝。此类型托盘在遇到巷道表面不平或锚杆角度过大的情况下，螺母与垫片不能平行紧贴，导致杆体受力不均匀。同时，因托盘无调心作用，锚杆受力不均匀，锚杆螺纹段出现剪切断裂。

（2）锚杆预紧力偏低。锚杆预紧力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。当预紧力偏低时，则不能很好地控制围岩变形。因此，必须选择合适的锚杆预紧力值，以实现对围岩离层和滑动的有效控制。原支护螺母预紧力为260 N·m，且通过现场查看，螺母与锚杆托盘间无减磨垫片，则初步判定锚杆扭矩与锚杆预紧力转化效率低，从而导致锚杆预紧力低。

通过检测不同锚杆扭矩下得到的锚杆预紧力，检测出锚杆扭矩200 N·m 时，锚杆预紧力为24.1 kN；扭矩260 N·m 时，锚杆预紧力为36.4 kN；扭矩300 N·m 时，锚杆预紧力为42.8 kN。计算得出锚杆扭矩与锚杆预紧力的平均转化率为13.6%。锚杆预紧力要达到控制围岩变形的目的，应达到杆体屈服载荷标准值的30%～60%，而HRB500 螺纹钢Ф20 mm 的锚杆屈服载荷为157 kN，则预紧力范围应为47.1～94.2 kN。由此判定，原支护锚杆预紧力偏低，不能很好地控制围岩变形。

锚杆预紧力与锚杆扭矩成正比，锚杆预紧力、扭矩、螺纹规格及摩擦系数之间关系如式（1）：

式中：f1为锚杆螺母与锚杆丝端间摩擦系数；f0为锚杆螺母与托盘或垫圈间摩擦系数；d2为锚杆丝端螺纹直径，mm；d0为垫圈内径，mm；D1为螺母与垫圈接触直径，mm；s为丝端螺纹间距，mm；s=nt；n为螺纹头数；t为螺距，mm；M为螺母预紧力矩，kN·m；P0为锚杆预紧力，kN。

若令：

则锚杆预紧力与螺母预紧力矩之间的关系可表示为：

可见，锚杆预紧力与螺母扭矩成正比，同时取决于系数k。影响k值大小的关键因素为：① 螺母与锚杆丝端的摩擦系数f1，f1越大，k值越小；②螺母与托盘或垫片间的摩擦系数f0，f0越小，k值越大；③ 锚杆直径，锚杆越粗，k值越小。因此，要提高锚杆力矩与锚杆预紧力的转化率，在锚杆材质不变情况下，需减少螺母与托盘间的摩擦系数，即增加减磨垫片，同时尽量选择直径较粗的锚杆。

3 支护优化方案

根据存在的支护问题及原因分析，将515 皮带巷支护方案优化如下：

（1）锚网支护形式及规格。锚杆采用HRB500左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，杆体直径增大至22 mm，锚杆长度仍为2.4 m，螺母采用高强扭矩螺母。顶板锚杆间距840 mm，排距800 mm，每排6根锚杆。采用一支MSK2335 锚固剂及一支MSZ2360 锚固剂加长锚固。采用拱型高强度托盘，钢材型号不低于Q235，规格为边长150 mm 的方形托盘，托盘厚度10 mm，螺母与托盘间配减阻尼龙垫圈和调心球垫。采用W 型钢梁作围岩护板，W 型钢梁厚度5 mm，宽度280 mm，长度2.4～4.5 m。采用8#铁丝编织的菱形网护顶，网格为50 mm×50 mm，规格为4800 mm×900 mm，网搭接长度不得小于2 个网孔，并采用14#铁丝联网，联网采用双排扣“三花”联网，联网间距不得大于3 个网孔。锚杆螺母扭矩不得不低于450 N·m。

（2）锚索形式和规格。锚索采用直径21.8 mm、1×19 股的1860 高强度预应力钢绞线，长度8.3 m，采用3 支树脂锚固剂锚固，一支MSK2335锚固剂在前，两支MSZ2360 树脂锚固剂在后。锚索托盘采用边长为300 mm 的高强度拱形可调心方形托盘，托盘厚度14 mm，托盘拱高60 mm。锚索布置为每排3 根布置，排距1600 mm。中间锚索安装在巷道中线，两边锚索距离中间锚索1500 mm，间距1500 mm。锚索初始张拉力不得小于250 kN。

4 优化后效果分析

在优化支护后的巷道内每隔50 m 设一个矿压监测站，共设4 个监测断面，每隔7 d 观测一次围岩变形量。待所有测站围岩变形量趋于稳定后，将各测站围岩变形量数据绘制变形曲线图如图4。

图4 巷道围岩变形曲线图

根据图4 可知，支护形式优化后，前35 d 内围岩变形速率较高，35 d 后围岩变形量趋于稳定，1#、2#断面处变形量最大，最大变形量54 mm，且已处于稳定状态，其他几个观测点最大变形量均在37 mm 以下。根据该观测结果可知，优化支护后，围岩变形量均处于轻微变形状态，且后期已处于稳定状态。同时，根据现场观察，未发现有变形量大、锚杆断裂等支护失效情况，表明优化后的锚网索支护能够有效控制围岩变形。