沿空掘巷讓壓錨桿支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

尹英文 馬麗妲 王曉菡

（山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250032）

隨著開(kāi)采地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，原有的錨桿支護(hù)系統(tǒng)難以保證安全生產(chǎn)，尤其是深井巷道支護(hù)問(wèn)題日益嚴(yán)重。郭屯煤礦在四采區(qū)進(jìn)行沿空掘巷，如何確定留設(shè)煤柱寬度尺寸和巷道支護(hù)參數(shù)是沿空掘巷成功的關(guān)鍵。

1 概況

郭屯煤礦主采3煤層，在四采區(qū)實(shí)施沿空掘巷，四采區(qū)煤層平均厚度為2m。偽頂為砂質(zhì)泥巖，厚度0～1.6m；直接頂為中砂巖，平均厚度6m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.8m，埋深800m以上。四采區(qū)沿空掘巷順槽有2m厚巖性較差的砂質(zhì)泥巖，支護(hù)困難，沿空掘巷成型后在采空區(qū)側(cè)的煤幫變形大。

2 沿空掘巷圍巖變形機(jī)理

（1）圍巖變形特征

沿空掘巷是沿采空區(qū)側(cè)煤體留設(shè)窄煤柱或者不留煤柱的情況下進(jìn)行巷道掘進(jìn)，由于其特殊的工作條件，在掘進(jìn)初期巷道無(wú)支護(hù)，圍巖垮落較快，使用錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)也不能控制圍巖變形速度和變形量。

圍巖變形主要是以底鼓為主的頂?shù)装逡平蛢蓭鸵苿?dòng)。在距離幫壁3m左右甚至更大范圍內(nèi)，圍巖會(huì)發(fā)生明顯的位移。若支護(hù)不合理，當(dāng)變形程度超過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受強(qiáng)度時(shí)，支護(hù)就會(huì)失效，巷道失穩(wěn)變形。

圍巖變形受應(yīng)力影響較大，若主應(yīng)力為垂直于巷道軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力，則圍巖變形量大；若主應(yīng)力為平行于巷道軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力，則圍巖變形量小。圍巖變形受環(huán)境變化和應(yīng)力擾動(dòng)的影響較大。

（2）巷道失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理

掘進(jìn)前，圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，開(kāi)始掘進(jìn)后，應(yīng)力狀態(tài)就會(huì)由三維改為二維狀態(tài)，當(dāng)周邊應(yīng)力強(qiáng)度高于圍巖的承壓強(qiáng)度時(shí)，圍巖就會(huì)破壞，主應(yīng)力最大值向上部巖層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，此時(shí)，若保證巷道圍巖不失穩(wěn)應(yīng)進(jìn)行巷道支護(hù)，若不支護(hù)，可能會(huì)誘發(fā)圍巖失穩(wěn)。

① 松動(dòng)壓力作用。松動(dòng)壓力是地質(zhì)和圍巖結(jié)構(gòu)下形成的，多出現(xiàn)在巷道頂部和兩幫，主要原因是在巷道掘進(jìn)后，圍巖應(yīng)力重新分布，受到重力作用，若支護(hù)強(qiáng)度不夠就會(huì)出現(xiàn)冒落和片幫。

② 形變壓力作用。巷道掘進(jìn)后會(huì)出現(xiàn)二次應(yīng)力，受到該應(yīng)力的影響，圍巖會(huì)出現(xiàn)非彈性和粘彈性的變形，形變力的形成是受重力影響形成應(yīng)力集中，部分圍巖出現(xiàn)塑性或流變狀態(tài)，當(dāng)巖層的強(qiáng)度很高，無(wú)支護(hù)的塑性區(qū)會(huì)擴(kuò)大，在到達(dá)一定數(shù)值后不再變化，在隨行區(qū)域的邊緣形成高切向力的承載環(huán)。

本文與其他同頻段文獻(xiàn)的相位噪聲對(duì)比，如表2所示。本文設(shè)計(jì)的頻率源的相位噪聲實(shí)測(cè)值可達(dá)-87.1 dBc/Hz@1 kHz，比文獻(xiàn)[11]中的車(chē)載防撞雷達(dá)頻率源的相位噪聲改善了24 dB，比文獻(xiàn)[12]中的24 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)頻率源的相位噪聲改善了21 dB。

圖1 巷道圍巖變形與支護(hù)特征曲線圖

圖1為圍巖變形與支護(hù)特征曲線圖。當(dāng)圍巖的變形量大于圍巖自身允許變形的最大值時(shí)，圍巖就會(huì)破壞至垮落，形成的松散壓力附著在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力就會(huì)增加。將支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置在支護(hù)抗力最小的K點(diǎn)，圍巖最穩(wěn)定，同時(shí)也能有效限制不利變形的擴(kuò)展。

（3）留設(shè)煤柱寬度的確定

圖2 力學(xué)模型

圖2 （1）為窄煤柱力學(xué)模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)煤柱α一般為4.5～5m，巷道布置在煤柱的彈性區(qū)，因此留設(shè)的煤柱起到隔離采空區(qū)和沿空掘巷空間的作用，不受負(fù)載。

圖3（2）為寬煤柱力學(xué)模型，當(dāng)沿空掘巷留設(shè)寬煤柱時(shí)，煤柱向內(nèi)部依次表現(xiàn)為片幫、圍巖塑性變形、應(yīng)力增大的彈性區(qū)。片幫區(qū)無(wú)法承受垂直應(yīng)力但能傳遞水平應(yīng)力，松弛區(qū)承載的載荷小于原始應(yīng)力，塑性區(qū)承受的應(yīng)力高于原始應(yīng)力。

因此沿空掘巷時(shí)巷道位置圍巖條件的影響，充分考慮煤體的彈性區(qū)、塑性區(qū)和煤體應(yīng)力的影響，沿空掘進(jìn)的順槽布置在留設(shè)4.5～5m的窄煤柱的松弛區(qū)范圍內(nèi)。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）平衡支護(hù)技術(shù)

根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)和受力情況，在預(yù)應(yīng)力支護(hù)和高強(qiáng)度錨桿基礎(chǔ)上提出的巷道支護(hù)技術(shù)。其原理是使支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體共同形成一個(gè)承載體應(yīng)對(duì)巷道的應(yīng)力與圍巖變形，使巷道圍巖保持穩(wěn)定。因此，在實(shí)施平衡支護(hù)技術(shù)時(shí)，選擇的支護(hù)錨桿具備足夠強(qiáng)度，支護(hù)完成后能夠“讓壓”，在巖體釋放能量時(shí)允許產(chǎn)生一定的變形，保持巷道圍巖應(yīng)力平衡。

為達(dá)到讓壓支護(hù)的目的，錨桿強(qiáng)度應(yīng)能滿足額定預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度要求，利用讓壓錨桿為巷道巖體的變形提供空間，緩沖支護(hù)初期的預(yù)應(yīng)力。在讓壓變形后，支護(hù)體系與圍巖形成整體維持巷道的穩(wěn)定性。

（2）支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

巷道采用矩形斷面，寬4.5m，高3.6m。其支護(hù)斷面圖見(jiàn)圖3，支護(hù)參數(shù)為：

頂板支護(hù)：高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿Ф20×2400mm，預(yù)應(yīng)力≥5t，扭矩≥240N·m，支護(hù)間排距1000×1000mm，安裝時(shí)采用阻尼螺母和沖壓球形托盤(pán)；錨索：Ф21.6×6000mm，預(yù)應(yīng)力≥6～8t，間排距1500×2000mm。

幫支護(hù)：高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿Ф20×2000mm，預(yù)應(yīng)力≥5t，扭矩≥240N·m，支護(hù)間排距1000mm×1000mm，安裝時(shí)采用阻尼螺母和沖壓球形托盤(pán)。

金屬網(wǎng)：Ф6100×1000mm圓鋼焊接網(wǎng)。

鋼筋梯：鋼筋梯采用Ф8mm的圓鋼焊接而成。

圖3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 沿空掘巷順槽觀測(cè)及結(jié)果分析

（1）觀測(cè)方案

在巷道內(nèi)設(shè)立觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站內(nèi)對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰七M(jìn)行觀測(cè)。

① 錨桿錨索應(yīng)力計(jì)。采用錨桿應(yīng)力計(jì)觀測(cè)錨桿錨索受力情況，每個(gè)觀測(cè)站將錨桿應(yīng)力計(jì)布置在錨桿排的中間位置。

② 巷道表面位移觀測(cè)。采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)，首先在頂?shù)装逯行木€垂直方向和兩幫的水平中心線布置鉆孔，放入木樁進(jìn)行測(cè)點(diǎn)標(biāo)記，進(jìn)行觀測(cè)。

（2）200#觀測(cè)數(shù)據(jù)及分析

表1 200#斷面變形觀測(cè)數(shù)據(jù)表

由表1中頂板錨索測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)看出，錨索安裝預(yù)應(yīng)力為11.27t，觀測(cè)期間最大應(yīng)力為30MPa，即為14.7t，錨索增阻速度：0.343t/d。

由表1中頂板左旋的讓壓錨桿測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)看出，頂板左旋的錨桿初始安裝應(yīng)力為8.5MPa，即4.165t，錨桿的增阻速度：0.1715 t/d。

由表1中頂板右旋的預(yù)應(yīng)力錨桿測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)看出，頂板右旋的錨桿初始安裝應(yīng)力為11MPa，即3.59t，錨桿的增阻速度：0.196 t/d。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)得出200#的斷面頂板錨索和頂板左右旋的增阻曲線見(jiàn)圖4。

圖4 觀測(cè)斷面錨桿左右旋及錨索增阻曲線

從圖4可以看出，錨索、錨桿的增速速度逐漸趨于穩(wěn)定，現(xiàn)有的頂板支護(hù)體系能夠滿足頂板支護(hù)的要求。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)得出200#斷面變形量見(jiàn)圖5。

由圖5分析得出，觀測(cè)10d頂板下沉速度：11mm/d，觀測(cè)42d的頂板下沉速度：4.1mm/d，頂板還未進(jìn)入穩(wěn)定期。觀測(cè)10d兩幫移近速度：13mm/d，觀測(cè)42d的兩幫移近速度：4.7mm/d，兩幫移近量較大，現(xiàn)有的支護(hù)方式不能夠有效控制兩幫。

圖5 200#觀測(cè)斷面變形量

5 結(jié)論

通過(guò)留設(shè)4.5～5m窄煤柱，在松動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行沿空掘巷導(dǎo)致重新分布應(yīng)力小于原始地應(yīng)力，能夠減少煤炭損失。

通過(guò)實(shí)施錨索和讓壓錨桿支護(hù)體系，確定郭屯煤礦沿空掘巷方案，有效地控制巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了沿空掘巷的圍巖穩(wěn)定。