錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在大斷面回采巷道支護(hù)中的應(yīng)用

馬 寶

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦， 山西 古交 030200）

1 礦井概況

西山煤電集團(tuán)公司馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，井田面積為104.4 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0 Mt/a。主要開(kāi)采2號(hào)、8號(hào)煤層，礦井煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。12503綜采工作面位于南五采區(qū)，主要開(kāi)采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2號(hào)煤層。煤層厚度2.60～3.50 m，平均厚度3.02 m；傾斜寬度250 m，煤巖層平均傾角 5°～11°，平均 5°左右，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層普氏系數(shù)f一般在2.0左右，為軟～中等硬度煤層。工作面無(wú)直接頂，老頂為中細(xì)砂巖，厚度 7.79～19.73 m，平均 15.82 m，f值為3～4；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為0～14.37 m，平均4.22 m，f值為 2～3；老底為中細(xì)砂巖，厚度 0～28.44m，平均 10.58m，f值為 3～4[1]。

該采區(qū)回采巷道當(dāng)前采用的錨網(wǎng)索支護(hù)方式由于不能發(fā)揮錨桿錨索的協(xié)同支護(hù)作用，加上受深部高地應(yīng)力作用，巷道圍巖變形嚴(yán)重，影響礦井安全高效開(kāi)采。

2 大斷面巷道圍巖協(xié)同支護(hù)技術(shù)

2.1 頂板錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)

巷道支護(hù)采用“錨桿單排布置+錨索間隔打設(shè)”的聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿在支設(shè)時(shí)一般呈“群集”式排布，協(xié)同加固破碎不穩(wěn)定巖體；而錨索在支護(hù)時(shí)則呈“個(gè)體”化布置，單根錨索承載能力強(qiáng)、延伸率大、高預(yù)應(yīng)力，具有管控大片巖體的能力。為了實(shí)現(xiàn)錨桿錨索協(xié)同作用共同維護(hù)巖體穩(wěn)定，將錨桿錨索同排打設(shè)，并將兩種支護(hù)構(gòu)件用W鋼帶或鋼筋梯連接，充分發(fā)揮錨桿加固巖體、錨索將錨固體張拉或懸吊至穩(wěn)定巖體的功用[2]。

1）錨桿的群集作用。錨桿支護(hù)是通過(guò)其桿體以及各種輔助構(gòu)件所提供的作用力作用于圍巖體上，從而改善圍巖體的受力狀體，使其由兩向受力極可能恢復(fù)到三向受力，同時(shí)改善圍巖體的力學(xué)性能，繼而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑制和控制圍巖體的變形和破壞，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)和加固圍巖體的作用。

2）錨索的錨固作用。錨索施工后，其錨固段一般處于巷道圍巖相對(duì)深部的穩(wěn)定巖層中，通過(guò)對(duì)外段鎖具的張拉實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖體的強(qiáng)力加固和支護(hù)。目前采用的錨索長(zhǎng)度一般是錨桿長(zhǎng)度的3～4倍，其主要功能是將錨桿群集作用形成的錨固結(jié)構(gòu)體懸掛于巷道圍巖深部較穩(wěn)定巖體中。當(dāng)圍巖體出現(xiàn)大變形時(shí)，錨索極易發(fā)生承載過(guò)大失效，出現(xiàn)斷裂、拉穿等現(xiàn)象。

3）頂板錨桿錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)。“錨桿單排布置+錨索間隔打設(shè)”的支護(hù)方式，由于沒(méi)有發(fā)揮出錨桿和錨索協(xié)同支護(hù)效能，沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖體淺部加固和深部錨固的耦合，其在大斷面煤巷支護(hù)中時(shí)常表現(xiàn)為大變形。如果合理地選擇位置將錨索替代錨桿，如下頁(yè)圖1所示，采用錨桿錨索的同排布置，可實(shí)現(xiàn)錨桿錨索對(duì)圍巖體深淺協(xié)同加固，使錨桿錨索對(duì)圍巖體的加固區(qū)實(shí)現(xiàn)疊加，充分發(fā)揮其錨桿錨索預(yù)應(yīng)力的協(xié)同擴(kuò)散，如下頁(yè)圖2所示。這樣既能提高巷道頂板的安全性，又減少錨桿使用，從而發(fā)揮出錨桿錨索對(duì)巷道頂板的淺錨深索的支護(hù)作用。

圖1 錨索錨桿協(xié)同支護(hù)示意圖（mm）

圖2 錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)原理

2.2 大斷面巷道高幫破壞及強(qiáng)化支護(hù)

煤體的力學(xué)性能普遍低于巖石，大斷面巷道開(kāi)挖后，受開(kāi)挖和應(yīng)力重新分布雙重作用，幫部煤體容易發(fā)生剪切或滑移破壞，特別是當(dāng)煤幫較高時(shí)，相對(duì)于頂?shù)装澹瑤筒勘∪趺后w更容易出現(xiàn)破壞失穩(wěn)，發(fā)生開(kāi)挖后片幫或支護(hù)內(nèi)鼓大變形[3]。

大斷面巷道高幫的破壞主要由幫部薄弱體壓剪破壞與交界面滑移破壞共同作用導(dǎo)致，通過(guò)幫部增加錨桿長(zhǎng)度、提高其預(yù)應(yīng)力或補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)，可以進(jìn)一步強(qiáng)化幫部圍巖體，較少裂隙界面的擴(kuò)散和破壞，改善幫部煤體的受力狀體，提高高幫圍巖體的完整性。高幫強(qiáng)化支護(hù)示意圖如圖3所示[4]。

圖3 高幫強(qiáng)化支護(hù)示意圖（mm）

3 工作面支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及效果分析

3.1 原支護(hù)方案

巷道頂板采用Φ22 mm×2 500 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm，錨桿數(shù)量為7根；幫部采用Φ20 mm×2 200 mm全螺紋錨桿，間排距為900 mm×800 mm。并搭配150 mm×150 mm×12 mm規(guī)格的拱形鋼板托盤。幫頂均采用10號(hào)鐵絲編制的菱形網(wǎng)和Φ10 mm鋼筋梯，頂部鋼筋梯為GT 10/5200，幫部為GT 10/4000。同時(shí)頂板布置規(guī)格為Φ21.6 mm×8 000 mm錨索，間排距為1 600 mm×2 400 mm，采取3-2-3布置，錨索托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm鋼板托盤[5-7]。

3.2 優(yōu)化方案

基于大斷面巷道圍巖協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)，對(duì)原方案支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。頂板錨桿型號(hào)不變，間排距調(diào)整為800 mm×900 mm；頂板錨索規(guī)格不變，調(diào)整為“2-2”布置，并替換頂板兩端第3根錨桿；幫部錨桿改Φ22 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，同時(shí)增設(shè)幫錨索，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×5 000mm。幫錨索設(shè)置在幫部中間的錨桿位置，替換相應(yīng)位置的幫錨桿，每3排替換1根，幫錨索排距2700mm，托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm鋼板托盤，其他材料支護(hù)參數(shù)保持不變。具體支護(hù)參數(shù)如圖4所示[8]。

圖4 12503工作面巷道優(yōu)化后支護(hù)圖（mm）

3.3 方案數(shù)值模擬對(duì)比分析

使用FLAC3D模擬軟件，基于12503工作面實(shí)際地質(zhì)條件建立三維模型對(duì)原方案及新方案進(jìn)行對(duì)比分析。各煤巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

對(duì)原方案和優(yōu)化方案分別進(jìn)行模擬分析得到不同支護(hù)方案下的位移云圖如下頁(yè)圖5所示，左側(cè)為豎向位移，右側(cè)為水平位移云圖，同時(shí)得到的巷道周邊塑性區(qū)的分布如下頁(yè)圖6所示。

由圖5和圖6可知，優(yōu)化后大幅提升巷道控制效果。巷道兩幫相對(duì)收斂值由原來(lái)的719 mm減低到235 mm，減少了72%，巷道頂板下沉量由原來(lái)的86 mm增加到93 mm，增幅不明顯，同時(shí)幫部塑性區(qū)范圍大幅度減小。證明優(yōu)化后的方案，圍巖穩(wěn)定性得到很好控制。

圖5 原方案與新方案的位移（mm）云圖

圖6 塑性區(qū)分布

3.4 效果分析

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，采用優(yōu)化方案后，對(duì)12503綜采工作面輔運(yùn)順槽頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示掘進(jìn)期間輔運(yùn)順槽兩幫累計(jì)相對(duì)位移量196 mm，頂板累計(jì)下沉量23 mm；12503工作面回采期間，巷道兩幫相對(duì)收斂累計(jì)量達(dá)到867 mm，最大變形速度達(dá)35 mm/d，頂?shù)装遄畲笙鲁亮窟_(dá)到280 mm，最大變形速度達(dá)21 mm/d，整個(gè)巷道在基本不臥底后完全滿足了工作面安全回采。

4 結(jié)論

1）針對(duì)馬蘭礦12503采區(qū)工作面開(kāi)采條件，分析了大斷面回采煤巷頂板錨桿錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)理，提出采用錨桿錨索的同排布置，實(shí)現(xiàn)了錨桿錨索對(duì)圍巖體深淺協(xié)同加固，充分發(fā)揮其錨桿錨索預(yù)應(yīng)力的協(xié)同擴(kuò)散，這樣既能提高巷道頂板的安全性，又降低錨桿使用量。

2）在對(duì)大斷面巷道高幫破壞特征進(jìn)行分析后，提出了幫部增加錨桿長(zhǎng)度、提高其預(yù)應(yīng)力或補(bǔ)打錨索的強(qiáng)化支護(hù)方式。確定了適用于大斷面巷道協(xié)同支護(hù)技術(shù)方案。實(shí)踐取得良好支護(hù)效果，在保證支護(hù)參數(shù)合理、頂板及兩幫安全的前提下，減少了支護(hù)作業(yè)時(shí)間和生產(chǎn)成本，提高了掘進(jìn)效率。