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672019 年第 9 期 井底变电所底板加固方案优化 姜 明 （陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿， 陕西 黄陵 727307） 摘 要 为保证四号风井井底变电所使用安全及服务年限，本文结合陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿 2 煤层赋存特 点和底板地质情况，设计和优化了四号风井井底变电所底板加固方案。实践证实了此工艺的可行性，为一号煤矿服务年限 较长的大断面巷道及硐室施工积累了成功的经验，可为类似地质条件提供借鉴。 关键词 底板 加固 变电所 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.09.026 Optimization of Floor Reinforcement Scheme for Underground Substation Jiang Ming （No.1 Coal Mine of Shanxi Huangling Mining Co., Ltd., Shanxi Huangling 727307） Abstract In order to ensure the safety and service life of underground substation of No.4 air shaft, this paper designs and optimizes the floor reinforcement scheme for substation based on the occurrence characteristics and floor geological conditions of No. 2 coal seam in Huangling No.1 Coal Mine. Practice has proved the feasibility of this technology, which has accumulated successful experience for large cross-section roadway and chamber construction in No. 1 Coal Mine with long service life, and can provide reference for similar geological conditions. Key words floor reinforcement substation 收稿日期 2019-04-12 作者简介 姜明（1984-），男，陕西蒲城人，本科，采矿工程师， 2007 年毕业于西安科技大学采矿工程专业，现任黄陵矿业公司 一号煤矿副总工程师，从事生产技术管理工作。 1 概况 陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿位于陕 西省黄陵县城西北约 25km 处，距店头镇 1.5km。 井田走向长 1224km，倾斜宽 1116km，面积约 197km2，矿井四号风井位于工业场地东北方向约 11.5km 处。矿井井田地层由老至新依次有上三迭统 延长组、下侏罗统富县组、下侏罗统延安组、中侏 罗统直罗组、上侏罗统安定组、下白垩统六盘山群， 第三系及第四系。2煤层及 3煤层均位于延安组中 下部，其中 2煤层平均厚度 2.02m，全井田分布， 为主要可采煤层，3煤层部分分部，无开采价值。 2煤层底板为泥岩及泥质粉砂岩，局部遇水膨胀， 易底鼓 [1]。 四号风井井底变电所设计服务年限为 25 年， 采用炮掘施工。主体巷道采用钢筋网 锚杆 锚索 喷砼 钢筋混凝土联合支护，全断面挂 Φ6mm 钢 筋 网， 网 孔 5050mm， 锚 杆 规 格 为 Φ202500mm，间排距均为 800800mm，菱形布 置，每孔 3 节 MSK2335 型树脂；锚索钢绞线规格 为 Φ17.88300mm，间排距 12001200mm，一排 五索，每孔 3 节 MSK2370 型树脂；底板加固采用 混凝土支护方式，砼强度 C25。原变电所原底板加 固断面图如图 1。 图 1 原变电所原底板加固方案断面图 2 变电所底板加固方案优化 2.1 底板加固方案 682019 年第 9 期 考虑到底板加固采用砼支护的方式为被动支 护，为保证井底变电所使用安全及服务年限，优 化井底变电所底板加固方案，确定采用锚杆 锚 索 混凝土联合加固方式的方案。锚杆规格为 Φ202500mm， 间排距为800800mm， 菱形布置， 巷道两底角锚杆角度为 75，锚固采用水泥砂浆全 锚，水泥砂浆配合比为水∶水泥 21（体积比）； 锚索梁长度 3.6m，采用 16槽钢加工，排距 1.6m， 一梁三索，锚索钢绞线规格为 Φ17.88300mm， 锚固采用水泥砂浆全锚 , 水泥砂浆配合比为水∶水 泥 21（体积比）；加固完成后巷道中部浇筑 C25 砼地坪，厚度 300mm，主体巷道支护参数不变。变 电所底板加固优化方案断面图如图 2。 图 2 变电所底板加固优化方案断面图 2.2 锚索梁加工 锚索梁采用 16槽钢加工，排距 1.6m，一梁 三索，锚索梁在长宽面中部钻矩形孔，钻孔规格为 100mm20mm，钻孔处用 10mm150mm130mm 钢托板在槽钢内焊接加固，锚索梁加工图如图 3 所 示。锚索采用 Φ17.88300mm，锚固采用水泥砂 浆全锚,水泥砂浆配合比为水水泥21 （体积比） 。 图 3 锚索梁加工图 2.3 锚索长度及锚固长度校核 悬吊作用理论认为锚索是将下部不稳定岩层悬 挂在上部稳定岩层之下，限制不稳定岩层的位移。 同时，因为锚索能施加较大的预紧力，可挤压和密 实岩层中层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续 面支架的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。底板 加固采用锚索支护虽然与上述理论方向相反，但是 原理相同，以下将据此校核。 锚索长度LLa Lb Lc Ld 式中 L- 锚索总长度，m； La - 锚固深入到稳定岩层的锚固长度，m； L ≥ 1 4 a c d f K f 式中 K- 安全系数，一般取 2； d1- 锚索钢绞线直径，mm，取 17.8mm； fa- 锚 索 抗 拉 强 度， 取 1860N/mm2（ 根 据 17.8mm 钢绞线检测报告取值）； fc- 锚索与锚固剂的粘合强度，一般取 10N/ mm2； La≥ 1.7m Lb-需被悬吊的不稳定岩层厚度， m， 取2.2m （根 据四号风井近井钻孔图所示）； Lc- 锚索钢托板及锚具厚度，取 0.05m； Ld- 锚索外露张拉长度，取 0.25m； L ≥ 4.2m 通过上述计算得出锚索钢绞线锚固长度取 8000m 可行，即锚索钢绞线总长度取 8300m 可行。 2.4 锚索间排距校核 锚索间排距 N ≤ 2 1 1 2sin nF F BH L θ γ  −   5m 式中 N- 锚索间排距，m； n- 锚索排数，取 1； B- 巷道最大底鼓宽度，取巷道净宽度 6.0m； H- 巷道最大底鼓高度，取 2.2m（按不稳定岩 层厚度考虑）； γ- 岩体容重，取 24kN/m（根据四号风井近井 钻孔图所示）； L1- 锚杆间、排距，取 0.8m； F1- 锚杆锚固力，取 98kN（设计锚固力）； F2- 锚索极限承载力，取 360kN（根据 17.8mm 钢绞线检测报告取值）； θ- 锚杆与巷道顶板夹角，90。 考虑巷道宽度及计算结果得出锚索间排距为 692019 年第 9 期 1600mm1600m 可行。 2.5 每排锚索根数校核 每排锚索根数 T n W 式中 n- 每排锚索根数； T- 锚索承载范围内底鼓岩石总重量，t； TKSHγ 式中 K- 安全系数，一般取 2； S- 锚索梁承载总面积，m2； 2 Bb S 式中 B- 巷道净宽度，取 6m； b- 锚索梁承载宽度，取 4m； S12m2 H- 巷道最大底鼓高度，取 2.2m； γ- 岩体容重，取 1.5t/m（根据四号风井近井钻 孔图所示）。 T2122.21.579.2t W锚索破断载荷，取 360kN； nT/W79.2/3600.22 通过计算结果得出每排锚索根数为 3 根是合 理的。 经过上述校核计算，设计采用锚杆 锚索 混 凝土联合加固方式的方案可行。 3 底板加固工艺 根据四号风井井底变电所施工先后顺序，待主 体巷道掘进及支护完成后进行底板加固施工。底板 加固采用先清理巷道底板，然后进行锚杆 锚索支 护，最后进行混凝土浇筑的方式进行加固。 3.1 锚杆支护 （1）施工锚杆眼。施工前，严格按照设计要 求采用自喷漆标识锚杆眼位，然后采用地锚机施工 锚杆眼。锚杆眼深度及角度必须符合设计要求。锚 杆眼施工完成后，必须清理眼内岩渣、积水。 （2）注浆。为锚固锚杆，并封闭锚杆眼位周 围岩体节理及裂隙，采用注浆泵向锚杆眼内注射水 泥砂浆，水泥砂浆体积配合比为水∶水泥 21。 （3）安装锚杆。将锚杆装入锚杆眼内，使锚 杆顶住眼底，锚杆外端套上拖盘及螺帽。等待眼内 水泥砂浆初凝后，采用加力扳手紧固锚杆，并采用 锚杆拉力计检测锚杆锚固力是否达到设计值（锚杆 锚固力设计值为 15t）。 3.2 锚索支护 （1）施工锚索眼。施工前，严格按照设计要 求采用自喷漆标识锚索眼位，然后采用地锚机施工 锚索眼。锚索眼深度及角度必须符合设计要求。锚 索眼施工完成后，必须清理眼内岩渣、积水。 （2）注浆。为锚固锚索，并封闭锚索眼位周 围岩体节理及裂隙，采用注浆泵向锚索眼内注射水 泥砂浆。水泥砂浆体积配合比为水∶水泥 2 ∶ 1。 （3）安装锚杆。将锚索装入锚杆眼内，使锚 索顶住眼底，锚索外端套上锚索梁及锁具。等待眼 内水泥砂浆初凝后，采用锚索张拉机具紧固锚杆， 并采用锚索拉力计检测锚索锚固力是否达到设计值 （锚杆锚固力设计值为 23t）。 4 加固效果对比 北二避难硐室与四号风井井底变电所断面基本 一致，采用的是原四号风井井底变电所底板加固方 案，即采用混凝土加固方式。测量其底板收敛情况， 并与四号风井井底变电所的相关情况进行对比，如 表 1 所示。 表 1 四号风井井底变电所与北二避难硐室底板收敛情况 对比明细表 序 号 工程 名称 开工 日期 竣工 日期 底板收敛情况对比 （mm） 维护情况 使用 一年 使用 二年 使用 三年 1 四号风 井井底 变电所 2015.1 2015.1000无 2 北二避 难硐室 2013.2 2013.11110260120 该硐室因巷道 底鼓影响使用， 于使用后第二 年底通过落底 维护一次。 通过对比得出，工程竣工投入使用后，锚杆 锚索混凝土联合加固与单一混凝土加固方式相比， 减少了巷道变形量及维护次数，使巷道由原被动支 护优化为主动支护，巷道底板整体加固效果更加突 出，使巷道围岩保持良好的加固状态，满足使用安 全及服务年限的要求。 5 结语 黄陵一号煤矿四号风井井底变电所采用锚杆 锚索混凝土联合加固替代单一混凝土加固的方案， （下转第 72 页） 722019 年第 9 期 减少了巷道变形量，巷道底板整体加固效果更加突 出，改善了巷道长期服务过程中底板因单一混凝土 加固而变形的现象，避免和消除了巷道底板失稳的 不良影响，取得了良好的应用效果。该方案可以在 种情况，决定采用注浆、撞楔超前支护进行顶煤维 护① 下山回采期间在顶煤位置施工一排注浆钻孔， 钻孔深度为 3.0m，钻孔俯角为 7，间距为 2.0m， 钻孔施工完后采用高压注浆泵向钻孔内注射聚氨酯 粘合剂，注浆压力为 1.2MPa；② 注浆完成后，在 下山回采设计顶板位置施工一排撞楔超前支护，支 护体主要为长度 3.0m、直径 30mm 的钢针，钢针间 距为 0.5m，超前支护排距为 2.0m，相邻两排超前 支护叠加交错布置。 图 2 8302 工作面俯斜法过 F3 断层剖面示意图 4 结束语 （1）采用旋转回采法使工作面与断面平行， 减少了揭露断层期间破岩量，降低了机械设备故障 率。8302 工作面在后期过断层期间共计更换采煤机 截割齿 25 个，未发生滚筒损坏事故，与传统回采 工艺相比可节约设备维修费用达 57 万元。 （2）采用预留顶煤破底岩俯斜回采工艺，减 少了断层下盘岩体破岩量 4728m3，增加煤柱回采量 9.2t， 减少了采空区遗煤量， 避免了采空区煤层自燃、 瓦斯涌出超限的事故。与传统强行过断层回采工艺 相比，该方法过断层时可使回采效率提高至 6.5m/d， 提前 9d 过断层。 （3）工作面俯斜回采时对顶煤采取注浆后， 提高了破碎顶煤胶结稳定性，使煤体单轴抗压强度 由原来的 17.8MPa 提高至 56MPa，防止顶板垮落事 故发生。同时采用撞楔超前支护可对顶煤进行超前 维护，保证工作面液压支架初撑力及工作阻力，提 高了支架支护效果。 【参考书目】 ［1］ 和正华 . 综采工作面过断层技术实践 [J]．山东煤 炭科技，2019（02） 28-30. ［2］ 唐英政 . 浅析大隆矿东二 1501 综采工作面过断层 方法 [J]. 内蒙古煤炭经济 ,2019（01）153-154. ［3］ 崔浩 .33_ 上 05 综采工作面过断层优化设计 [J]. 煤矿现代化 ,2019（01）38-39. ［4］ 张鑫 . 灵北煤矿 51001 综采工作面过断层技术分 析 [J]. 煤炭科技 ,2018（03）104-105. ［5］ 袁晓凡 . 综采工作面旋转调面过断层的技术措施 [J]. 江西煤炭科技，2018（03）42-44. 的优劣，认为应采用 6m 煤柱宽度。 （2）模型根据顶、底板岩性情况构造，较接 近工程实际，但其不能反映岩体工程中的各向异性， 模拟方法仅仅是一种参考及验证手段，与工程实践 难免有出入。该模拟方法手段，在实践应用中可结 合监测数据使用，对类似工程实践的开展，具有一 定借鉴价值。 【参考文献】 ［1］ 宁静 . 深部大采高综采工作面区段煤柱宽度优化 研究 [J]. 煤炭工程，2019，51（03）13-17. （上接第 66 页） ［2］ 杜梦远 . 迎采巷道采动扰动下合理小煤柱宽度研 究 [J]. 煤，2019，28（03）51-55. ［3］ 马新根，何满潮，李钊，等 . 复合顶板无煤柱自 成巷切顶爆破设计关键参数研究 [J]. 中国矿业大 学学报，2019，48（02）11-1252. ［4］ 宋平，庞新坤，刘宏军 . 区段煤柱留设合理宽度 FLAC3D数值模拟研究 [J]. 中国矿业，2019，28 （03）78-81. ［5］ 李一凡，刘成洲，崔腾飞，等 . 煤矿开采沉陷预 计过程的 FLAC3D数值模拟研究 [J]. 北京测绘， 2018，32（10）1156-1160. （上接第 69 页） 服务年限较长的巷道、硐室底板加固及遇水膨胀、 易底鼓、需及时维护的地质条件下推广应用。 【参考文献】 ［1］ 李泉新 . 煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技 术 [J]. 煤炭科学技术，2014，42（01）138-142.