麻地梁礦509膠帶順槽支護參數優化設計方案研究

吳勁松

（內蒙古智能煤炭有限責任公司，內蒙古 準格爾旗 017100）

0 前言

隨著我國經濟發展對能源需求的增長，不斷加強煤炭開采深度，導致深部巷道圍巖變形問題引起的災害事故愈加嚴重[1]。為了保證礦井安全生產，提高社會、經濟效益，應加強煤巖體結構觀察，分析頂板各種層理、節理、裂隙發育情況，判斷頂板完整性和穩定性，并在地下開采活動中使用錨桿錨索協調支護技術以加強巷道圍巖穩定控制[2]。

鉆孔窺視技術能得到鉆孔臂的完整圖像，通過監測屏幕實時觀測鉆孔結構，觀測結果直觀、清晰、立體感強等特點，并得到煤礦廣泛運用[3]。侯朝炯、勾攀峰等[4]通過深入研究提出了錨桿"圍巖強度強化理論"，該理論認為錨桿支護實質是錨桿與錨固區域的巖體相互作用組成錨固體，形成統一的承載結構；康紅普等[5]在分析錨桿支護作用機制的基礎上,提出高預應力、強力支護理論,強調錨桿預應力及其擴散的決定性作用，指出對于復雜困難巷道,應盡量實現一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞；綜上研究可知，錨桿錨索同排協同支護技術的日趨成熟和應用范圍的擴大，為解決復合頂板巷道支護問題提供了新的途徑。本文以麻地梁礦高水平應力東翼509掘進巷道為工程背景，采用鉆孔窺視與圍巖監測相結合方法，對現場頂板破碎以及周邊圍巖完整性程度進行分析，并對現場實際上覆巖層實際情況提出對509工作面膠帶機順槽有針對性的錨桿錨索同排協調支護方案，并進行現場工業實際性實踐，可為同類型巷道支護提供一定有益參考。

1 工程概況

1.1 鉆孔地質概況

麻地梁礦509綜放工作面位于井田東翼盤區的中部，工作面西部為副斜井、5煤膠帶機巷；南部緊鄰507工作面未回采區域；東部臨近井田邊界，走向長度約為3322m，傾向長度約為250m，509綜放工作面兩順槽均布置在5#煤層當中，沿煤層底板掘進，且與507膠帶機順槽留設30m窄煤柱護巷；2019年9月509工作面回撤聯巷掘進結束，2019年10月中旬掘進至509工作面膠帶機順槽。如圖1所示。

圖1 509工作面位置關系圖

5煤層直接頂為深灰色泥巖，平均厚度1.6m，塊狀，局部為細砂巖；老頂為平均厚度8.12m的粗砂巖，灰色～灰白色，平行層理；直接底為砂質泥巖，平均厚度4.79m，深灰色泥巖或砂質泥巖；老底為平均厚度10.96m的粗砂巖。本礦井509工作面附近的M10、47這2個鉆孔做過較為詳細的巖石力學性質測試，現根據該資料將5煤層頂底板巖石物理、力學性質測試成果如表1：

表1 煤層頂底板力學參數

2 圍巖內部裂隙演化規律

2.1 鉆孔地質概況

巷道圍巖結構及受力狀態直接影響到支護效果，如能更清楚的了解巷道圍巖（頂板、兩幫）裂隙發育情況，對于支護方案設計和安全評價具有指導意義。因此為獲得509輔助運輸順槽、509工作面回撤聯巷頂板和兩幫內部結構及裂隙發育情況，結合礦方提供的巷道地質資料、509工作面掘進進度以及現場巷道的支護狀況，于509工作面輔助運輸順槽（507檢修巷）、509工作面回撤聯巷以及回撤聯巷和509工作面膠帶機順槽交叉處共布置6個測站進行現場觀測，測站布置如圖2。

圖2 巷道測站布置圖

2.2 鉆孔窺視

為了了解509膠帶機順槽的圍巖變形、錨桿受力特征以及松動圈發育規律等情況，根據測站位置布置鉆孔深度，第一測站和第六測站分別布置一個鉆孔，鉆孔位于巷道中部。其余4個測站，每個測站包括3個測孔，均在頂板布置，距兩幫各1m處分別布置一個，巷道中心位置布置一個，頂煤厚度L，鉆孔深度為L+2m（穿過頂煤層厚度以上2m），鉆孔直徑42mm，對509工作面膠帶機順槽外端頂板進行鉆孔窺視，根據掘進進度及時調整掘進巷道錨桿支護設計參數。VI測站部分孔段的鉆孔圖像如圖3所示。

圖3 VI部分鉆孔窺視結果

鉆孔窺視錄像顯示：頂板0～4.82m為煤，4.82～7.2m為巖石。4.28m左右頂煤有少量夾矸，1.58～2.54m頂煤有一條連續的、明顯的豎向裂隙，2.84～4.69m范圍內頂煤存在多條豎向裂隙；發現頂板巖性差異性不大，巖石段完整性較好，但是不同層位夾矸與裂隙，呈非線性，非均勻分布，巖石內部無較大破碎帶及塌孔現象出現，但是在5.70m左右存在突兀豎向裂隙痕跡，主要由于該位置是直接頂和復合頂板交界處，巖石內部含有少量夾矸導致存在多個弱面產生，巖石之間內聚力和摩擦系數降低導致內部裂隙發育。

3 巷道支護方案優化及效果分析

3.1巷道支護方案優化

在煤礦巷道錨固支護中，頂板采用錨桿錨索同排協同支護，實現錨桿錨索對巷道圍巖淺部加固和深部錨固耦合作用，使錨桿錨索對圍巖周邊加固區應力疊加，同時改善圍巖深部應力分布，發揮錨桿錨索同排協同支護良好效[6]。

從鉆孔窺視圖片中可知，在509回撤聯巷頂板2m處有明顯縱向裂隙以及5m左右頂板巖層含有夾矸，含有一定橫向裂隙弱化面，根據工程類比法的經驗公式，錨索一般錨入穩定巖層至少1m以上，因此509工作面膠帶順槽錨索設計長度為6.3m，由于頂板直接頂較為破碎、左旋螺紋鋼錨桿螺紋段長度限制等導致頂板錨桿失效。因此在直接頂較為破碎地段可考慮將頂板錨桿改為高強度右旋全螺紋錨桿，所以優化后的支護方案錨索參數為Ф17.8×6300 mm，間排距為1400×2000 mm，巷道頂板布置6根Φ22×2500 mm高強左旋錨桿、兩幫布置4根Φ20×2000 mm全螺紋右旋錨桿，頂板錨桿間排距為1100×1000 mm，兩幫錨桿間排距均為1000×1000 mm，具體優化設計如圖4所示。

圖4 優化支護技術方案圖

3.2 效果分析

為了驗證優化方案后的效果，在麻地梁礦509工作面膠帶順槽優化錨桿錨索同排協同支護方案后，在 509膠帶順槽頂板 3個測點（1#、2#、3#）錨桿端部安設液壓枕對錨桿受力情況進行監測如圖5所示，在掘進開始0～5天階段，巷道原巖應力受到掘進擾動影響，周邊圍巖應力從新分布，錨桿承受周邊圍巖壓力變化速率極速增大，部分液壓枕峰值可達到4.3MPa,然后隨著掘進天數推移，錨桿受力先有少量下降的過程，然后在掘進8～10天左右趨于穩定，穩定后的值較初始值變化不大說明支護優化效果良好，頂板錨固范圍圍巖無較大變形。

圖5 支護優化后錨桿液壓枕變化趨勢圖

根據麻地梁地質覆存條件，在工作面巷道布置了光纖光柵頂板離層儀在線隨時監測系統，根據掘進509工作面膠帶順槽掘進速度情況，在509工作面膠帶順槽布置222測站和226測站，頂板離層儀器深基點固定在鉆孔深部7m穩定老頂中，淺基點固定在鉆孔2.2m處，每個測站都有四個測試通道，從圖6可知，222測點在509巷道掘進前10天，頂板下沉量變化波動較大，掘進25天后，222測點和226測點頂板變化波動變緩，且222測點、226測點通道頂板下沉量變化范圍10mm左右，錨桿錨索協調同排支護很好保證巷道穩定性，也側面驗證液壓枕后期數值逐漸下降結果。

圖6 支護優化后頂板沉降量變化曲線圖

4 結 論

1）巷道在掘進時改變巖體周邊的原巖應力，引起巷道應力從新分布，特別在埋深高的高應力巷道中圍巖具有塑性區、破碎區范圍大，掘進時對上覆巖層造成二次擾動，且巷道斷面拐角處有較大應力集中，更容易出現拉應力，引起巷道兩幫圍巖向內側滑落。

2）通過巷道布置測站進行鉆孔窺視方式，確定509膠帶順槽頂板2m左右存在縱向裂隙，頂板巖性差異性不大，巖石內部無較大破碎帶及塌孔現象出現，巖石頂板完整性較好，提出了錨桿錨索同排協同支護方案參數設計方案。

3）為了驗證優化方案后的效果，對509膠帶順槽頂板錨桿液壓枕數據以及頂板離層進行監測，綜上所述，509采煤工作面膠帶順槽錨桿的軸向載荷在開掘后10天后已基本保持穩定，錨固范圍內幫部巖體穩定性好，頂板離層整體下沉量范圍在10mm，圍巖變形得到有效控制，支護效果好。