近距離頂煤開采下部巷道加固措施研究

李洪剛

摘要：以巷道變形特征著手，由表及里揭示變形因素，然后依據變形因素研究分析變形機理，依據現代力學理論與原理，研究變形的控制機理及控制措施。通過控制措施，對巷道進行補強支護，變形量得到抑制并控制在所要求的范圍內，可以保證巷道的正常使用。

關鍵詞：近距離；變形機理；控制措施；補強支護

近距離頂煤開采對下部巷道的影響主要表現在工作面推進過程中，因煤層開挖導致的地應力重新分布，在工作面前方一定范圍內發生的的應力集中現象，現場通常稱之為采動壓力顯現，距離越近，動壓顯現越突出。

1 1131（3）工作面下方軌道大巷概況

1131（3）工作面下方-650m東翼軌道大巷巷道目前破壞較為嚴重，主要表現在：拱部炸皮開裂、局部拱頂巖體破碎、兩幫內收、底臌、U型棚拱部彎折、跪腿等?？紤]到即將開采的厚度達6m的上覆11-3煤層相距很近，開采過程中產生的較大的集中應力和動壓會導致圍巖應力急劇、大幅上升，為了避免后期巷道發生更為嚴重的變形與破壞，保證其正常的使用，決定對-650m東翼軌道大巷進行加固。

1.1 巷道前期破壞因素

依據對巷道所處地理環境、圍巖性質、工作面布置與開采情況的了解與分析，巷道前期破壞的主要因素可概括為如下3個方面：

（1）目前巷道上方煤層的右翼工作面已經開采完畢，該工作面邊緣距巷道的水平向距離約130m左右，該工作面的開采已使得包括巷道在內區域的地應力重新分布，重新分布后的水平地應力較工作面開挖前發生了較大的增加。

（2）巷道所處圍巖內部具有較大的構造應力，構造應力使得巷道發生了極為明顯的非對稱變形。

（3）軌道大巷與回風大巷相距很近，只有25m左右，兩條巷道開挖產生的次生地應力互相影響。

由于上述因素的影響，巷道目前破壞十分嚴重，且反復修復后并無明顯效果。

1.2 巷道后期破壞因素

距巷道正上方20m-35m處有5m-6m厚的煤層待采，正上方1131（3）工作面的開采將形成非常大的動壓影響，這一影響對巷道的破壞程度將遠遠超過巷道前期的破壞程度，使得巷道處于更為惡劣的應力環境中。

2 補強加固基本方案

1131（3）工作面下方-650m東翼軌道大巷原支護方案為錨網噴支護方案，因破壞較為嚴重，初步進行的修復方案為在巷道內側套架29U型金屬棚。

初期修復采用的棚間距800mm，巷道的加固需在目前架棚的基礎之上進行。針對此種情況，經反復研究、討論，最后形成如下的補強加固方案。

2.1 加固工藝

先布置錨桿（索），后注漿；由下向上安裝幫部錨桿（索）→安裝拱腰部位錨桿（索）→安裝頂部錨桿（索）→安裝底角錨桿（索）→混凝土噴層→注漿。

2.2 基本加固參數設計

底角錨桿（索）：錨桿（索）采用Φ24mm×3000mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強預應力錨桿（索），錨桿（索）托盤為10×150×150 mm的蝶形鋼板。錨桿（索）與水平呈400—450角度布置，底角錨桿（索）孔必須鉆在幫底交界處，托盤下必須用混凝土填實，托盤與底角錨桿（索）必須呈垂直關系，排距800mm。

幫部錨索：錨索采用Φ22mm×5000mm的高強錨索。幫部補強錨索共兩排，具體方式與布置位置見圖1所示。

拱腰部錨桿（索）：錨桿（索）采用Φ24mm×3300mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強預應力錨桿（索），錨桿（索）托盤為10×150×150 mm的蝶形鋼板。拱腰部錨桿（索）處于拱腰部位，錨桿（索）與水平呈450角。

頂部錨桿（索）：錨桿（索）采用Φ24mm×3300mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強預應力錨桿（索），錨桿（索）托盤為10×150×150 mm的蝶形鋼板。錨桿（索）處于拱頂中部。

箱梁：用舊29U型棚截割制作而成。每垮箱梁長度1000mm，共約束2架棚腿。箱梁中開設直徑26mm的圓孔作為錨桿（索）的穿孔。拱腰部位和頂部的箱梁必須用卡攬與U型棚緊密拴在一起，以防錨桿（索）斷裂箱梁下落傷人。

2.3 注漿施工參數

噴砼：巷道全斷面噴厚100mm，強度為C20，采用P.O32.5水泥，水泥：黃沙：瓜子片按重量配比為1：2：2，水灰比為0.45：1，速凝劑為水泥重量的3%。

注漿孔布置

淺孔排距為3.6m，孔深為2.0m。每排5孔，正頂布置一個，兩側肩窩、底角各布置一個，孔口管規格均為26.75×3.25×800mm。

注漿材料、漿液類型及注漿量

注漿采用單液水泥漿，水泥選用P.0.42.5普通硅酸鹽水泥。水灰比為1：1，注漿量以實際發生量為準。

注漿壓力

淺孔注漿設計終壓為2.0Mpa。

單孔注漿結束標準

達到設計注漿壓力，并穩壓達10分鐘以上。

3 巷道支護設計原理

3.1關鍵加固點加固機理

所謂關鍵加固點，是指具有“制一點而固全身”的特殊點位。

準確地找出關鍵加固點，不僅可以有效的控制圍巖的變形，而且可以節省大量的支護材料，做到有的放矢。

作為關鍵加固點，在此加固之后，應表現出特殊的功效，這種特殊的功效主要反映在如下幾個方面：

（1）加固點本身變形動因較小，加固材料本身不容易破壞，從而保證能夠長期的發揮作用；

（2）加固點實施特殊加固，可以大大削弱圍巖其它部位的地應力或因巷道開挖產生的破壞應力大幅增大現象，發揮系統效應；

（3）能夠充分發揮加固材料（錨桿（索）、錨索）的某種特殊能力，將本應由圍巖承擔的地應力，轉化成由支護體來承擔，一方面充分利用了支護材料固有特性，同時也使得圍巖的變形動因（圍巖應力）大為削弱；

（4）能夠將圍巖自承載能力發揮到較大的程度。

3.2 金屬支架的承載能力增強機理

根據松動圈控制機理的分析，巷道支護的主要對象是圍巖松動圈內部的碎脹力，只有碎脹力提高到能夠給予外圍穩定巖體一個足夠大的徑向力的時候，松動圈的擴展才可以得到抑制，松動圈才能夠穩定下來，只有松動圈穩定了，巷道的變形才能夠停止。

在上述松動圈穩定的過程中，有一點是十分重要的，即支護結構具有足夠的強度抵抗碎脹力的增長，且直至松動圈穩定時支護結構仍處于良好的穩定狀態中。如若在松動圈趨向穩定的過程中，支護結構抵御不住碎脹力的作用而發生較大變形，這會導致松動圈內碎脹力的迅速降低，使得松動圈與外圍穩定巖體之間的作用力大幅下降，最終結果是松動圈的進一步擴張。為此，提高支護結構的承載力是穩定松動圈最有效的手段。對于初步修復方案中單純地U型棚支護，經“箱梁+錨桿（索）（索）”補強后，承載能力可提高8倍以上，這不僅對抵御目前的構造應力、次生地壓有顯著效用，對后期近距離頂煤開采所形成的動壓同樣效果顯著。

支護強度的大幅提升，保證了松動圈內碎脹力的迅速升高，從而快速抑制松動圈的擴展。

4 結論

經過補強方案對巷道加固，現場布置測點，對1131（3）工作面開采期間巷道變形量進行觀測，雖然無論是腰線、頂底還是頂板，變形量觀測數據都很離散，但是每日變形量均呈下降趨勢。變形速度隨著1131（3）工作面開采與測點的距離而逐漸遞減，最后達到穩定數值，可以得出變形量與1131（3）工作面推進之間有一定的聯系，巷道進行過加固補償，變形量都在可控制范圍內。由此可以初步得到以下結論：雖然-650m東翼軌道大巷受到1131（3）工作量開采所引起的動壓影響，產生一定的變形量。但是經過補強加固，變形量得到抑制并控制在所要求的范圍內，可以保證-650m東翼軌道大巷的正常使用。

（作者單位：淮南礦業集團潘二礦潘四東井）