某礦急傾斜煤層綜放面回采巷道支護(hù)優(yōu)化

裴亞川

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

引言

以回采巷道的礦壓觀測為切入點(diǎn)，總結(jié)分析巷道礦壓規(guī)律，研究巷道圍巖失穩(wěn)特征。對回采巷道的錨噴支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，鑒于巷道變形不對稱、圍壓不對稱、長期變形具有流變性，提出了一套噴、錨桿、錨網(wǎng)多種支護(hù)手段聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，綜合控制[1-3]。

1 工程概況及支護(hù)形式

1.1 地質(zhì)概況

井田共有煤32層，由老到新編號為B1—B32。根據(jù)地質(zhì)勘探并沿用至今的劃分方法，按煤層賦存特征分為四組，其中，一組煤為B1—B2，二組煤為B3—B6，一、二組煤位于在西山窯組的下段，為兩組特厚煤層，三、四組煤位于西山窯組的上段，以中厚煤層為主。

1.2 煤層穩(wěn)定性

井田范圍內(nèi)可采與局部可采的煤層共32層，其中 B1—B17，B30—B32 為 穩(wěn) 定 煤 層 ，B18、B19，B21—B25、B26—B29為不穩(wěn)定煤層，B20為較穩(wěn)定煤層。

1）B1+B2煤層。位于J2X的底部，+660水平以上已采完。煤層平均厚度37.45 m，含夾矸4～8層，夾矸單層厚0.06～2.43 m。直接頂為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，直接底為粉砂巖。

2）B3—B6煤層。B3—B6煤層位于B1+B2煤層北部，與B1—B2煤層相距110 m，平均厚度48.87 m。內(nèi)含夾矸4～12層，夾矸總厚0.08～2.80 m。直接頂為粉砂巖，直接底亦為粉砂巖。

1.3 回采巷道現(xiàn)有支護(hù)形式

某礦+590B3+6巷道，由于是急斜煤層，頂?shù)装鍖槻鄹叨葲]有影響，只要能夠滿足工作需要即可。工作面采高2.6 m，順槽高度設(shè)計(jì)為2.8 m，順槽寬度設(shè)計(jì)為3.2 m。

根據(jù)井田韌性高、節(jié)理裂隙不發(fā)育的特點(diǎn)，結(jié)合相鄰巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，確定巷道以錨桿支護(hù)為主、錨網(wǎng)支護(hù)為輔的巷道支護(hù)形式。

1）頂板完好情況下采用錨桿聯(lián)合支護(hù)，采用Φ16 mm×1 800 mm錨桿，錨固長度300 mm，鉆孔直徑為28 mm，配套12 mm×8 mm托盤，錨桿間排距1 000 mm×800 mm。

2）頂板破碎時采取錨網(wǎng)支護(hù)或錨網(wǎng)鋼帶支護(hù)形式。網(wǎng)片規(guī)格為7.5 m×1 m，網(wǎng)孔40 mm×40 mm，10號鐵絲。鋼筋托梁寬度60 mm、長5.4 m，由Φ12 mm的圓鋼焊接而成。

2 回采巷道礦壓觀測及礦壓分析

2.1 礦壓監(jiān)測方案

在+590水平B6巷布置3個觀測站，各觀測站相距100 m，內(nèi)容及布置如圖1所示。

圖1 B6巷道監(jiān)測站布置圖

2.2 巷道圍巖表面位移

下面以+590水平B6巷為例分析巷道表面變形規(guī)律。

2.2.1 一號測站表面位移數(shù)據(jù)分析

一號測站距表面位移測點(diǎn)于2015年6月8日安裝，其間共監(jiān)測7次，分析數(shù)據(jù)并繪制頂板下沉量與兩幫移近量的曲線如下頁表1、圖2。

由下頁圖2可知：

1）巷道圍巖變形以兩幫位移量為主，兩幫移進(jìn)量是頂?shù)装逡七M(jìn)量的2倍。表明巷道變形中，兩幫占主要部分，應(yīng)加強(qiáng)對兩幫變形的控制。出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，主要是由于該巷道處于急傾斜煤層中，巷道上部為采空區(qū)，頂板對巷道的壓力主要沿傾水平方向，垂直方向作用較少。

表1 一號測站表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 一號處測站表面位移-時間曲線

2）B6巷1號測點(diǎn)處，由于對煤層進(jìn)行了注水軟化，在監(jiān)測18天左右，淋水增大，頂板下沉量增大，且伴隨大范圍裂隙發(fā)育，經(jīng)過及時進(jìn)行工棚支護(hù)頂板下沉得到控制。

2.2.2 二號測站表面位移數(shù)據(jù)分析

距一號測點(diǎn)100 m處的二號測站于6月8日安裝，到7月20日監(jiān)測完畢，表面位移檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 二號測站表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.2.3 三號測站表面位移數(shù)據(jù)分析

距二號測點(diǎn)100 m處的3號測點(diǎn)于6月8日安裝，到7月20日監(jiān)測完畢，表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

2.4 觀測結(jié)果綜合分析

通過對原錨桿支護(hù)方案進(jìn)行觀測分析可知：

表3 三號測站表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

1）頂板平均日移進(jìn)量最大下沉量達(dá)到4.53 mm，最小為1.73 mm。兩幫平均日移近量最大9.32 mm，最小為6.01 mm。原支護(hù)方案對頂板支護(hù)整體效果良好，兩幫支護(hù)效果較差。

2）兩幫的離層出現(xiàn)在1.6 m的范圍內(nèi)，在進(jìn)入測孔時，孔壁裂隙明顯，多為橫向和縱向的交叉裂隙，表明兩幫較破碎。頂板離層為0.7 m，從鉆孔窺視儀中可以看到孔壁整體較為平滑，表明頂板保持較好。以前的支護(hù)方案對頂板保護(hù)好，兩幫較差。

3）錨索最大受力為80.5 kN，遠(yuǎn)大于頂錨桿的22.7 kN，錨索頂板支護(hù)起主要作用。幫錨桿受力為42.5 kN，接近錨桿的最大錨固力50 kN，應(yīng)考慮加長幫錨桿長度以及加強(qiáng)錨固力，同時增加木托板進(jìn)行加固[4]。

3 基于信息反饋后的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于B6巷的兩幫位移較大，頂板位移在檢測的后期已經(jīng)趨于穩(wěn)定，位移較大的地方已經(jīng)采取措施。本次設(shè)計(jì)主要針對兩幫，設(shè)計(jì)的方法為松動圈錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，對于頂板，應(yīng)適當(dāng)減小錨索的間排距。

3.1 幫錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場反饋的結(jié)果，確定圍巖松動圈的大小Lp=160 mm＞150 mm，屬于大松動圈，應(yīng)采用組合拱理論進(jìn)行錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)。

錨桿長度：式中：L1為錨桿錨固長度，取0.4 m；L2為所測松動圈值，取1.6 m；L3為錨桿外露長度，取0.1 m。

將數(shù)值代入公式得L=2.1 m。從現(xiàn)場實(shí)際出發(fā)，取2.5 m。

故幫錨桿選取Φ20 mm×2 500 mm II級左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨固長度為0.78 m，錨固力為50 kN。

組合拱的厚度依據(jù)公式可得組合拱的厚度：

式中：D為排距，取0.8 m。

將數(shù)值代入公式得b=0.8 m。

3.2 柔性混凝土噴層支護(hù)

為了改善圍巖表面性質(zhì)，提高承載能力，減弱頂板滴水和淋水現(xiàn)象，防止風(fēng)化，在巷道圍巖表面噴射一層混凝土，但由于巷道的變形較大，為了防止噴層開裂，應(yīng)在噴層材料中加入聚丙烯纖維，以提高混凝土的殘余強(qiáng)度和韌性。

噴射混凝土厚度以20～30 mm為宜。噴射混凝土為全斷面噴射，強(qiáng)度質(zhì)量為C20，一次噴全厚。混凝土的配比：m（水泥）：m（砂）：m（石子）=1∶2∶2；水灰質(zhì)量比為0.45，水泥為普通硅酸鹽水泥，在其中加入聚丙烯纖維。

4 效果分析

通過對表面位移、頂板離層監(jiān)測及錨桿（索）受力監(jiān)測，對現(xiàn)有的錨桿支護(hù)方案得出以下反饋信息。

1）從表面上看，片幫和兩幫的變形明顯的減少，再沒有出現(xiàn)錨桿失效的現(xiàn)象。

2）頂板平均日移進(jìn)量最大，下沉量最大為0.73 mm，兩幫平均日移近量最大為1.32 mm，在后期觀測中，定板和兩幫的移近量趨于穩(wěn)定，因此支護(hù)方案對頂板和兩幫支護(hù)整體效果良好，到達(dá)了預(yù)期效果。

3）在進(jìn)入兩幫測孔時，雖孔壁裂隙明顯，多為橫向和縱向的交叉裂隙，但較之以前裂隙幾乎沒有增加，表明兩幫的變形得到控制。從鉆孔窺視儀中觀測頂孔，可以看到孔壁整體較為平滑，表明頂板保持較好，現(xiàn)有支護(hù)方案對頂板保護(hù)好。

4）在增加錨索的間排距和錨桿長度后，錨索最大受力降為60.5 kN，幫錨桿受力為20.5 kN，小于最大錨固力50 kN，即改進(jìn)的支護(hù)方案可行[5]。

5 結(jié)論

1）頂板平均日移近量最大下沉量達(dá)到4.53 mm，最小為1.73 mm。兩幫平均日移近量最大9.32 mm，最小為6.01 mm。原支護(hù)方案對頂板支護(hù)整體效果良好，兩幫支護(hù)效果較差。兩幫的離層出現(xiàn)在1.6 m的范圍內(nèi)，在進(jìn)入測孔時，孔壁裂隙明顯，多為橫向和縱向的交叉裂隙，表明兩幫較破碎。頂板離層為0.7 m，從鉆孔窺視儀中可以看到孔壁整體較為平滑，表明頂板保持較好。錨索最大受力為80.5 kN，遠(yuǎn)大于頂錨桿的22.7 kN，錨索頂板支護(hù)起主要作用。幫錨桿受力為42.5kN，接近錨桿的最大錨固力50kN，應(yīng)考慮加長幫錨桿長度以及加強(qiáng)錨固力，同時增加木托板進(jìn)行加固。

2）巷道變形不對稱，巷道兩幫的移近量大于頂?shù)装逡平浚瑑蓭偷囊平渴琼數(shù)装逡七M(jìn)量的2倍，巷道的變形主要來自兩幫，其次是頂?shù)装濉鷫簤毫Σ粚ΨQ。巷道頂板和幫部錨桿錨托力呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，表現(xiàn)為兩幫大于頂板。巷道的長期變形具有流變性，隨著時間的推移，巷道圍巖裂隙由小變大，形成導(dǎo)水裂隙，水侵入圍巖后，圍巖遇水產(chǎn)生物理化學(xué)作用，強(qiáng)度降低、軟化，使得巷道的變形逐漸增加。同時，水對錨桿樹脂藥卷和錨桿螺紋桿體都有弱化作用。

3）主要進(jìn)行幫錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取Φ20 mm×2 500 mmII級左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度2.5 m，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨固力為50 kN。為了改善圍巖表面性質(zhì)，提高承載能力，減弱頂板滴水和淋水現(xiàn)象，防止風(fēng)化，在巷道圍巖表面噴射一層混凝土，但由于巷道的變形較大，為了防止噴層開裂，應(yīng)在噴層材料中加入聚丙烯纖維，以提高混凝土的殘余強(qiáng)度和韌性。