雙柳礦深部大斷面巷道支護優化設計研究

王建軍

(山西焦煤汾西礦業集團 雙柳煤礦,山西 柳林 033300)

近些年來,隨著礦井煤炭生產能力的提高,對井下巷道的輸送能力要求也越來越大,從而出現了較多的大斷面回采巷道,該類巷道的支護也逐漸成為人們研究的熱點問題。徐玉勝等[1]采用耦合讓均壓支護技術確定了長平礦大斷面巷道支護方案,并進行了工業性試驗。史春生[2]以李雅莊礦大斷面回采巷道為背景,對巷道圍巖失穩機理進行了研究,并提出了“高預緊力錨桿+樹脂+錨索”聯合支護方案。孟慶安等[3]闡述了引發綜放大斷面巷道頂板失穩的原因,研究了其冒頂機理與控制措施。張純旺等[4]通過理論分析和模擬計算確定了煤礦大斷面巷道“預應力錨桿+鋼筋網+預應力錨索”聯合支護的方案。常江陽等[5]運用UDEC軟件對關嶺山礦堅硬頂板大斷面巷道圍巖應力分布特征進行了分析,并優化了巷道支護參數。趙科等[6]研究了厚煤頂大斷面巷道圍巖破壞變形特征,得出了相應巷道的合理支護方式。

雙柳礦三采區開采過程中,由于該采區所處地質環境較差,且采區回采巷道大多為大斷面機軌合一煤巷，回采工作面已掘回采巷道在高應力條件下呈現出巷道圍巖變形量過大、變形速度過快的巷道失穩現象。因此,本文以即將掘進的三采區33(4)20回采運輸巷作為研究對象，并進行巷道支護技術研究,以實現工作面安全回采。

1 工程概況

33(4)20工作面所采4(3+4)#煤層埋藏深度約為500 m,煤層平均厚度為3.75 m；煤層傾角0～8°,平均4°。含2～3層夾矸,夾矸屬性為泥巖和砂質泥巖。基本頂為灰白色細砂巖,層厚4.13 m;直接頂為灰黑色泥巖,層厚2.8 m,性脆,中厚層狀,半堅硬,含植物根莖化石;基本底為淺灰色細粒砂巖,層厚8.15 m,夾粉砂巖薄層,下部裂隙發育;直接底為灰黑色泥巖,層厚10.51 m,裂隙發育,含植物化石。

33(4)20運輸巷設計為33(4)20綜采工作面一次采全高的運輸巷,該巷設計長度為1 160 m,掘進工程量為1 195 m,巷寬設計為5 400 mm,巷高設計為3 800 mm,沿3#煤頂板、4#煤底板掘進。巷道頂底板巖層賦存特征如圖1所示。

圖1 巷道頂底板巖層柱狀圖Fig.1 Stratum histogram of roof-floor of roadway

2 巷道變形破壞機理分析

1)由于雙柳礦井下巷道多處在埋深較大、地應力較高的環境下,從根本上導致巷道開挖后圍巖塑性破環程度加深、破壞范圍擴大,特別是巷道兩幫煤體由于本身強度較小,在后期受采動影響作用破壞將更加嚴重,進而減弱了其對巷道頂板的支撐穩定作用。

2)巷道上覆圍巖較大載荷通過兩幫傳遞作用至巷道底板。由于受實際施工條件所限,巷道底板支護滯后或不做支護,致使底板強度較小,所以深部煤層巷道在高應力環境下底臌現象突出。

3)巷道所使用的錨桿托盤多為不可調心托盤,根據井下巷道現場調研結果,井下存在大量錨桿破斷問題,大多在錨桿尾部螺紋段形成斷裂。綜合分析認為,此類錨桿托盤孔口徑較小,使得錨桿末端與托盤銜接處桿體易受到剪切力作用而發生磨損甚至斷裂；尤其肩部斜角錨桿,此托盤不能起到調節桿體偏心的實質意義,錨桿安裝后易受到偏載作用,從而引起錨桿螺紋段彎曲甚至破斷。

4)雙柳礦錨索托盤使用大平托盤,該種托盤在實際使用中其預應力擴散效果較差。平托盤不同階段的預應力場分布如圖2所示。

圖2 平托盤不同階段的預應力場分布Fig.2 Distribution of prestressing field of flat tray at different stages

圖2所示為平托盤在預緊階段和在工作階段時的預應力場分布狀態特征,表現為應力分布范圍偏小,容易受應力集中而受損。此外,當錨索承載載荷較大時,平托盤易發生邊角彎曲導致支護效果驟降;同時,平托盤僅適用于錨索垂直于頂板布置的情況,對巷道復雜的圍巖環境適應性較弱。

3 巷道支護優化設計

3.1 臨時支護方案

巷道掘出后,為確保永久支護作業時的安全操作,當工作面控頂距大于300 mm時,須采取以下臨時支護措施。

1)工作面選取“吊環-鑄鐵管-棚板”前探梁作為永久支護前的臨時支護,采用4個螺母吊環(2個備用,共6個)、2根3.6 m長的鑄鐵管(鑄鐵管梁頭處加工耳子)配合一根3.8 m長的棚板(寬為200 mm,厚為40 mm)進行支護。

2)工作面每循環截割完畢后,及時清理浮矸;然后將前探梁吊環向煤壁移動,吊環固定在緊靠迎頭對應頂板錨桿上;再將金屬網片鋪設至鑄鐵管上方,并與上循環預留的網片搭接好;最后將棚板置于緊跟掘進面的2根鑄鐵管上方并用木楔背牢,之后方可在此基礎上進行永久支護。

3.2 永久支護設計

3.2.1支護優化機理

1)巷道整體支護結構選取較高強度的錨桿和錨索組成,高強度的錨桿和錨索在對巷道圍巖的控制程度上體現出其明顯的性能優勢,可有效地提升其錨固范圍內煤巖強度及承載能力,同時可一定程度上抑制裂隙、節理的再生發育,減少巷道開挖后塑性破壞區的加深。

2)對遇到斷層等構造地段下的巷道圍巖破碎現象進行錨注漿加固支護。通過向巷道四周圍巖進行注漿的手段配合錨桿索支護,可有效地提升漿液擴散范圍內的煤巖強度以及內聚力,同時可加強層間黏聚,從而提升圍巖整體完整程度,達到其自身承載強度增強的目的。

3)針對巷道支護薄弱區域,如巷道幫角處,該區域范圍內圍巖受應力集中程度較高,受破壞程度較大,此時通過控制及調整錨桿錨索的布置角度或者適當加大該區域范圍內的支護強度,達到針對性補強加固的目的。

4)采用拱形可調心高強托盤配合錨桿索進行支護,拱形錨索托盤在預緊階段和工作階段時的預應力場分布特征，如圖3所示。

圖3 拱形托盤不同階段的預應力場分布示意圖Fig.3 Distribution of prestressed field of arched tray at different stages

由圖3可見,拱形托盤支護條件下,錨索預應力擴散范圍較大,不僅僅在緊鄰索體中心有應力分布,同時在整個托盤平面范圍內均有較大程度的預應力擴散分布。此時的應力場分布特征與圖2中所示的平托盤相比支護效果有了明顯的提升,對巷道頂板和幫部煤壁均有著良好的控制作用。

3.2.2支護材料優化

為便于施工,統一采用如下規格的支護構件。

1)錨桿:采用Φ22 mm(BHRB500)高強度螺紋鋼錨桿,其中,頂錨桿長度L=2.5 m,幫錨桿長度L=2.4 m。

2)錨索:采用Φ21.8 mm、1×19股高強度預應力錨索,錨索長度L=6.4 m,理論錨固長度1 892 mm。

3)W鋼帶:BHW-280-3-2600-800-4 mm兩塊搭接。

4)托盤:錨桿和錨索均采用高強度拱形配套托盤,其中,錨桿托盤尺寸為150 mm×150 mm×10 mm,錨索托盤尺寸為300 mm×300 mm×14 mm。

3.2.3支護參數優化

33(4)20回采運輸巷支護設計可分為頂板支護、兩幫支護兩部分。

1)頂板支護。圖4為頂板支護布置圖。

圖4 頂板支護布置圖Fig.4 Roof support layout

如圖4所示,巷道頂板支護形式為錨桿、錨索協同支護,即一排錨桿、一排錨索交錯布置,同時配合使用配套錨桿鋼帶以及金屬網。由圖可知,頂板錨桿布置間距為800 mm,排距為1 000 mm,其中最外側錨桿距巷道兩幫300 mm,且這兩根錨桿布置時向外側傾斜布置,傾角為0～10°,而其余錨桿均豎直布置,錨桿緊固力≥300 N·m。頂板錨索布置方式為“4-3”布置,即一排布置4根,一排布置3根,依此循環布置；錨索間距均為1 500 mm,排距為1 000 mm;錨索預緊力≥200 kN,錨固力≥363 kN。

2)兩幫支護。33(4)20回采運輸巷斷面整體支護布置如圖5所示。

圖5 巷道支護斷面圖Fig.5 Section view of roadway support

巷道兩幫支護形式為錨桿支護,配合使用W型護幫板以及菱形金屬網。巷道幫錨桿均垂直于煤幫安裝布置,布置排距為1 000 mm,布置間距為900 mm。其中最上排錨桿距巷頂400 mm,錨桿緊固力≥300 N·m。

4 工程應用與監測

為能夠準確、具體地驗證以上支護優化方案的合理性,在雙柳礦33(4)20試驗段巷道展開系列監測來檢驗巷道的穩定情況。在靠近掘進工作面且便于施工及觀測的區域內沿巷道軸向共計布置3組測站,各測站間距30 m;采用MCS-400礦用本安型錨桿(索)測力計對巷道錨桿、錨索受力變化進行動態監測分析；采用YHW-300礦用本安型圍巖位移測量儀對巷道頂板離層情況進行檢測分析。圖6所示為試驗段巷道某測站錨索工作載荷變化監測曲線,其中,7#、8#錨索為巷道頂板兩側錨索,9#錨索為巷道頂板中心錨索。

由圖6可見,7#錨索在監測前一周內其工作載荷增長明顯,之后有略微下降并趨于穩定;8#與9#錨索在監測前3 d內其工作載荷增長明顯,之后呈緩慢增長并逐漸趨于穩定。其中,7#-9#錨索在監測期內其載荷最終分別穩定在222 kN、225 kN、285 kN,而試驗段巷道所使用的錨索材料屈服載荷為500 kN,破斷載荷為607 kN,可見,試驗段錨索受力合理。同時,據現場實測及觀察,試驗段巷道掘出后巷道完整程度較好,圍巖較為穩定,完全滿足回采工作面正常采煤生產需要。

圖6 頂板錨索工作載荷監測曲線圖Fig.6 Monitoring graph of working load of roof anchor cables

5 結論

1)對于雙柳礦33(4)20工作面巷道斷面大、應力高,采用高強錨桿和高預應力錨索是提高巷道支護強度的有效途徑,通過優選支護參數可形成可靠支護結構主體。

2)雙柳礦井下錨桿托盤多為不可調心托盤,錨索托盤為大平托盤,托盤結構缺陷會導致部分錨桿(索)受力較大時易發生破斷失效;由此采用拱形托盤替代平托盤,有利于提升錨桿(索)預應力的擴散和錨桿(索)的綜合承載能力,實現錨桿、錨索協同支護。

3)針對雙柳礦33(4)20大斷面巷道提出了合理的支護設計方案,經33(4)20巷道試驗應用與動態監測,錨桿索受力穩定,圍巖變形較小,巷道整體穩定性較好。