厚層復(fù)合頂板煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究

王 威

近年來(lái)，錨桿支護(hù)技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，實(shí)踐證明 ，錨桿支護(hù)［1－2］方式承載快，錨固力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度低，可一次成巷，便于加快掘進(jìn)速度，減少支護(hù)成本。但是，由于礦井井下條件復(fù)雜多變，在局部地段巷道出現(xiàn)不同程度的頂板淋水，影響了巷道的支護(hù)效果。巷道圍巖中含泥巖成分，頂板水淋在底板上，軟化巷道底板，降低了巷道底板巖石的強(qiáng)度，引起底鼓，導(dǎo)致巷道高度減小，巷道安全可靠性降低。在厚層狀復(fù)合富水［3－4］頂板區(qū)段，頂板水通過(guò)巖層裂隙滲透，弱化圍巖強(qiáng)度，降低了樹(shù)脂錨桿錨固力［5］，導(dǎo)致錨桿錨索錨固失效、頂板離層，造成頂板大幅度快速離層變形下沉，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生。

1 錨桿支護(hù)控制機(jī)理及控制思路

1.1 控制機(jī)理

對(duì)于緩傾斜和傾斜煤層來(lái)說(shuō)，工作面順槽基本上是沿著煤層頂板施工，巷道頂板基本上為層狀頂板。在巷道開(kāi)挖前，煤層頂板之上的層狀巖層相互擠壓咬合，不會(huì)沿層面發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)。而當(dāng)巷道開(kāi)挖后，這種層狀巖層就會(huì)產(chǎn)生兩方面的反應(yīng)，一是由于各個(gè)巖層的剛度不同產(chǎn)生沿垂直層面方向上的離層膨脹;二是產(chǎn)生沿層面方向的相對(duì)剪切滑移。因此，巷道開(kāi)挖后，如果支護(hù)不力就可能導(dǎo)致巖層產(chǎn)生上述兩種破壞效應(yīng)，使巖層產(chǎn)生兩種變形：即巷道圍巖的結(jié)構(gòu)變形和巷道圍巖的松動(dòng)擴(kuò)容變形。理論和實(shí)踐觀測(cè)表明，結(jié)構(gòu)變形通常占整個(gè)變形的40%，而松散擴(kuò)容變形則占到整個(gè)巷道變形的60%。巷道的開(kāi)挖使得圍巖原始應(yīng)力場(chǎng)遭到破壞，圍巖在尋求新的平衡過(guò)程中，巖層難免發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)變形。可使用有效合理的錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)控制結(jié)構(gòu)變形在允許的范圍內(nèi)。針對(duì)擴(kuò)容變形因風(fēng)化、膨脹、卸荷等多種因素作用且具有時(shí)間性，從巷道淺部向深部發(fā)展，應(yīng)及時(shí)有效地進(jìn)行支護(hù)提高圍巖的初始支護(hù)強(qiáng)度，防止擴(kuò)容變形致使圍巖大范圍的破裂與垮冒。

因此，煤層巷道圍巖控制就是如何有效控制巷道的結(jié)構(gòu)變形和松散變形，通過(guò)合理地提高錨桿的初始預(yù)緊力和支護(hù)強(qiáng)度，從一開(kāi)始就對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)有力的作用，消除圍巖的初期松動(dòng)變形，調(diào)動(dòng)圍巖整體承載能力，而不是等待圍巖產(chǎn)生松動(dòng)變形后再去懸吊松垮的圍巖。

1.2 控制思路

1)根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)圍巖控制機(jī)理，采用錨桿支護(hù)巷道的圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論指導(dǎo)本設(shè)計(jì)，該理論的實(shí)質(zhì)在于：通過(guò)高性能的支護(hù)結(jié)構(gòu)參與巷道開(kāi)掘后圍巖應(yīng)力的調(diào)整過(guò)程，減少?lài)鷰r內(nèi)部煤體強(qiáng)度損失，在巷道圍巖中形成穩(wěn)定的內(nèi)部承載結(jié)構(gòu)，縮小圍巖塑性流動(dòng)區(qū)的范圍，達(dá)到維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定的目的。

2)采用合理的支護(hù)強(qiáng)度、較高的錨桿預(yù)緊力、錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)及關(guān)鍵部位點(diǎn)柱加強(qiáng)，在巷道厚層復(fù)合頂板淋水下沉較大處打上挑棚，減小巷道跨度，同時(shí)對(duì)頂板的離層垮冒起到直觀外顯和早期的預(yù)警作用。

3)日常巷道表面位移的監(jiān)測(cè)、頂板離層的監(jiān)測(cè)、錨桿工作阻力的監(jiān)測(cè)和巷道巡查，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行支護(hù)方案的調(diào)整。

2 厚層復(fù)合富水巷道工程實(shí)踐

2.1 地質(zhì)條件

1312(1)工作面為南一(11－2)采區(qū)首采工作面，西至11－2煤層風(fēng)氧化帶下限，東至大巷保護(hù)煤柱線，北鄰F104、F104－1斷層組，南鄰1322(1)工作面。設(shè)計(jì)工作面切眼位于11－2煤層風(fēng)氧化帶下限，回風(fēng)順槽進(jìn)入設(shè)計(jì)防水煤柱線209 m，膠帶機(jī)順槽進(jìn)入設(shè)計(jì)防水煤柱線112 m。煤層賦存情況：11－2煤層賦存穩(wěn)定，黑色，塊狀為主，中厚層狀。面內(nèi)煤厚2.73 ～5.57 m，平均 3.3 m，煤層傾角 3°～8°，平均5°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常見(jiàn)1～2層夾矸，夾矸為炭質(zhì)泥巖，少有泥巖，屬穩(wěn)定煤層。頂板情況：11－2煤層直接頂為復(fù)合頂板，煤層直接頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖，老頂大部分為中、細(xì)砂巖;底板一般為泥巖。1312(1)工作面掘進(jìn)區(qū)域范圍內(nèi)11－2煤層頂?shù)装逯鶢钜?jiàn)圖1。水文地質(zhì)情況：該面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，預(yù)計(jì)主要充水水源為煤層頂板砂巖裂隙水，在工作面巷道揭露斷層帶附近，裂隙發(fā)育或頂板破碎地段有淋水現(xiàn)象。

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢顖D

2.2 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)方案

頂板支護(hù)：巷道頂板采用6根錨桿加4 600 mm長(zhǎng)M5型鋼帶、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。M5鋼帶安裝在巷道中部，頂板錨桿間排距：860 mm×800 mm，錨桿規(guī)格為d22 mm×2 500 mm，錨桿材質(zhì)：MG400。錨索按“3－3”布置，為避免頂板兩側(cè)肩窩出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，相鄰排錨索呈交錯(cuò)布置(相鄰排左右?guī)湾^索距巷幫距離分別為0.85 m)，規(guī)格為：d22 mm×6 200 mm。鋪網(wǎng)應(yīng)從頂板中部向兩邊鋪，兩邊網(wǎng)過(guò)肩窩，幫部網(wǎng)至底角。網(wǎng)應(yīng)封閉頂幫巖煤體，相鄰網(wǎng)搭接長(zhǎng)度不得低于100 mm，連網(wǎng)扎扣間距不超過(guò)200 mm。

巷幫支護(hù)：巷道兩幫均采用4根螺紋鋼等強(qiáng)預(yù)拉力錨桿加2 900 mm長(zhǎng)M5鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。鋼帶沿巷道豎直方向鋪設(shè)，每根鋼帶上布置4根錨桿，巷幫錨桿間排距：850 mm×800 mm。為避免巷幫錨桿受鋼帶的剪切，巷幫鋼帶上錨桿均垂直巷幫錨入巷幫煤體，巷幫錨桿規(guī)格：d22 mm×2 500 mm。錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)方案示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)方案示意圖

2.3 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)效果分析

為了檢驗(yàn)厚層富水頂板條件下煤巷錨索網(wǎng)支護(hù)效果，在1312(1)巷道掘進(jìn)期間，對(duì)錨網(wǎng)索支護(hù)段巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俊㈨敯咫x層、錨桿及錨索載荷等參數(shù)進(jìn)行了礦壓觀測(cè)：

1)巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俊＞蜻M(jìn)期間圍巖變形曲線圖見(jiàn)圖3。由圖3可知，巷道頂?shù)装搴蛢蓭屠塾?jì)移近量分別為610 mm和495 mm，巷道掘進(jìn)初期的15 d內(nèi)，由于原巖應(yīng)力平衡被破壞，變形較快，應(yīng)力釋放，需要重新建立新的平衡點(diǎn)，40 d左右巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖3 掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4 掘進(jìn)期間圍巖變形速率曲線圖

由圖4可知，在180 d的礦壓觀測(cè)中，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俾首畲笾捣謩e為36.5 mm/d和24.5 mm/d，礦壓觀測(cè)開(kāi)始的10 d內(nèi)，變形速率較快，然而到達(dá)40 d的時(shí)候變形速率開(kāi)始趨緩，說(shuō)明巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

2)頂板巖層離層。掘進(jìn)期間頂板離層變形曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知，離層變化較大的時(shí)間為巷道掘進(jìn)初期的25 d左右，1312(1)工作面淺部離層的最大值為60 mm，深部離層的最大值為22.5 mm。巷道圍巖離層相對(duì)較大，其原因：巷道處于厚層富水泥巖頂板區(qū)段，淋水使得頂板圍巖弱化，降低了圍巖的承載能力，通過(guò)高預(yù)應(yīng)力及高強(qiáng)錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)，使得離層值沉控制在一定的允許范圍之內(nèi)。

3)錨桿錨索載荷。巷道掘進(jìn)初期頂板錨桿載荷增長(zhǎng)迅速，20～25 d后頂板錨桿載荷趨于穩(wěn)定;頂板錨索40 d后載荷達(dá)到穩(wěn)定。頂板1#、2#錨桿穩(wěn)定后的工作載荷分別為47 kN和42 kN，頂板1#、2#錨索穩(wěn)定后的工作載荷分別為158 kN和166 kN，頂板錨索載荷明顯大于錨桿載荷，主要原因是在巷道頂板3 m左右有一層煤線，而錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，錨索起主要承載作用。錨桿錨索載荷曲線圖見(jiàn)圖6。

圖5 掘進(jìn)期間頂板離層變形曲線圖

圖6 錨桿錨索載荷曲線圖

3 結(jié)論

在厚層復(fù)合富水頂板下，根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)圍巖控制機(jī)理，應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)及超高強(qiáng)錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)。

1)頂板和兩幫采用2.5 m錨桿，頂板采用6.2 m錨索配合槽鋼組成錨索梁結(jié)構(gòu)支護(hù)，錨桿錨索的高預(yù)緊力作用能充分調(diào)動(dòng)深部圍巖承載能力，主動(dòng)控制巷道圍巖并形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，提高巷道整體的支護(hù)效果。

2)頂幫最大變形量分別為610 mm和495 mm，淺部和深部離層最大值分別為60 mm和22.5 mm，錨桿錨索最大載荷分別為47 kN和166 kN，巷道圍巖變形、頂板離層均在合理范圍內(nèi);錨桿錨索及時(shí)承載，載荷增長(zhǎng)迅速，受力狀況良好;控制變形效果較好，巷道錨網(wǎng)索支護(hù)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

［1］ 錢(qián)鳴高，劉聽(tīng)成.礦山壓力及其控制［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，l992：21－22.

［2］ 侯朝炯，郭勵(lì)生，勾攀峰，等.煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999：109－111.

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