臨近采空區(qū)側(cè)巷道支護技術的研究與應用

王革良 趙順利

摘 要：在地下煤巖進行采掘活動過程中，勢必對回采工作面周圍煤、巖體中和其中的支護物上所產(chǎn)生新的應力現(xiàn)象，出現(xiàn)如頂板下沉，底板鼓起，巷道變形后斷面縮小等情況的發(fā)生。因此，巷道支護設計的科學性與合理性直接關系到錨桿支護工程的質(zhì)量優(yōu)劣。針對N2722工作面運順靠近N2711采空區(qū)的實際情況，在現(xiàn)有的錨桿支護設計基礎上，對N2722工作面靠采空區(qū)側(cè)巷道頂板采用φ28.6×6000的粗錨索和幫采用短錨索+錨桿+舊鋼絲繩聯(lián)合支護設計，較好的解決了靠采空區(qū)側(cè)巷道幫收斂量大，不宜維護的情況。減輕了邊回采邊劈幫的現(xiàn)狀，取得了令人滿意的效果。

關鍵詞：巷道；錨桿；錨索支護；應用

1 概述

錨桿支護目前仍然是一種有效的、技術經(jīng)濟優(yōu)越的巷道支護方式。采用錨桿支護的優(yōu)點是支護成本較低、成巷速度快、勞動強度減輕、提高了巷道斷面的利用率、簡化回采面端頭維護工藝、明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等優(yōu)點，可提高礦井的經(jīng)濟效益，因而成為礦井巷道的一種主要支護形式。也代表了煤礦巷道支護技術的主要發(fā)展方向。錨桿支護可大幅度的降低巷道支護維修費用，提高巷道掘進速度和生產(chǎn)效率；在巷道跨度增大時，即在大跨度巷道的情況下，單純用錨桿對巷道進行支護可能會引起巷道頂板在一定高度范圍內(nèi)整體垮落，在這種情況下可以進行“錨桿+錨索”聯(lián)合支護，可將整個潛在冒落范圍內(nèi)的巖層懸吊在較穩(wěn)定的巖層中，從而使得該巷道頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。預應力錨索支護除能夠起到普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用外，還能對巷道圍巖進行深部錨固，在實際應用中往往錨桿與錨索配合使用。

1.1 錨桿支護的原理

錨桿支護主要由錨桿、錨固件、金屬網(wǎng)和鋼帶組成。錨桿構(gòu)件主要提供抗拉和抗剪作用，錨桿通過錨固劑將鉆孔孔壁巖石與桿體粘接在一起。對于端部錨固錨桿，錨固劑的作用在于提供粘結(jié)力，使錨桿能承受一定的拉力。錨桿拉力除錨固端外，延長度方向是均勻分布的。由于錨桿與鉆孔間有較大空隙，所以錨桿的抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯動后才能發(fā)揮出來； 金屬網(wǎng)的主要作用是維護錨桿間的圍巖，防止松動巖塊掉落。金屬網(wǎng)所能承受松散巖石的載荷與錨桿間距密切相關；鋼帶的作用除可以防止錨桿間的松動巖塊掉落外，還可均衡錨桿受力，改善頂板巖層應力狀態(tài)，與錨桿共同形成組合支護系統(tǒng)，增加圍巖的穩(wěn)定性。

1.2 錨索作用機理

錨索支護基于錨桿支護原理中的懸吊理論，再增加適當大小的預應力，支護后圍巖不至形成離層脫落，確保圍巖穩(wěn)定，是一種傳遞主體結(jié)構(gòu)的支護應力到深部穩(wěn)定巖層的主動支護方式。

錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的關鍵承載層相連，提高次生承載層的穩(wěn)定性。同時，由于錨索可施加較大的預緊力，可擠緊巖層中的層理、節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。

目前，煤巷支護設計方法大致分為三類，即工程類比法、理論計算法及實例法。其中：工程類比法是當前應用較廣的方法。它是根據(jù)已經(jīng)支護的類似工程的經(jīng)驗，通過工程類比，直接提出支護參數(shù)。

2 現(xiàn)有工作面支護設計分析

利用以往的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：

采用目前的支護形式對正常工作面支護基本能滿足回采安全要求，工作面靠采空區(qū)一側(cè)布置時，未采取補強措施的巷道底鼓嚴重，最大的底鼓量可達1000mm；兩幫收斂量最大達1500mm，個別數(shù)據(jù)點出現(xiàn)突變，通過現(xiàn)場的監(jiān)測，兩幫的變形主要以采空區(qū)側(cè)幫為主；頂板下沉不明顯，數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)。處于向斜軸部的巷道變形嚴重，底鼓及頂板下沉明顯，數(shù)據(jù)說明地質(zhì)構(gòu)造對巷道圍巖的受力狀態(tài)及變形分布有著較大的影響?；夭蛇^程中需要專門隊伍進行劈幫和拉底。

另外，巷道寬度采用5500mm或4800mm時，兩幫收斂的效果基本是一樣的，說明工作面回采時主要的應力來自采空區(qū)側(cè)，即采空區(qū)側(cè)的頂部巖層尚未充分冒落壓實，開始回采下一個工作面，新工作面的頂部巖層隨采動冒落后，與舊的采空區(qū)頂部巖層部分冒落形成新的圍巖應力平衡，主要反映在水平方向上，即應力由老采空區(qū)向新的采空區(qū)傳遞。應力傳遞的結(jié)果是，由于巷道頂板采用錨桿+錨索聯(lián)合支護，并且錨索布置數(shù)量較多，應力只有從靠近采空區(qū)側(cè)的幫和地板釋放，造成兩幫收斂量大和底鼓變形較為嚴重，回采時必須進行劈幫和拉底才能正常生產(chǎn)。

因此，對工作面靠近采空區(qū)一側(cè)布置的巷道必須采取補強措施，才能徹底解決回采過程中出現(xiàn)的兩幫收斂量大和底鼓嚴重的問題。

3 工作面概況

N2722工作面位于北二采區(qū)七層，走向1270m，切眼長236m，設計可采儲量89萬t。工作面南部為北二采區(qū)七層中巷，北部與大明煤礦井田邊界相鄰，西部為未采動區(qū)。工作面煤層整體呈向斜構(gòu)造，煤厚1.90～2.70m，平均2.3m。煤種為長焰煤，硬度2～3。

頂?shù)装鍘r性：直接頂為粉砂巖、細砂巖，平均厚度5.63m，細砂巖與粉砂巖水平層理發(fā)育。老頂為粗砂巖，平均厚度為6.54m，灰白色、無層理、硬度大、含水。直接底為粉砂巖，平均厚度4.54m，深灰色、泥質(zhì)膠結(jié)、含植物化石。N2722工作面布置平面圖見圖1。

圖1 N2722工作面布置平面圖

4 工作面原有支護設計

4.1 確定巷道支護型式

根據(jù)N2722回采工作面綜合柱狀分析，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.63m；老頂為粗砂巖，平均厚度6.54m。屬較穩(wěn)定巖層，適合錨網(wǎng)支護。根據(jù)鄰近七層皮帶中巷、軌道中巷的支護經(jīng)驗，初步確定采用矩形斷面，錨桿+金屬網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護。

4.2 巷道支護參數(shù)設計

采用類比法合理選擇支護參數(shù)：根據(jù)鄰近皮帶中巷、入風中巷的支護經(jīng)驗，運順頂錨桿選用M22×2200mm的螺紋鋼等強錨桿，錨桿間距900mm，排距900mm，錨固劑選用CKM23120×1。幫錨桿選用φ18×1800mm的螺紋鋼等強錨桿，間距1000mm，排距900mm，錨固劑選用CK2360×1，錨索選用φ21.8×6000mm鋼絞線，間距1800mm，排距1800mm，錨固劑選用CKM23120×1，布置形式見斷面圖。見圖2。

5 支護補強

N2722工作面運順靠近N2711采空區(qū)，頂?shù)装鍘r性主要以砂質(zhì)泥巖為主，并且N2711工作面回采結(jié)束時間較短，工作面之間煤柱預留5m，預計回采時受采空區(qū)采動影響較大，受采空區(qū)應力影響較大的位置主要為從頂板往下1/3的區(qū)域。為減少N2711采空區(qū)對N2722工作面回采期間的影響，故在原有支護的基礎上對巷道增加補強支護設計。補強支護及幫支護設計見圖3。

（1）頂錨索由原？覫21.8×6000mm調(diào)整為？覫28.6×6000mm，錨索間距由1800mm調(diào)整為2700mm。在工作面運順靠采空區(qū)一側(cè)幫施工？覫21.8×4000mm短錨索，距頂板1300mm。錨索施工角度為60°，錨索排距1800mm，錨固劑使用CKZ23120×1。（2）工作面運順下幫各錨桿之間使用？覫15.5破2股舊鋼絲繩連接。

6 施工工藝及措施

（1）支護要求錨桿、錨索達到預緊力及錨固力要求；網(wǎng)片展緊、貼幫；錨桿、錨索錨固長度、外露長度，幫、頂錨桿、錨索間、排距、角度符合要求。（2）先施工頂錨桿（索），再施工幫錨桿（索）。錨桿（索）間排距按設計要求進行布置。幫錨桿纏繞舊鋼絲繩隨施工進度進行。（3）錨桿（索）施工順序：鉆孔、裝錨固劑、裝錨桿（鋼絞線）、攪拌、上托盤、預緊（鎖緊）。（4）打錨桿（索）眼時，鉆機必須放穩(wěn)，開始鉆進時，氣腿要緩慢升起，領釬人在鉆進50mm時，方可撤離，換釬時待鉆機完全停止時，方可換釬，嚴禁突然加大風量造成折斷釬桿現(xiàn)象發(fā)生。（5）裝錨桿（鋼絞線）錨固時，先用錨桿（鋼絞線）把兩個錨固劑送到眼內(nèi)再把錨桿（鋼絞線）固定到注眼器內(nèi)，注眼器與錨桿（鋼絞線）必須固定牢固。（6）錨固時氣腿要緩慢升起，轉(zhuǎn)動錨桿（鋼絞線）、將錨桿（鋼絞線）外露40～60mm（200～300mm），按規(guī)定時間攪拌后預緊（鎖緊）。（7）鋼絲繩必須拉緊貼幫并纏繞到幫錨桿上，然后加錨桿托盤進行緊固。

7 效果評價

（1）工作面靠采空區(qū)一側(cè)布置的巷道頂板采用？覫28.6粗錨索，幫增加？覫21.8短錨索和鋼絲繩聯(lián)合支護后，效果十分明顯。工作面目前已回采700m，通過現(xiàn)場實際觀測，下幫收斂量控制在500mm以內(nèi)，工作面回采過程中不需要劈下幫。節(jié)省了劈幫工程量，降低了工人的勞動強度。（2）在現(xiàn)有錨桿與錨索聯(lián)合支護的基礎上，加強靠近采空區(qū)一側(cè)巷道整體支護強度，尤其是粗錨索的應用，對預防巷道頂板下沉量過大和靠采空區(qū)一側(cè)幫收斂具有積極作用。（3）靠采空區(qū)一側(cè)巷道幫增加短錨索與頂板施工粗錨索組合支護可有效控制淺部巖層離層，將破碎巖體與頂部圍巖聯(lián)成一個整體，可充分發(fā)揮圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形。

作者簡介：王革良（1968-），男，畢業(yè)于黑龍江礦業(yè)學院采礦專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事采礦管理。