塔然高勒煤礦總回風大巷矩形斷面支護技術探析

文/邊天亮

神華杭錦能源塔然高勒煤礦建設規模1000Mt/a，主采3-1煤層埋藏深度約600m，是目前我國西部煤炭開采史上最深井田。礦井采用立井開拓，井筒鉆井接近主采煤層地段穿越均為破碎不穩定地層，巖石自然狀態下平均抗壓強度14.5MPa，部分抗壓強度僅為0.6MPa，巖石孔隙率較大，為0.76～30.65%，含水率為 0.81～13.65%，吸水率為 0.70～10.35%，軟化系數0.05～0.51。從井筒鑿井穿過煤層上下巖層來看，巖體抗壓強度很小，呈泥質膠結，膠結疏松，遇水后易崩解破壞，顯軟巖特征。因此，井巷治理與維護成為礦井建設過程中須重點攻克的技術難題。本文以塔然高勒煤礦總回風大巷為例，在分析最初采用拱形斷面存在弊端的基礎上，通過開展鉆孔窺視和錨索錨固力現場試驗，為大巷支護方案設計提供了理論依據。目前，塔然高勒煤礦總回風大巷已經貫通900m，大巷從掘進至今始終保持穩定狀態，滿足了礦井安全生產的需要，為礦井硐室、大巷及順槽支護提供了有效的技術支撐。

一、拱形斷面存在的問題

塔然高勒煤礦礦井西翼總回風大巷原采用拱形斷面，掘進初期發現存在諸多弊端，主要體現在以下幾個方面：

1.拱部圍巖較為松軟破碎，爆破后拱部圍巖易出現冒落和掉頂，冒落深度達500mm以上，大巷難以成型。

2.兩個拱肩圍巖縱向裂隙發育，爆破后，拱肩位置圍巖易出現踏腔，給錨桿支護作業帶來較大困難，且巷道成巷類似矩形斷面。

3.炮掘工程量大，成巷速度慢，限制了井巷工程完工期限。

依據西翼總回風大巷初期揭露的3-1煤層圍巖穩定狀況來看，煤層直接頂厚度約為1.8m左右，綜掘機掘進后頂板平整，有利于錨桿施工作業。為此，塔然高勒煤礦將原來的拱形斷面調整為矩形斷面，按照矩形斷面尺寸要求，及時提出了大巷設計方案，并進行了井下現場試驗。

二、開展鉆孔窺視和錨索錨固力現場試驗

1.煤層頂板結構觀察

采用KDBC-56型數字全景鉆孔窺視儀觀察頂板圍巖結構面的發育狀況，該儀器對裂縫分辨率為0.1mm，角度分辨率為0.1°，可提供鉆孔360°平面展開圖像，及虛擬鉆孔巖芯圖。采用合金鋼鉆頭鉆孔，深度大約7.0m，鉆孔后鉆頭磨損嚴重，表明頂板巖層較堅硬。

2.錨索錨固力現場試驗

錨索可錨性試驗分三組，選用1支Z2360中速樹脂錨固劑，錨索錨固段位置見下圖。

結論如下：

(1)對于7m長度錨索，錨索實際深入頂板的深度為6.1m，錨固段長度為700mm，結合鉆孔窺視結果，700mm的錨固長度全部在礫巖層中。當張拉油泵壓力達到28MPa時，錨索錨固段被破壞，錨索發生了松動，可錨性試驗完成，所用千斤頂的油缸承載面積為5.89cm2，得到錨索在礫巖層中的錨固力為164.92kN。

(2)對于5.5m長度錨索，井下得到兩組試驗數據，第一組錨索的外露長度為0.8m，深入巖層中的長度為4.7m，錨固段長度為700mm，結合鉆孔窺視結果，700mm的錨固段有0.5m在礫巖層中，有0.2m在泥巖中。當張拉油泵壓力達到30MPa時，錨索錨固段被破壞，錨索發生了松動，可錨性試驗完成，所用千斤頂的油缸承載面積為5.89cm2，得到錨索在礫巖層和泥巖層中的錨固力為176.92kN。第二組錨索的外露長度為0.5m，深入巖層中的長度為5.0m，錨固段長度為700mm，結合鉆孔窺視結果，700mm的錨固段全部在礫巖層中。當張拉油泵壓力達到32MPa時，錨索錨固段被破壞，錨索發生了松動，可錨性試驗完成，所用千斤頂的油缸承載面積為5.89cm2，得到錨索在礫巖層和泥巖層中的錨固力為188.48kN。

(3)對于4.3m長度錨索，現場得到一組試驗數據，錨索的外露長度為0.35m，深入巖層中的長度為4.0m，錨固段長度700mm，結合鉆孔窺視結果，700mm的錨固段有0.2m在泥巖層中，有0.5m在2-2煤層中。當張拉油泵壓力達到22MPa時，錨索錨固段被破壞，錨索發生了松動，可錨性試驗完成，所用千斤頂的油缸承載面積為5.89cm2，得到錨索在泥巖和煤層中的錨固力為129.58N。

根據上述數據分析，西翼回風大巷3-1煤層圍巖變化較大，頂板距離礫巖層大約在4.5m左右，考慮到礫巖層鉆進難度大，鉆孔耗費時間長，以及錨索合理有效長度范圍(4.0~6.0m)等綜合因素，為了保證錨索有足夠的錨固力，提出西翼回風大巷錨索長度確定為5.3m，保證0.5m長度錨固到礫巖層中，超過70%的錨固長度在巖層中，確保了錨索的錨固力，也提高了鉆孔的進度和錨索的安裝速度及效果。

三、總回風大巷支護方案

結合鉆孔窺視和錨索錨固力試驗成果，并依據實際圍巖條件，塔然高勒煤礦設計回風大巷矩形斷面尺寸為寬×高=5400×4000mm，采用高預應力錨網索噴聯合支護。具體支護方案如下：

1.頂板布置6根屈服強度500MPa、 型號 φ22-M24-2400的高強錨桿，間排距1000×900mm，配套承載力不低于250kN、規格為150×150×12mm 的拱形托板，采用1支K2335和1支Z2360樹脂錨固劑加長錨固；設計錨桿初始預緊力矩為400N.m，錨桿錨固力至少190kN以上，輔助型號W4-280-5200的W鋼帶及φ6.5的鋼筋網護頂；頂板布置3根φ22-1φ19-5300強力錨索，間排距1500×1800mm，配套規格為 300×300×16mm拱型大托板，采用1支K2335和2支Z2360樹脂錨固劑，設計錨索預緊力大于250kN。

2.兩幫各布置4根與頂板規格與配套附件完全相同的高強錨桿，間排距 1000×900mm，輔助W4-280-450鋼護板及φ6.5的鋼筋網護幫，技術參數與頂板錨桿要求相同。掘出后及時初噴30～50mm厚度的混凝土封閉圍巖，最后復噴150～170mm厚度的混凝土達到設計噴層厚度。

四、支護效果分析

塔然高勒煤礦在支護方案投入井下試驗期間，開展了礦壓監測工作，對錨桿(索)受力及頂板離層進行系統觀察，以評價大巷支護效果。根據日常監測獲得的數據，給出了錨桿錨索受力變化特征曲線，見下圖。

根據此曲線來評價大巷支護效果，結論如下：

1.頂板三根錨桿受力呈現相似的變化特征，初始施加預應力后，隨著時間變化錨桿的受力呈現平穩發展趨勢，沒有出現明顯增大的特征，一直保持了穩定狀態。

2.兩幫錨桿受力顯示相似的變化特征，施加初始預應力后，隨著時間推移，錨桿受力大小保持了平穩發展態勢，也沒有出現反復變化的特點，一直維持了穩定狀態。

3.錨索保持了較高預應力水平，隨著掘進工作面的向前推進，錨索受力維持了穩定狀態，沒有出現明顯的波動特征。

4.錨桿錨索初始施加較高預應力，大巷圍巖得到及時控制，圍巖長時間保持了穩定，錨桿錨索的受力大小基本維持在初始應力狀態，顯現出良好的受力特征。

5.頂板離層指示儀安裝后，隨著掘進工作面向前推進，深淺部離層始終為0mm，說明采用的支護設計有效地控制了深淺部圍巖的離層，保持了大巷頂板的穩定。