采動壓力影響下掘進巷道支護技術研究

摘 要：王村斜井5208工作面原設計為孤島工作面。為緩解采煤工作面接續緊張的問題，王村斜井在5206和5210工作面回采期間即對5208工作面順槽進行掘進，工作面之間留15m保護煤柱。5208工作面進風順槽與5210回采工作面部分處于對向掘進狀態，受5210工作面采動壓力影響，導致了巷道支護困難，巷道變形嚴重，錨桿失效量大，后采用高強扭矩錨桿+“鳥窩”錨索對工作面順槽進行聯合支護。試驗結果表明高強預應力錨桿能夠有效的控制巷道變形，并對巷道的底鼓也起到了一定的控制作用。

關鍵詞：采動壓力影響 高預應力錨桿 “鳥窩”錨索 底鼓

中圖分類號：TU2文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0120-02

1 巷道基本情況

1.1 巷道位置

5208工作面位于王村斜井煤礦+403m水平，二采區，東為采區巷道及東翼采空區，西為三采區保護煤柱，北為5206工作面，南為5210工作面，兩工作面都處于回采過程中。地面標高為+652.2～+717.7m，工作面標高為+424～+442m。地表廣為黃土覆蓋，多為溝谷地帶，梯形狀農田，沖溝較發育，無建筑物。

1.2 煤層賦存條件

煤層賦存比較穩定，煤層厚度1.6m～3.77m，一般厚2.49m，為中厚煤層，夾矸1～3層，一般二層，夾矸厚度0.08m～0.25m，為復雜結構煤層。煤層傾角2°～13°，平均4°，為緩傾斜煤層，煤種為瘦煤1號。5208工作面的掘進主要沿5煤層頂板掘進，當煤層厚度不足2.5m時，破底掘進。

1.3 巷道頂底板巖性

偽頂為炭質泥巖灰黑色，易碎，不穩定，厚度0～0.5m，平均厚度為0.14m，隨掘隨冒。直接頂為粉砂巖深灰色，塊狀，含黃鐵礦結核，厚度2.0～4.5m，平均為2.3m。老頂為中細粒砂巖細粒砂巖，灰色，成分以石英為主，厚度2.5～6.1m，平均為4.5m。直接底為粉砂巖灰色，層面平整，含少量植物化石，厚度1.0～3.8m，平均為1.4m。老底為石英砂巖灰-灰白色，較為堅硬，厚度為1.3m～8.06，平均4.5m（圖1）。

2 施工存在問題

2.1 原支護參數

（1）頂板支護參數

錨桿排距0.8m，每排5根錨桿，間距0.8m；桿體為Φ20mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m；鋼筋托梁和編織網護表。

（2）兩幫支護參數

①回采側支護參數。錨桿排距為0.8m，錨桿間距0.9m，每排3根錨桿；桿體為Φ16mm×1800mm的玻璃鋼錨桿；雙抗網護表。

②煤柱側支護參數。錨桿排距為0.8m，錨桿間距0.9m，每排3根錨桿；桿體為Φ18mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，長度1.8m；雙抗網護表。

（3）輔助支護

錨索采用2+1+2形式布置，錨索排距1.6m；錨索規格：采用Φ17.8mm鋼絞線錨索，長度7.0m；錨索托梁護表。

初步設計時，巷道設計凈寬度3600mm，設計凈高度2500mm。由于5208工作面為孤島工作面，為保證巷道在受5210及5206工作面采動壓力影響后，仍能滿足生產需要，后確定巷道寬度為3800mm，高度2500mm，兩幫各預留10cm的變形量。

2.2 原支護設計存在問題

5208工作面進風順槽采用以上支護在施工過程中，錨桿失效量大，托盤翻盤嚴重。頂板和兩幫移近量大，經觀測頂底板移近量達100cm。兩幫移近量達80cm。底鼓嚴重巷道返修量大。由于以上的設計不能到達巷道合理的尺寸要求，不能滿足安全生產的目的。所以第二次返修的采用套棚支護。在初期錨網索主動支護的條件下不能控制圍巖的初期變形，使得覆巖離層和斷裂高度明顯增大，棚子支護存在很大的困難，加之與棚子支護對回采有一定的影響。鋼筋托梁進行的表面控制，兩幫變形比較嚴重，由于與圍巖接觸主要是線受力（易破壞頂板的完整性），護頂面積太小，在圍巖壓力比較大的情況下難以起到真正保護頂板的作用。木托盤對錨桿安裝應力及應力保持影響很大。棚子支護加大了工作面的勞動強度，不能有效的控制底鼓，所以采用新的錨網索技術是改變現狀的主要手段。

3 支護現狀分析

3.1 采動影響下巷道穩定性分析

隨采掘工作面水平相會，頂板結構劇烈調整，采面推過后隨采隨冒，直接頂隨之發生不規則或規則的垮落下沉，最終與上位的關鍵頂板離層；關鍵頂板開始彎曲下沉和回轉，并在下位巖體垮空后折斷，斷裂線位置深入到煤體內，直至另一端觸矸壓實后趨于穩定，形成主要由關鍵塊體B構成的側向承載結構，如圖2；關鍵層上部巖體隨之垮落，巷道的外圍載荷主要由關鍵塊B承擔。這一動壓作用過程從根本上決定了迎采動工作面沿空掘巷的維護環境。巷道周圍巖體必然因該結構回轉下沉而遭受強烈的變形壓力，巷道頂板將隨之發生適應性下沉，呈現數百毫米的給定位移，這是結構性調整。

3.2 煤柱的穩定性

由于5208工作面布置時，只留設了20m的保護煤柱。動壓作用下，煤柱已全部進入塑性破裂狀態，并向巷內和采空區兩個方向坍塌。煤柱破壞影響到巷道周圍支護圈的穩定，但也加快關鍵頂板自穩結構的形成，從根本上降低巷道周邊的圍巖壓力。

如上分析，鄰工作面采動造成的側向頂板破斷、回轉和結構性調整階段必然導致巷道圍巖的大范圍破壞和強烈變形。因此如何有效防治煤柱坍塌，頂板離層成為控制頂底板移近量及兩幫移近量的中心和前提。通常采取加密錨桿的思路來建立“鋼”性頂板，雖能保證在錨固范圍內產生很大的支護抗力，但避免不了在錨桿長度以外的頂板中發生離層，并導致錨固區整體垮冒。

4 新支護選擇

4.1 設計要考慮的問題（防治煤柱坍塌，頂板離層）

（1）提高錨桿的安裝應力，及時進行支護

錨桿的安裝應力是控制圍巖早期變形和離層的重要參數。安裝應力過小會使圍巖發生過大的早期變形和頂板離層，松散破碎圈增大，引起頂板破碎掉落，使錨桿失效。同時在巷道開掘后要及時進行支護，減少圍巖暴露時間，以達到及時主動支護的目的。

（2）合理的支護范圍及強度

由于受相鄰回采工作面的影響，壓力比常規情況下大，且由于圍巖破碎，在保證錨桿安裝應力的前提下，合理的錨桿長度和強度能夠穩定地控制巷道圍巖的變形。

（3）表面支護

為了能夠保證充分發揮支護系統的作用以及整體性，表面支護必須加強。

（4）輔助支護

合理有效的輔助支護可以與錨桿支護形成一個整體，保障巷道支護的長期有效性和穩定性，適應不同地質采礦條件的變化。

4.2 支護參數的選取（高強扭矩錨桿+“鳥窩”錨索+W鋼帶所組成的聯合支護系統）

（1）錨桿支護系統

錨桿類型：高強扭矩應力錨桿

錨桿參數：Φ18mm×2200mm（高強）

桿體材料：Q500礦用高強螺紋鋼，屈服強度為12.986t，抗拉強度為18.994t。

安裝應力：4t以上；

護表措施：頂板：金屬網+W鋼帶+高強托盤；

兩幫：金屬網+W鋼帶托盤+短鋼帶+高強托盤

金屬網采用編織網；錨桿托盤采用150mm×150mm×8mm的高強托盤（托盤強度高于Q500Φ18mm桿體的屈服強度）。

W鋼帶：頂板鋼帶：3700mm×275mm×2.5mm

幫部短鋼帶：1300mm×275mm×2.5mm（上面2根錨桿用）

幫部鋼帶托盤：300mm×275mm×2.5mm（底角錨桿用）；

間排距：間排距如圖2～圖4。

（2）輔助支護

錨索類型：鳥窩錨索

錨索直徑：17.78mm，最大破斷力36t

樹脂錨固劑：CK2335×1+Z2360×2

錨索長度：6300mm

錨索托盤：300mm×300mm×12mm的高強托盤。

5 支護效果

5.1 巷道施工初期階段的試驗

（1）鉆孔窺視-確定圍巖的結構及錨桿長度選擇的的合理性。

在巷道掘進一段時間后，對進風巷道進行鉆孔窺視試驗。從試驗的結果來看，在0～1.8m之間的圍巖出現明顯的小裂隙，說明4t以上的預應力，在現階段能夠控制塑性破壞區的擴散，同時也證明錨桿的長度的選擇是合理的。在3～4.8m之間發現煤層，經過分析應該是4#煤，且含有夾矸。4.8～5.4m之間是4#煤層偽頂為粉砂巖。5.4～8m之間巖性發生了變化，經鉆孔中的鉆頭痕跡密且清晰，表明巖石比較堅硬經分析是細粒砂巖。選擇6300mm的錨索作為輔助支護，能夠保證錨固端在穩定的巖層上。

（2）拉拔試驗-確定圍巖的可錨性。

分別對頂板、兩幫做拉拔試驗，試驗結果：頂上的錨固力大于18T，兩幫的錨固力大于12T。按照要求錨固力應該大于錨桿體的抗拉強度，對于頂板的拉拔當達到抗拉強度后就不進行拉拔，避免做破壞性試驗。對于兩幫達到屈服強度后就不進行拉拔。從實驗的結果可看出錨固劑、圍巖、桿體之間的錨固力能夠滿足設計的要求。

5.2 試驗結果分析

（1）巷道表面位移觀測：經過巷道表面位移觀測，從2011年1月30開始對巷道進行觀測，巷道頂板和兩幫的相對移近量如圖3所示。

從圖3（藍色）可以看出，兩幫移近量隨著工作面的掘進分為三個階段：①推進0～28m移近量強烈增加階段。②推進28～60m移近量緩慢增加階段。③推進60m以后移近量變化穩定階段。④兩幫最大移近量控制在55mm。

從圖3（藍色）可以看出，頂板移近量隨著工作面的掘進分為三個階段：①推進0～20m移近量強烈增加階段。②推進20～42m移近量緩慢增加階段。③推進50m以后移近量變化穩定階段。④頂板的最大移近量控制在37mm。

（2）巷道兩幫、頂板受力觀測

在巷道的一個斷面上共安裝了四個壓力表：三個錨桿壓力表（1MP=0.4T），一個錨索壓力表（1MP=0.54T）。從2011年1月30日開始觀測。

兩幫錨桿的受力分析：①兩幫在0～15m之間巷道兩幫錨桿受力變化劇烈。初期考慮到左幫錨桿的受力要大于右幫（左幫為沿空側），所以在安裝時左幫的安裝應力大于右幫的安裝應力。②兩幫在15～30m之間錨桿受力變化緩慢。③30m以后兩幫錨桿受力穩定，左幫穩定在20MP（8T）、右幫穩定在17MP（6.8T）（圖4）。

頂板錨桿、錨索受力：①在0～7m頂錨桿、錨索受力受力變化緩慢。②7m以后頂錨桿、錨索受力穩定，頂錨桿18MP（7.2T），錨索22MP（11.9T）。

在采用高強扭矩錨桿支護后，兩幫和頂板受力狀況得到了有效的改善，巷道的整體移近量大大減少了，底鼓也得到了一定的控制。通過錨桿、錨索的受力情況表明在巷道掘進過程中，錨桿、錨索的支護強度的設計是合理的。

6 結語

在鄰工作面采動后，小煤柱全部進入塑性破壞。它們將可能導致巷道維護空間的急劇縮小，煤柱坍塌，頂板垮冒。高強扭矩錨桿+“鳥窩”錨索+W鋼帶所組成的聯合支護系統能適應此種條件下巷道掘進問題。經濟角度上來講，減少了巷道的返修量，從總體上說降低了掘進成本。王村斜井5208進風巷道的試驗成功，對以后類似采礦條件下順槽支護提供了可靠的經驗數據和理論依據，有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 王飛虎.地下洞室預應力錨桿支護機理及設計參數確定方法研究[D].西安：西安理工大學，2001.

[2] 何滿潮，袁和生，靖洪文，等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.