榆樹溝煤礦軟巖巷道支護方案優化研究

李艷輝， 霍江虎， 翟召寧， 榮 輝

(1.沽源金牛能源有限責任公司， 河北 張家口 075100; 2.河鋼礦業礦山設計有限公司， 河北 唐山 063000)

1 工程概況

礦區位于河北省張家口市沽源縣榆樹溝村北部，井田內可采煤層及局部可采煤層自上而下為15煤、14- 1煤、14煤、12煤、3煤。煤層埋深143.42～697.35m，巷道底板巖石以泥巖、砂質泥巖為主，泥巖占34%，砂質泥巖38%，砂礫巖占13%，粉砂巖占9%，細砂巖占6%。巖芯呈柱狀，為泥質膠結，砂礫巖局部松散、破碎。

2 原支護方案

2.1 原支護方案

在主副井貫通巷道布設測站，該巷道為上半圓拱勺下底拱形斷面，巷道設計最大掘進寬度5 588mm，最大掘進高度5 298mm，支護后凈高3 700mm，凈寬5 000mm，設計采用錨網噴、錨索、U型鋼棚聯合支護，支護材料及支護參數見表1，巷道支護斷面如圖1所示。

2.2 巷道表面變形監測

在主副井貫通巷道內依次布置5個測站，監測巷道圍巖表面變形、深部圍巖位移的情況，測站布置示意圖如圖2所示。第一階段監測周期內，巷道兩幫和頂板采用錨桿、索錨一次支護。巷道表面位移累計位移量和平均移動速度如圖3、圖4所示。

綜合各測站數據分析，主副井貫通巷道圍巖變形較大，且大部分測站圍巖移近量沒有穩定，圍巖變形仍在持續。在監測周期內所設各測點圍巖移近量均在220mm以上，最大達389mm，圍巖平均移近速度在2.8～5.3mm/d。除測站5外，其余測站安裝時巷道已經掘進完成，測站1至測站5布設時距巷道開挖時間依次變近，因此各測站數據顯示，監測時間距巷道開挖的時間越短，在固定監測周期內，圍巖累計變形量越大，圍巖變形速度越快，符合巷道開挖后的穩定過程[1]。同時，測站1布置于巷道斷面交界處，圍巖變形量與變形速度比測站2、測站3略高，這表明巷道斷面越大，圍巖變形量越明顯[2]。

表1 監測巷道支護材料及支護參數表

圖1 巷道支護斷面圖

圖2 測站布置示意圖

圖3 各測站圍巖累計移近量

圖4 各測站圍巖平均移近速度

巷道內部巖體位移量如圖5所示，距副井筒22.3m處頂板布置深基點位移測站，共監測100d。期間巷道頂板深部位移持續增長，沒有穩定，其中0～1m范圍內的巖層累計變形量40mm，0～1.8m范圍內的巖層累計位移量為120mm，0～4m范圍內的巖層累計位移量達340mm，即0～1m、1～1.8m、1.8～4m范圍內的巖層累計位移量分別占全部位移量的11.7%、23.5%、64.8%。

圖5 巷道內部巖體位移量

在監測周期內，巷道圍巖持續變形，除監測期間巷道臥底影響外，變形速度總體趨緩。但巷道仍然沒有穩定，巷道頂底板移近量和兩幫移近量基本保持同步，變形量大，各測點圍巖累計變形量均在220mm以上；巷道圍巖持續變形，位移量大，圍巖位移主要發生在4m范圍內，目前采用的長度為6 500mm錨索僅允許產生195mm的延伸，無法滿足巷道圍巖變形特征，應采用適應圍巖大變形特征的高延伸率支護材料[3]。

3 巷道支護方案優化

為適應榆樹溝煤礦軟巖巷道圍巖持續變形，總體位移量大的特點，進行了支護材料特性試驗，實驗室試驗結果顯示：長度為4m的φ20mm可接長錨桿、φ17.8mm錨索、φ15.24mm錨索的最大延伸長度分別為685mm、135mm、125mm。φ20mm可接長錨桿的延伸率可以達到17.1%，分別是φ17.8mm錨索、φ15.24mm錨索的5.1倍、5.5倍。

研究表明，軟弱圍巖巷道支護宜采用一次支護讓壓，充分釋放圍巖的變形能，二次支護提供高強度工作阻力補償軟弱圍巖體因流變而產生的應力降低，促進圍巖體向長期強度和巷道穩定狀態轉化，避免巷道圍巖在應力狀態下承載力降低再次失穩。高強二次支護工作阻力通過高強支架提供，因此二次支護主要考慮能夠提供高強支護阻力的支架[4]。

基于以上分析，建議采用可接長錨桿、剛性長螺紋錨桿等新型支護材料。

(1)可接長錨桿采用專用連接頭將兩段桿體對接而成，連接頭強度與桿體一致，具有比錨索更合理的延伸特性，可以與圍巖協調變形，能夠克服錨索延伸率低、圍巖變形后易被各個擊破的缺點[5]，可接長錨桿如圖6所示。

圖6 可接長錨桿

(2)剛性長螺紋錨桿采用專用連接頭將剛性長螺紋錨尾與錨桿桿體連接而成，該錨桿的螺紋部分剛性大，不變形，擴幫后錨桿螺母可繼續擰緊，無需重新補打新錨桿。同時，因為加工的螺紋長，可有效避免錨桿安裝時因螺紋長度不夠、難于緊固托盤導致的錨桿報廢[6]，具體如圖7所示。

圖7 剛性長螺紋錨桿

基于以上分析，榆樹溝軟弱圍巖巷道建議一次支護采用可接長錨桿+剛性長螺紋錨桿的協調支護技術，二次支護采用以工字鋼高強支架為骨架的混凝土充填封閉圍巖的高強支護體系[7-9]，優化后的巷道支護斷面如圖8所示，支護材料消耗見表2、表3。

圖8 優化后的巷道支護斷面圖

表2 一次支護消耗材料對比表

表3 二次支護消耗材料對比表

4 結論

(1)榆樹溝軟巖巷道一次支護采用可接長錨桿+剛性長螺紋錨桿的聯合支護技術，二次支護采用以工字鋼高強支架為骨架的混凝土充填封閉圍巖的高強支護體系。

(2)優化后的支護方案取消錨索，克服了錨索伸長率低、不適應圍巖變形大的弊端，基本消除冒頂隱患；每米巷道減少鉆孔工程量39.1m，提高掘進支護速度；節省支護材料，降低支護成本。

(3)16#工字鋼單位重量的正向承載能力是U29型鋼的2.2倍；工字鋼支架巷道斷面利用率高，每米巷道節約成本約670元。