中厚煤層孤島工作面巷道圍巖控制技術淺析

摘 要：中厚煤層孤島工作面周圍受不規則采空區和地質構造等多種因素的影響，地應力集中、壓力大、分布不均勻，支護困難。如利用懸吊理論選擇錨桿支護參數，很可能導致支護失敗。本文通過工程類比、理論計算和現場檢測，提出了利用松動圈理論設計支護參數，避免了孤島掘進巷道嚴重變形，支護效果明顯；同時，提高了施工安全性，取得了明顯的經濟效益，為同類巷道的設計和施工提供了有益價值參考。

關鍵詞：孤島工作面；懸吊理論；松動圈；錨索梁

中圖分類號：TD353.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 20-0000-02

某礦3號煤層地面標高+1360m，煤層埋深約170～440m左右，位于山西組下部，上距下石盒子組底砂巖（K8）48.35m，下距K7砂巖6.37m左右，煤層厚度3.90～5.75m，平均4.73m，屬穩定可采煤層。其直接頂板為灰黑色泥巖，厚度3-5m左右，極限抗壓強度為23.8～29.4MPa，屬軟質巖石，遇水泥化、膨脹、強度降低，穩固性較差，容易冒落；老頂為厚層砂巖，極限抗壓強度為44.8-53.7MPa，屬中等堅硬巖石，穩固性較好；底板為灰黑色泥巖、砂質泥巖。由于長期開采，儲量減少，開采區域形成孤島開采。本礦最初利用懸吊理論選擇錨桿支護參數進行支護。

一、初始設計：（按懸吊理論計算參數）

（一）錨桿參數選擇

L—錨桿長度，m；H—冒落拱高度，m；K—安全系數，一般取K=1.3；

L1—錨桿錨入穩定煤體的深度，一般按經驗取0.5m；L2—錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1m；其中：H=B/2f=4/4=1（m）B—巷道開掘寬度，取4m；f—煤體堅固性系數，取二、工程效果檢驗

依本設計，巷道施工300米，出現了較大程度的變形和破壞。靠近采空區側幫位移400-600mm，實體煤側幫位移200-300mm，兩幫移近量達到600-900mm；頂板下沉量達到200-400mm；多處發生錨桿斷裂及鋼帶撕裂，嚴重影響到安全生產。巷道礦壓觀測和現場支護實際證明本次參數選擇支護強度不達標，不能滿足巷道的支護要求。

通過對施工現場的實際調查和技術分析，說明孤島采煤工作面地應力集中、壓力大、分布不均勻、動壓顯現明顯，是受到了不規則采空區和地質構造等多種因素的影響，因此壓力顯現異常，單純利用懸吊理論設計支護參數不符合孤島工作面的實際。

三、支護設計修正（支護參數的重新確定）

（一）工程類比法。經過實踐和經驗總結的、確立支護參數的一種有效的支護方案，具有簡便、可靠性、安全性高的特點。

（二）理論分析法。懸吊、組合梁、組合拱等支護理論是以一定的假設為前提，具有一定的局限性。松動圈支護理論是基于圍巖中存在的松動破碎帶的實測情況提出而非一種假設，其避開了地應力、結構面性質、圍巖強度測定等復雜問題，又真實反映出該因素對圍巖的影響。

1.圍巖分級。現場經過對頂板下沉超過400mm的地點進行放頂，發現頂板破裂高度最大達到1050mm；通過超聲波圍巖裂隙探測儀探測圍巖破裂范圍1500mm-1800mm。根據松動圈典型圍巖分類標準，該礦孤島工作面圍巖等級確定為大松動圈。

2.支護參數確定。松動破碎帶Lp>1.5m，松動圈等級為大松動圈。錨桿支護松動圈值接近或超過常用錨桿的長度時，支護作用原理是用錨桿給予松動圈內破裂圍巖以約束力，使其恢復到接近原巖的強度并具有可縮性，形成錨固體進入支護，充分發揮圍巖的自身承載能力，即所謂的組合拱/梁理論（圖1）。

按組合拱理論計算錨桿參數

（1）錨桿長度：按照松動圈理論思想，用錨桿將松動圈內的碎漲體通過施加一定的預緊力，增加碎漲體之間的粘著力和內摩擦角，使之成為組合拱/梁，增加碎漲體穩定性和抗載能力，根據實測數據巷道松動圈為1500mm-1700mm，為使錨桿能夠提供足夠的錨固力，需將錨桿穩固在松動圈以外相對穩定的的塑性區內，為此選擇錨桿長度L=2400mm。

（2）錨桿間排距：按組合拱理論確定錨桿支護間排距

根據巷道圍巖軟弱破碎、應力集中情況，通過工程類比并按照松動圈理論進行理論分析計算，確定采用錨帶網索聯合支護。頂部幫部鋪用10號鐵絲加工成50mm x50mm的金屬菱形網。使用WD280-2.8W鋼帶護頂幫，頂錨桿采用∮22mm、L=2400mm高強預應力錨桿，幫部錨桿采用∮20mm、L=2000mm等強全螺紋錨桿，錨桿間排距均為800mmx800mm，每孔藥卷使用2根k2360樹脂錨固劑。應用小孔徑預應力錨索梁加強支護，錨索使用∮17.8mm，L=7300mm梁采用11號工字鋼，錨索間排距1600mmx1600mm，用這種手段將組合梁錨固體懸吊在穩定巖層上，提高支護的安全性、可靠性。

四、支護效果

采用修正的支護方案，歷時5個月、施工巷道1200米。用“十字測量法”對巷道幫部收縮量進行檢測，采用“頂板離層儀”對頂板下沉量進行檢測。

（1）掘進影響變形期。巷道剛開挖初期，破壞了掘巷前的原巖應力狀態，巷道圍巖出現了應力集中，在形成松動圈的過程中碎脹力引起圍巖向巷道空間劇烈變形，時間持續近一個月，這一期間巷道變形占到巷道整個變形量的80%左右。

（2）掘進穩定變形期。掘巷引起的圍巖應力重新分布趨向穩定后，由于巖體具有流變性，一是松動圈內圍巖的剪脹蠕變，是蠕變變形的主體；二是松動圈外，即深部圍巖的彈塑性蠕變，即使應力不變或變化不大，圍巖變形也會隨時間不斷增長，但變化趨勢和變形量明顯減小，持續1-2個月后巷道基本穩定，變形緩慢，這一期間巷道變形占到巷道整個變形量的20%左右。

經過3個月的觀測、記錄，檢測結果如下：靠近采空區側幫位移150-250mm，實體煤側幫位移100-200mm，兩幫移近量達250-450mm，頂板下沉量達到100-200mm，極個別W鋼帶出現撕裂，錨桿托盤20%左右發生變形，主要發生在肩窩處的頂角錨桿，但絕大多數錨桿托盤都在允許變形范圍，沒有失去有效的支護能力。

五、結論

（1）懸吊理論錨桿支護參數選擇不適合頂板巖石軟弱破碎，地應力集中、破碎深度超過1500mm的大松動圈圍巖支護。

（2）利用錨桿支護使圍巖形成組合梁結構，增強了圍巖的抗變形能力，有效地提高了圍巖的自身承載能力，表明松動圈理論支護方案適應高應力軟弱破碎頂板巷道維護。

（3）采用松動圈理論選擇支護方案，有效地防止了巷道的變形，減少了巷道維修費，提高了施工進度和施工安全性，節約大量成本，延米巷道綜合費用降低300多元。

六、幾點注意事項

（1）加強錨桿預緊力管理。錨桿預緊力不低于300N.M。增強圍巖弱面的內摩擦力，使圍巖有效地形成一體，實現巖體的組合梁或組合拱結構，增強整體穩定性和抗載能力。

（2）使用11號工字鋼代替預應力錨索托盤，可以有效提高支護材料的抗變形能力，增大支護面積，支護穩定性有更大的提高。

（3）要特別重視幫部和底角錨桿支護質量，充分提高幫部的承載能力，可有效地防止頂板下沉。

（4）錨索不但起著加強支護的作用，還起著懸吊錨桿支護形成的組合梁結構，施工中必須考慮錨桿和錨索支護相互耦合的作用效果，一般的說，錨索支護緊跟迎頭，預應力值應適當小些，約為錨桿設計值得0.8-1.0倍，滯后迎頭工作面支護時預應力值約為錨桿設計值得1.0-1.3倍比較適宜。

參考文獻：

[1]何滿潮.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[作者簡介]陳勇（1972.06-），漢，山東新泰人，工程學士，工程師。