復雜應力影響下大巷支護技術研究

張 超

(晉城煤業集團 寺河煤礦，山西 晉城 048019)

·試驗研究·

復雜應力影響下大巷支護技術研究

張 超

(晉城煤業集團 寺河煤礦，山西 晉城 048019)

以山西晉城煤業集團公司寺河礦二號井97采區盤區97102巷為工程背景，對巷道在原有支護方式下圍巖的變形進行分析，提出了預應力"鳥窩"錨索、蛇形錨桿、金屬網聯合支護技術。該技術的研究結果表明：提高了支護系統對巷道圍巖的支護效果，巷道兩幫移近量僅為原支護方式的三分之一，頂底板移近量為原支護方式的70%；巷道圍巖的整體性及抗變形能力得到極大地提高，并為巷道錨桿支護設計提供了新的依據。

“鳥窩”錨索；蛇形錨桿；聯合支護；抗變形能力

礦井開采深度逐漸增大，巷道圍巖較淺部的變形、失穩及破壞現象更加明顯，過去單一的支護方式將無法滿足深部巷道支護的需要，因此有必要采用組合支護形式。我國許多專家學者對組合支護形式進行了研究。將耦合支護技術應用于軟巖復合頂板突出煤層巷道，有效解決了巷道的支護問題[1]；康虹等[2]采取錨網索支護技術解決深部松軟破碎煤層巷道支護問題；牛福龍[3]將錨桿錨索變形匹配技術應用于巷道支護；李書民等[4]將錨網索聯合支護技術應用于深部回采巷道中；何宗禮等[5]用預應力協同支護技術解決這類高應力破碎圍巖巷道的支護問題；在錨桿-錨索支護協同設計時，只有使錨索與錨桿協同配合，才能使錨桿、錨索預應力協同支護的效果達到最優[6]. 基于此，本文以山西晉城煤業集團公司寺河礦二號井97采區97102盤區大巷高強錨桿、錨索聯合支護為研究對象，以提高巷道穩定性，減少巷道圍巖的變形量。

1 工程概況

97102巷為山西晉城煤業集團公司寺河礦二號井97采區盤區大巷，巷道上部3#煤為小煤窯破壞區，東為已掘進的97102巷；西為實體煤；南為實體煤；北為實體煤。97102巷斷面呈矩形，掘進寬度為5.2 m，高3.2 m，掘進斷面積為16.64 m2.

9#煤層位于石炭系太原組中部，含夾矸0～2層，直接頂板為3.3 m粉砂巖，局部地段為石灰巖，老頂為5.3 m的細砂巖，底板為0.8 m的石灰巖。9#煤層頂部距3#煤層51 m左右。9#煤層較穩定，煤層厚度平均為1.42 m，平均傾角為5°，煤層結構簡單。

2 巷道原支護方式及巷道變形觀測

2.1 巷道原支護方式

97102巷主要采用錨網索梁聯合支護，鋼筋托梁采用d12 mm鋼筋焊接而成，寬度100 mm，長度2 300 mm、4 700 mm.

頂板：錨桿排距1 200 mm，間距1 100 mm/1 200 mm，每排5根錨桿；錨索排距為2 400 mm，間距為2 400 mm.

兩幫：錨桿排距1 200 mm，間距1 100 mm，錨桿距頂距離為500 mm.原支護方案見圖1.

圖1 原巷道支護示意圖

2.2 巷道變形觀測

為觀測巷道的變形規律，為下一步對巷道支護方式改進提供依據，采用“十字”布點法觀測巷道表面變形。沿大巷掘進方向每掘進50 m布置一個測試斷面。原支護方式巷道表面位移見圖2.

圖2 原支護方式巷道表面位移曲線圖

由圖2可以看出，原有支護方式下，巷道兩幫移近量為550 mm，頂底板移近量為101 mm. 巷道圍巖的變形量大，該巷道條件不能滿足礦井的正常生產。因此，對原支護方式進行改進，提高巷道的支護效果，降低巷道的維修成本是很有必要的。

3 巷道圍巖變形分析

97102巷受到上覆3#煤層開采時留下的殘留煤柱、斷層等地質構造以及回采動壓等多重因素的影響，巷道礦壓顯現比較明顯。

巷道在受到上覆殘留煤柱的應力集中影響后，應力通過頂板傳送給巷道圍巖，通過巷道頂底板及兩幫釋放出來，導致巷道圍巖發生變形，特別是巷道兩幫的變形量較大。

圍巖既是被支護的對象，又是支護體的一部分。錨桿支護必須把圍巖和錨桿系統作為一個整體考慮。合理的支護設計必須保證圍巖整體性的前提下具有一定的變形讓壓性能，從而保護支護體具有變形耦合和讓均壓能力。根據傳統理論，圍巖應力-變形特性曲線見圖3.

圖3 圍巖應力和變形特性曲線圖

在靜壓力條件下，從圖3可以看出，從支護角度將曲線分為3個區：

1) A區：圍巖處于彈性變形階段，圍巖整體性較完好，變形量小。支護體的工況點應設在低位(60 t/m)，錨桿支護系統應該具有最小讓壓距離20 mm.

2) B區：圍巖基本處于彈塑性變形階段，基本保持穩定，彈塑性變形區沒有超過錨桿的支護范圍，錨桿系統仍然起到支護作用。

3) C區：圍巖破壞，支護系統承受破碎巖石的靜載荷。若錨桿系統的支護范圍小于破壞范圍，則錨桿系統受力將變為0，徹底失去其支護作用，錨桿支護系統將與圍巖一起移動。

支護系統應達到保證巷道長期穩定、適應回采工作面的動壓需求及地質條件變化的目的。因此需在原有巷道支護技術的基礎上對其進行改進，特別是對錨桿、錨索進行改進，提高其抗變形、讓壓性能，可以提高對巷道的支護效果。

4 改進后巷道支護方式及巷道變形觀測

在上述理論的基礎上，對錨桿進行改進，采用蛇形錨桿，提高錨桿的可變形性、讓壓性能，見圖4；采用快裝高預應力“鳥窩”錨索，提高錨索的錨固力、錨固范圍及讓壓性能，見圖5.

圖4 蛇形錨桿示意圖

圖5 快裝高預應力“鳥窩”錨索示意圖

4.1 巷道改進后支護方式

改進后的巷道支護方式為：預應力“鳥窩”錨索、蛇形錨桿、金屬網聯合支護。

頂板：錨桿排距1 200 mm，間距1 100 mm，每排5根錨桿，錨桿150 mm×150 mm×8 mm高強托盤；錨索采用“三花”布置，排距為2 400 mm，間距為2 200 mm，300 mm×300 mm×10 mm高強托盤。

改進后的支護方案見圖6.

圖6 改進后的巷道支護示意圖

4.2 支護方式改進后巷道變形觀測

為觀測巷道的變形規律，確定改進后的支護方式對巷道的支護效果，采用“十字”布點法觀測巷道表面變形。沿大巷掘進方向每掘進50 m布置一個測試斷面。支護方式改進后巷道表面位移見圖7.

圖7 支護方式改進后巷道表面位移曲線圖

由圖7可以看出，對支護方式進行改進后，巷道圍巖變形在距工作面100 m后趨于穩定，巷道兩幫移近量為170 mm，頂底板移近量為70 mm. 巷道圍巖的變形量較原支護形式有大幅的降低，巷道兩幫移近量僅為原支護方式的1/3，頂底板移近量為原支護方式的70%，取得了良好的支護效果。

5 結 論

本文提出了預應力“鳥窩”錨索、蛇形錨桿、金屬網聯合支護技術，該技術提高了支護系統對巷道圍巖的支護效果，巷道兩幫移近量僅為原支護方式的1/3，頂底板移近量為原支護方式的70%，保證了巷道長期正常安全使用；通過該技術巷道圍巖的整體性及抗變形能力得到極大地提高，有效地解決了復雜應力影響下巷道支護技術難題，并為巷道錨桿支護設計提供了新的依據。

[1] 黃 銳，郭 琪，馬 馳，等.大變形巷道彈性錨噴混凝土耦合支護技術研究及應用[J].中國安全科學學報,2012,22(7):95-100.

[2] 康 虹，胡尚斌，陳 建，等.復雜地質條件下回采巷道錨網索支護參數優化研究與應用[J].科技與創新,2015(20):84-85.

[3] 牛福龍.錨桿錨索變形匹配技術在巷道支護中的應用[J].煤炭科學技術,2010,38(6):29-33.

[4] 李書民，孫小巖，白楊楊.深部回采巷道錨網索聯合支護技術實踐[J].煤炭科學技術,2012,40(1):39-41.

[5] 何宗禮，陳高君.煤礦深部巷道預應力協同支護技術研究[J].煤炭科學技術,2013,41(3):35-38.

[6] 李春生.深部大巷圍巖支護優化設計研究[J].機械管理開發,2015,30(7):33-36.

ResearchonSupportTechnologyofRoadwayinInfluenceofComplexStress

ZHANGChao

Taking the engineering of No.97102 roadway in Sihe mine, Jincheng coal industry group, Shanxi Province as the case for research. After analyzing the original surrounding rock deformation, the paper proposed the joint support scheme of pre-stress "bird's nest" plus anchor, snake shaped bolt and metal net comprehensive technology. The results showed that the two sidewall deformation reduced by 2/3 and the convergence between roof and floor decreased by 30% respectively compared with the originals. This technique improved the effect of support system on roadway surrounding rock, increased the integrity of surrounding rock and its ability to resist deformation, and provided a new basis for support .

Bird's nest anchor; Snake shaped bolt; Combined support; Deformation resistance

2017-08-16

張 超(1988—)，男，山西晉城人，2011年畢業于河南理工大學，助理工程師，主要從事煤礦生產技術管理工作

(E-mail)liuchengwei0128@163.com

TD353

B

1672-0652(2017)11-0039-04