裂隙發育巖體巷道快速支護技術研究

高 梓

(西山煤電集團有限責任公司 官地礦, 太原 030022)

裂隙發育巖體巷道快速支護技術研究

高 梓

(西山煤電集團有限責任公司 官地礦, 太原 030022)

針對官地礦裂隙發育頂板巷道支護困難、掘進速度慢的問題，采用了鉆孔圍巖結構窺視和強度測試，掌握了頂板的裂隙發育和強度分布規律，提出了采用高預應力錨桿錨索組合支護系統，巷道頂板保持良好的穩定性，巷道的日單進水提高46.7%，效果顯著。

結構窺視；強度測試；組合構件；快速支護

錨桿支護是我國煤礦巷道最主要的支護方式[1]，安全、快速、高效的巷道掘進與支護技術是保證礦井實現高產高效的必要條件，在總的成巷時間內，支護工序占據了大部分時間，因此提高成巷速度的關鍵是縮短支護時間，提高支護速度[2]。目前常用的煤巷快速掘進和支護技術大致可以分為三種：連續采煤機與錨桿臺車交叉換位掘進；掘錨一體化的掘錨機組；懸臂式掘進機與單體鉆機配合工藝[3-5]。但前兩種對煤巷的數目、地質條件、斷面形狀、工序組織要求苛刻，大面積的推廣受到了限制,目前多采用懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機配合工藝，如何在現有的條件下實現巷道的快速掘進需要開展進一步的研究。

官地煤礦地質構造復雜，截止2014 a，揭露陷落柱696個，落差大于20 m的5條,在采掘過程中揭露3 m～5 m正斷層127條、逆斷層19條，1 m～3m正斷層730條、逆斷層114條，地質類型為復雜。官地煤礦目前正在掘進的2號煤層，頂板構造復雜，頂板裂隙發育，嚴重影響了巷道掘進速度，需要對開展深入的研究。

1 巷道圍巖地質力學測試

官地煤礦2號煤層12605正巷埋藏深度315.5 m，2號煤層平均厚度2.8 m，巷道不受周邊采動影響。為了掌握巷道頂板裂隙發育狀況，開展了巷道圍巖地質力學測試， 測試了圍巖的結構和強度特征，見圖1和圖2。

頂板0 m～1.2 m為砂質泥巖，裂隙非常發育，巖層不完整，巖層平均強度為33.65 MPa；頂板1.2 m～5.0 m為細砂巖，3.4 m處有泥巖夾層，離層較多，裂隙發育，巖層平均強度為61.58 MPa。5.0 m～8.0 m為砂質泥巖，裂隙發育，少量離層，巖層平均強度為24.04 MPa。

圖1 圍巖結構窺視Fig.1 Structure peep of surrounding rock

圖2 圍巖強度測試Fig.2 Strength test of surrounding rock

從強度測試曲線可以看出，同一巖層的強度波動范圍極大，對于砂質泥巖，強度最低位21 MPa，最高為48 MPa，同時受地質構造的影響也會對巷道圍巖強度產生較大影響，因此必須注重頂板的護表能力，同時提高支護強度和剛度，防止頂板淺部裂隙的進一步擴展。

2 原支護材料解析

12605正巷目前均沿2號煤層頂板掘進，巷道采用矩形斷面，尺寸為4.2 m×2.8 m，，采用錨桿、錨索及鋼筋托梁支護。

2.1 頂板護表構件

目前官地煤礦采用的是鋼筋托梁，但對于裂隙發育煤巖體頂板，鋼筋托梁護表面積小，同頂板呈線性接觸，支護效果差，但全部采用W鋼帶，支護效果好，但成本過高，為此針對官地礦頂板研制了W短鋼帶和鋼筋托梁組合構件，既保證有一定的護表面積、強度和剛度，又經濟合理，便于施工。

2.2 錨桿托板

圖3是不同尺寸錨桿托板在圍巖應力中分布狀態，從圖中可看出：隨著錨桿托板尺寸增加，圍巖內部高壓應力區范圍不斷擴大，錨桿托板尺寸對預應力場的分布有明顯影響，托板在預應力支護系統中起非常重要的作用。因此對于節理裂隙巖體，應選擇護表更大的錨桿托板，實現預應力的有效擴散。

官地煤礦目前采用的是110 mm×110 mm×8 mm的拱形托板，錨桿托板球窩幾何形狀與力學性能應與球形墊圈匹配，因此選擇150 mm×150 mm×10 mm可調心拱形錨桿托板作為支護構件。

圖3 不同尺寸錨桿托板圍巖預應力場Fig.3 Prestressed field of surrounding rock under anchored bolt plates with different sizes

2.3 錨索

錨索應將錨桿支護形成的次生承載結構與深部圍巖相連，發揮深部圍巖的承載能力，提高次生承載結構的穩定性。因此，錨索應錨固在圍巖內部相對較穩定的巖層中，根據圍巖結構測試圍巖強度測試結果可知在頂板3.8 m～5.0 m范圍為細砂巖，強度較高，為此選擇錨索錨固在此范圍。同時在巷道支護中，應優先選用抗拉強度等級不低于1 860 MPa，延伸率不低于3.5%，直徑不小于17.8 mm的鋼絞線；對于高應力、大斷面、動壓影響等復雜困難巷道應優先選擇直徑不小于20 mm的強力錨索。

根據12605工作面巷道服務年限和使用用途，以及官地礦巷道圍巖結構觀測結果，3.8 m～5.0 m范圍圍巖結構和強度相對較好，確定12605正巷采用Φ21.6 mm×4 300 mm的低松弛高強度預應力錨索。

3 巷道支護設計

基于地質力學測試成果、支護材料和支護參數的研究，確定12605支護設計，見圖4。

頂板錨桿Φ20-M22-2 400 mm螺紋鋼錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距900 mm；采用1支CK2360和1支K2380樹脂錨固劑加長錨固；幫錨桿Φ20-M22-2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨桿排距1 200 mm，間距1 000 mm，采用1支K2380樹脂錨固劑錨固，配合W鋼護板；托板采用可調心拱型高強度托盤，規格為150 mm×150 mm×10 mm。

4-a 巷道支護仰視圖

4-b 巷道支護正視圖

頂板組合構件：采用鋼筋托梁和W短鋼帶組合焊接而成，鋼筋托梁：采用直徑為12 mm的圓鋼焊接而成，寬度為210 mm，長度為3 950 mm；W短鋼帶，寬度280 mm，長度300 mm，厚度3 mm。

錨索為Φ21.6 mm×4 300 mm高強度低松弛預應力鋼絞線，采用一支CK2360和兩支K2380低粘度樹脂藥卷錨固；采用“二一二一”間隔布置，錨索排距2 400 mm，間距1 800 mm。

頂錨桿預緊力矩≥300 N·m；頂錨索預緊力為200 kN。

通過井下支護效果可以看出，對于節理裂隙發育的煤巖體，采用高預應力錨桿錨索組合支護系統，采用新型頂板組合護表構件，巷道頂板保持了良好的穩定性。采用原支護設計錨桿排距為1.0 m，新支護方案錨桿排距為1.2 m，同時優化施工工序，實現快速支護，使得巷道的日單進水平由日單進9.0 m提升至13.2 m，掘進速度提高46.7%，有效的保證了工作面的正常銜接，取得了巨大的經濟效益。

4 結束語

1)采用鉆孔圍巖結構窺視和強度測試掌握頂板的裂隙發育和強度分布規律，有效指導支護設計。

2)對各構件的力學性能進行了分析，同時研發出新型護表構件，加大裂隙發育巖體的護表面積，提高錨桿的預應力擴散效率，實現主動支護

3)采用高預應力錨桿錨索組合支護系統，巷道頂板保持了良好的穩定性，巷道的日單進水提高46.7%，效果顯著。

[1] 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，2007.

[2] 康紅普，王金華，林?。哳A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(12)：1233-1238.

KANG Hongpu,WANG Jinhua,LIN Jian.High Pretensioned Stress and Intensive Bolting System and Its Application in Deep Roadways[J]．Journal of China Coal Society,2007(12)：1233-1238.

[3] 吳春汶，劉善勇.掘進巷道錨桿快速支護施工工藝[J].山東煤炭科技，2004，2008(5)：4-5.

[4] 于勵民，樊曉紅,楊艷初,等.掘進巷道懸掛式邁步超前支架的方案設計[J].采礦與安全工程學報，2009，26(3)：391-394.

YU Limin,FAN Xiaohong,YANG Yanchu,etal.A New Design for Preceding Support of the Hanging and Striding Pattern on Laneway Roof[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(3)：391-394.

[5] 張洪鵬.快速掘進支護工藝和液壓自移式掘進超前支架的研究與應用[J].山東煤炭科技，2008(4)：4-5.

RapidSupportingTechnologyinRockRoadwayswithFractureDevelopment

GAOZi

(GuandiMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Taiyuan030022,China)

To solve the difficult supporting and slow draining in roof roadway with fracture development in Guandi Mine, structure peep and strength test with boreholes on surrounding rock are adopted to achieve the law of the fracture development and strength distribution. High prestressed bolt and cable support technology could guarantee roof stability and increase water intake per day by 46.7% remarkably.

structure peep;strength test;combined components; rapid supporting

1672-5050(2017)01-0014-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.004

2016-12-13

高梓(1978-)，男，山西朔州人，大學本科，工程師，從事煤炭開采技術研究及實踐工作。

TD322

A

(編輯:武曉平)