關(guān)于煤柱錨桿巷道支護設(shè)計的研究

　　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工作面地面標高為+865m～+980m,煤層標高為+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運輸巷正好處于工作面保護煤柱應(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,掘進至切眼附近時,將揭露2條正斷層,斷層落差不大,預計對掘進不會造成較大影響。
　　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,對掘進支護有一定影響。下伏含水層為奧陶紀石灰?guī)r含水層,其水量豐富,水位標高低于煤層底板標高,故在掘進期間必須準備好足夠的排水設(shè)施,堅持“有掘必探”的原則,對其進行探放水工作,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
　　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)強度測試
　　采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。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)計錨固深度上進行三組拉拔試驗。粘結(jié)強度滿足設(shè)計要求后方可在井下施工中采用。
　　2 巷道支護形式和參數(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)揮錨桿支護的作用,提出以下設(shè)計原則有以下幾點。
　　(1)一次支護原則。錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形,避免二次或多次支護。一方面,這是礦井實現(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,這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳,而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿,支護效果會受到顯著影響。
　　(2)高預應(yīng)力和預應(yīng)力擴散原則。預應(yīng)力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素,是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù),只有高預應(yīng)力的錨桿支護才是真正的主動支護,才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面,要采取有效措施給錨桿施加較大的預應(yīng)力;另一方面,通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預應(yīng)力的擴散,擴大預應(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。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應(yīng)力、全長錨固),保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下,降低支護密度,減少單位面積上錨桿數(shù)量,提高掘進速度。
　　(4)臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度,如果支護強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)計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應(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)與力學性能應(yīng)相互匹配,錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應(yīng)相互匹配,以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。
　　(6)可操作性原則。提供的錨桿支護設(shè)計應(yīng)具有可操作性,有利于井下施工管理和掘進速度的提高。
　　(7)在保證巷道支護效果和安全程度,技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下,做到經(jīng)濟合理,有利于降低巷道支護綜合成本。
　　3 設(shè)計原則
　　3.1 支護參數(shù)確定原則
　　(1)支護設(shè)計確保支護安全,避免在服務(wù)期間進行維修或僅進行局部維修。(2)支護參數(shù)和支護材料規(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,從支護合理性考慮,可能出現(xiàn)多種支護參數(shù)和支護材料規(guī)格,但這將不利于巷道施工和管理。所以,盡可能采用統(tǒng)一的支護參數(shù)和材料規(guī)格。(3)支護設(shè)計要在保證支護質(zhì)量的同時有利于提高巷道掘進速度。(4)在滿足前三項原則的前提下,做到經(jīng)濟合理。