軟弱圍巖回采巷道支護優化研究

祁虎根，薛旭輝

(1.霍州煤電集團，山西 霍州 031400； 2.霍州煤電集團 研究院，山西 霍州 031400)

軟弱圍巖回采巷道支護優化研究

祁虎根1，薛旭輝2

(1.霍州煤電集團，山西 霍州 031400； 2.霍州煤電集團 研究院，山西 霍州 031400)

三交河煤礦下組煤回采巷道圍巖巖性特征變化較大，部分回采巷道頂板存在軟弱泥巖，局部巷道在掘進過程中頂板出現隨掘隨冒落現象，嚴重影響礦井安全生產和經濟效益。為保證巷道支護安全，同時進一步降低巷道支護成本，提高巷道掘進效率，通過現場調研、錨固力試驗、巷道圍巖地質力學測試，結合已有經驗成果，分析了現有巷道支護存在的問題，提出了合理的巷道支護初始設計，增加了錨桿錨索預緊力。通過對支護設計井下現場應用跟蹤和礦壓監測數據收集分析，得出錨桿錨索受力滿足高預應力要求，最大錨桿受力接近其屈服強度，錨桿錨索承載力得到充分發揮，在保證安全的條件下巷道掘進效率提高38%，驗證了新支護設計的合理性。

軟弱圍巖；高預緊力；支護優化；地應力測試

1 試驗巷道布置情況

11-0031巷井下位于+850 m水平，埋深280 m，其東側為11-001回采工作面煤柱寬度40 m，西側為實體煤，南端為實體煤，北端為下組煤東軌道巷。11-0031巷總工程量為1 507 m，11-0032巷總工程量為1 667 m. 工作面布置示意圖見圖1.

圖1 11-003工作面布置示意圖

2 工作面煤層頂底板圍巖分布情況

11-003工作面11#煤層厚度2.7 m，煤層之上依次為平均厚度2 m的泥巖，平均厚度2 m的10#下煤層，基本頂為K2灰巖。煤層之下依次為平均厚度2.7 m的泥巖，平均厚度2.2 m的泥灰巖，平均厚度2 m的泥巖。煤層及頂底板情況見圖2.

3 下組煤圍巖地質力學特征[1]

對三交河煤礦下組煤巷道支護現狀進行調研分析，選定圍巖地質力學測試點，進行地應力、圍巖強度與圍巖結構測試，為確定巷道支護參數奠定基礎。圍巖結構觀測結果、圍巖強度和水力壓裂曲線分別見圖3，圖4，圖5.

圖2 11-003工作面巖層柱狀圖

圖4 頂板巖體強度測試結果圖

圖5 測站水力壓裂曲線圖

4 原有支護形式及存在的不足

11-003正副巷為矩形斷面，沿11#煤層頂板掘進，掘寬4.3 m，掘高3 m，頂板支護采用錨網、鋼帶、錨索、槽鋼聯合支護方式，頂錨桿選用d22 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm. 錨索選用d21.6 mm×8 200 mm的鋼絞線，每6 m施工一組至K2灰巖1 m以上，錨索“二·二”布置，間排距1 600 mm×2 000 mm，錨索托盤采用22#槽鋼配套180 mm×180 mm×12 mm平鋼板。幫部采用錨網梁支護方式，幫錨桿選用d20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼，“四·四”布置，間排距900 mm×1 000 mm. 巷道支護參數見圖6.

圖6 11-003原有巷道斷面支護圖

原有巷道支護存在的不足：1) 錨索預緊力偏低。原設計中錨索預緊力為40 MPa，現場查看錨索張拉機具，40 MPa所對應的預緊力為160 kN，考慮錨索張拉后30%的預緊力損失，實際預緊力為110 kN. 通過實驗d21.6 mm的錨索體破斷載荷為520 kN. 康紅普院士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，原設計錨索預應力偏低，影響了錨桿錨索支護作用的發揮。2) 錨索托盤采用22#槽鋼配套180 mm×180 mm×12 mm平鋼板。a) 由于圍巖表面不平整等原因，較難保障所施工的錨索間距正好為槽鋼的孔距，容易使錨索尾部受到彎剪破壞，不利于錨索預緊力擴散。b) 槽鋼孔和鋼板均為氧焊燒孔，成孔光滑度較差，容易剪切錨索。c) 平托板無法調心，只適用于錨索垂直巷道表面布置的情況，如果巷道表面不夠平整則容易造成錨索受偏載的作用，對錨索受力狀態造成不利影響，嚴重時托盤會剪切錨索，將錨索切斷。3) 頂板焊接鋼筋網為d4 mm鋼筋，網格為110 mm×105 mm，搭接采用點焊，根據同類鋼筋網在大變形巷道的應用發現，鋼筋網焊點易開裂，難以抵抗巷道的網包變形。4) 頂板錨索每6 m施工一組錨固至K2灰巖1 m，導致K2灰巖水從錨索孔流出，同時由于頂板為10#煤和泥巖復合層且含硫量較高，泥巖遇水后承載力顯著降低，不僅影響錨索錨固，而且對錨索造成銹蝕。

5 11-003巷道支護優化初始設計[2-4]

11-003巷斷面設計為矩形斷面，掘寬4.3 m，掘高3.0 m，掘進斷面12.9 m2. 頂板錨桿形式和規格為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.5 m，鋼材屈服強度為335 MPa. 錨固方式為樹脂加長錨固，采用一支規格為CK2340，另一支規格為Z2360. 鉆孔d28 mm，錨固長度為1 763 mm. 托板采用拱型高強度托盤，規格為150 mm×150 mm×8 mm，配調心球墊和減摩墊圈。采用單體錨桿配W鋼護板，規格為厚度3 mm，寬280 mm，長度450 mm. 錨桿排距1 100 mm，每排5根錨桿，間距950 mm. 錨桿預緊扭矩不低于300 N·m. 錨索形式和規格：錨索材料為d21.6 mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度8.3 m，每排兩根布置，間排距1 600 mm×2 200 mm. 錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部。采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板，托板高不低于60 mm，配調心球墊。錨索張拉預緊力：200～250 kN.

巷幫支護錨桿形式和規格為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，采用拱型高強度托盤，配調心球墊和減摩墊圈。W鋼護板規格為厚度3 mm，寬280 mm，長度450 mm，錨桿預緊扭矩不低于300 N·m. 巷道支護斷面示意圖見圖7.

6 礦壓監測分析

在11-003(1)巷310 m位置設置一組礦壓綜合觀測站，分析監測數據，頂幫錨桿初始預緊力在53～83 kN，超過錨桿桿體屈服載荷的50%，錨索初始預緊力為160 kN，實現高預應力支護，之后頂板錨桿受力始終保持穩定狀態。11-0031巷錨桿錨索受力曲線見圖8.

圖7 11-003巷優化支護斷面圖

圖8 11-0031巷錨桿錨索受力曲線圖

在11-003(2)巷550 m位置，安設一組礦壓監測測站，分析監測數據，頂幫錨桿初始預緊力最低達到了41 kN，穩定在60 kN左右，隨著巷道向前繼續掘進，錨桿受力基本穩定，巷道圍巖穩定。頂板錨索初期預緊力131 kN，考慮損失滿足要求，之后略有減小，直至平穩。11-0032巷錨桿錨索受力曲線圖見圖9.

圖9 11-0032巷錨桿錨索受力曲線圖

7 結 論

通過現場調研、錨固力試驗、巷道圍巖地質力學測試，結合已有經驗成果，分析了現有巷道支護存在的問題，增加了錨桿錨索預緊力，提出了合理的巷道支護初始設計，通過對支護設計井下現場應用跟蹤和礦壓監測數據收集分析，錨桿錨索受力滿足高預應力要求，最大錨桿受力接近其屈服強度，錨桿錨索承載力得到充分發揮，在保證安全的條件下巷道掘進效率提高38%，驗證了新支護設計的合理性。

[1] 康紅普.煤巖體地質力學原位測試及在圍巖控制中的應用[M].北京:科學出版社，2013：216-228.

[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，2009：67-95.

[3] 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.

[4] 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.

Study on Optimization of Mining Roadway Support in Soft Surrounding Rock

QI Hugen, XUE Xuhui

The lithologic characteristics of the surrounding rock of the coal mining tunnel in the Sanjianhe coal mine varies greatly. The roof appears soft in some section, and is prone to collapse while excavation all of which affects the mine safety production and economic benefit seriously. In consideration of the safety and cost reduction for the roadway support during tunneling, field investigation and anchoring stress test and geotechnical test are conducted, combined with existing experience, the paper puts forward reasonable design improvement on roadway support and the pre-tightening force of anchor cable. Field application and monitoring data of rock pressure monitoring show that the stress of anchor and anchor cable meets the requirement of high prestress, with the maximum anchor force is close to its yield strength, and the bearing capacity of the anchor cable is given full play. Under the safe conditions, the tunneling efficiency improved by 38%, which on the other hand proves the rationality of the new support design.

Soft surrounding rock; High pre-stress; Support optimization; Ground stress test

2017-04-21

祁虎根(1974—)，男，山西靈石人，2014年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦安全管理和工程技術工作

(E-mail)836074373@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)06-0016-05