鄰空動壓影響巷道支護技術研究

薛旭輝，張 劍

(霍州煤電集團 技術研究院，山西 霍州 031400)

1 地質概況

干河煤礦一采區2 -1021 巷沿2#煤層頂板掘進，煤層平均埋深為500 m，煤層厚度4.2 m，煤層平均傾角4°，為近水平煤層。煤層綜合柱狀圖見圖1.

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 -1021 巷位于井下+80 水平一采區的左翼，北側為+80 水平西翼3 條大巷，西側為實體煤，南側為2 -106 工作面采空區，2011 年3 月回采完畢。巷道布置見圖2.

圖2 2 -1021 巷布置示意圖

2 原設計存在的問題

2 -1021 巷設計矩形斷面，寬× 高=5. 0 m ×3.8 m，采用錨網梁索支護，頂錨桿選用d22 mm、長度2 500 mm 的高強錨桿，間排距800 mm×800 mm;頂板錨索采用d21.6 mm、長度8 200 mm 的7 股低松弛鋼絞線，每排3 根或2 根，交替布置，排距為2.4 m，再輔助鋼筋托梁和菱形鐵絲網護頂。巷道兩幫支護材料、錨桿間排距與頂板相同，無錨索。設計錨桿預緊扭矩180 N·m，錨索預緊力為100 kN.原支護設計見圖3.

圖3 2 -1021 巷原支護設計圖

2 -1021 巷原支護設計存在的問題:

1)錨桿托板。

錨桿配套d130 mm ×8 mm 碟形托板，經實驗室檢測，該托板存在明顯的弊端，數據見圖4. 主要表現在以下方面:a)托板承載能力較低，與使用錨桿桿體強度不相匹配。b)托板結構存在設計缺陷，無法與調心球墊和減摩墊片相配套。c)托板的拱形高度設計偏低，與錨桿桿體的協調變形不一致。

圖4 錨桿托板實物及加載試驗圖

2)鋼筋托梁。

鋼筋托梁采用d12 mm 鋼筋焊接而成，寬度僅為54 mm，結合井下使用情況，存在以下缺陷:a)支護表面積過小，且鋼筋托梁與托板和圍巖均為線接觸，不利于錨桿預應力擴散;約束圍巖范圍有限。b)使用過程中受力后，容易被扭曲變形而減弱支護作用，且局部焊接不牢易導致焊點開裂。c)兩幫采用鋼筋托梁需先彎起，再放下，影響施工速度。

3)頂板存在角度錨桿。

角度錨桿的缺點:a)通過霍州煤電干河礦、回坡底礦、團柏礦掘進工作面錨桿扭矩轉換實驗結果表明，相同預緊扭矩下角度錨桿會降低錨桿預緊扭矩轉換效率，見圖5. b)林建等［1］通過數值模擬及其對他各礦務局錨桿破斷現象研究發現，角度錨桿有使圍巖中壓應力區相互分離，減弱支護效果;使角錨桿受力偏小，甚至受壓;使錨桿尾部螺紋受力狀態惡化，增加尾部螺紋破斷機率的缺點。

圖5 不同角度錨桿扭矩轉換實驗示意圖

4)錨桿錨索預應力偏低。

2 -1021 巷原設計錨桿預緊扭矩為180 N·m，錨索預緊力為100 kN. 通過實驗得出，d22 mm 的BHRB335 錨桿的屈服載荷為130 kN，d21.6 mm 的錨索索體破斷載荷為520 kN. 井下現場錨桿預緊力轉換實驗結果表明，預緊扭矩180 N·m 時所產生的預緊力均低于30 kN. 康紅普［2］在錨桿錨索預緊力初始值的選擇中提出，錨桿預緊力為桿體屈服強度的30% ～50%，錨索預緊力初始值應達到索體破斷載荷的40% ～70%. 因此，原設計錨桿錨索預應力偏低，影響了錨桿支護作用的發揮，通過分析，提出了高預應力錨網索聯合支護技術。

3 支護方案設計［3-6］

2 - 1021 巷設計斷面矩形，寬× 高= 5 m ×3.8 m，采用錨網索聯合支護方式。頂板布置6 根屈服強度為335 MPa、d22 mm、長度為2 500 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，選用1 支規格為CK2340，1 支規格為Z2360 樹脂錨固劑加長錨固，配套規格為150 mm×150 mm×8 mm，承載力≥206 kN 的拱形高強度托板，調心球墊和減摩墊圈及280 mm ×450 mm ×4 m鋼護板。錨桿間排距900 mm ×1 000 mm，垂直頂板安裝，要求初始預緊扭矩不低于400 N·m. 錨索采用d21.6 mm，7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度5 300 mm，采用1 支CK2340 和2 支Z2360 樹脂錨固劑，間排距1 800 mm×2 000 mm，錨索安裝在2 排錨桿間頂板中部。用300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板，配調心球墊，錨索張拉預緊力:250 ～300 kN. 兩幫支護材料與頂板相同，巷道兩幫支護參數相同，幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，巷道錨網索聯合支護方式設計示意圖見圖6.

圖6 2 -1021 巷錨網索聯合支護設計示意圖

4 應用效果分析

1)巷道表面位移監測數據分析［7］.

2 -1021 巷為沿空掘進巷道，掘進過程中受到2 -106 回采工作面影響頂板有明顯響聲，2 -1021巷掘進期間兩幫移近量觀測曲線見圖7.

圖7 2 -1021 巷掘進期間兩幫移近量觀測曲線圖

由圖7 可知，巷道開挖后前兩天內兩幫移近量變化較快，可達總變形量的60%，在巷道開挖10 天后兩幫移近量趨于穩定，巷道兩幫最大移近量為120 mm.

2 -1021 巷回采期間兩幫移近量觀測曲線見圖8，從距回采工作面150 m 起連續觀測至回采超前段30 m 處，兩幫最大收斂量為185 mm，滿足巷道在回采期間的正常使用，避免了回采期間的巷道返修。

圖8 2 -1021 巷回采期間兩幫移近量觀測曲線圖

2)經濟效益分析。

統計試驗巷道掘進速度和支護成本，分析試驗巷道技術經濟效益。原巷道平均月進尺為180 m，新支護設計通過提高單根錨桿受力，放大錨桿間排距，平均月進尺為240 m，掘進時最高月進尺為303 m，平均月進尺提高33%. 新設計支護材料成本增加81 元/m，綜合計算進尺提高和回采期間維護費用，2 -1021巷累計創造效益110 余萬元。

5 結 論

1)干河煤礦2 -1021 巷原支護設計存在支護構件不匹配、角度錨桿、錨桿錨索預應力偏低、錨桿間排距設計不合理等問題，影響巷道掘進單進水平且不能滿足回采期間巷道正常使用。

2)新支護設計通過使支護材料構件間合理匹配，提高單根錨桿錨索支護強度，降低了錨桿錨索支護密度。使用W 鋼護板替代錨桿托梁，優化了錨桿施工工藝流程。

3)高預應力錨網索聯合支護技術，提高了掘進期間的單進水平及鄰空動壓巷道結構的整體性，巷道掘進期間的最大變形量為120 mm，回采期間的最大變形量為185 mm，滿足掘進、回采期間的正常使用，避免了回采期間的返修。

［1］ 康紅普，王金華，林 健.高預應力強力支護系統及其在深部巷道中的應用［J］.煤炭學報，2007，32(12):1233 -1238.

［2］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2009:87 -90.

［3］ 張 劍，劉愛卿.杜兒坪礦低位瓦斯抽放巷支護技術研究［J］.煤炭技術，2014，33(11):114 -117.

［4］ 劉立明，張 農，張念超.深部煤巷圍巖強化控制在謝橋礦的應用［J］.煤炭工程，2010(12):27 -29.

［5］ 張 農，高明仕.煤巷高強預應力錨桿支護技術與應用［J］.中國礦業大學學報，2004，33(5):524 -527.

［6］ 張 劍，劉愛卿.巷道群應力場分布特征的數值模擬研究［J］.煤炭工程，2014，46(12):81 -83.

［7］ 康紅普，姜鐵明，高富強.預應力錨桿支護參數的設計［J］.煤炭學報，2008，33(7):721 -726.