高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索分段支護(hù)技術(shù)在回采巷道中的應(yīng)用

白世民，杜才溢,張玉江,3,4

(1.延安市禾草溝一號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 717300;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024; 3.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山東 臨沂 276017;4.山東能源集團(tuán) 博士后科研工作站,濟(jì)南 250014)

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)采比相對(duì)較低,給煤炭資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)[1]。井下圍巖環(huán)境復(fù)雜多變,如何維持回采巷道穩(wěn)定是確保工作面安全生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的影響因素之一[2]。錨網(wǎng)索支護(hù)作為主動(dòng)支護(hù)的一種,可對(duì)巷道圍巖進(jìn)行及時(shí)、有效支護(hù),能實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖變形的有效控制[3-6]。康紅普等[7-10]總結(jié)了多年來(lái)我國(guó)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)所取得的研究成果,指出以往很多礦井僅限于普通錨網(wǎng)索支護(hù)研究和實(shí)踐,對(duì)預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護(hù)認(rèn)識(shí)不足,在井巷支護(hù)中多采用普通錨桿和錨索進(jìn)行支護(hù),在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中對(duì)預(yù)應(yīng)力未加以要求,錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力普遍較低,錨網(wǎng)索支護(hù)體系不能給予巷道圍巖體充分的支護(hù)作用,不利于調(diào)節(jié)和提高巷道圍巖的自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性;金銀財(cái)?shù)萚11]針對(duì)某礦高瓦斯煤層巷道圍巖變形大、破壞范圍廣、易發(fā)生瓦斯突出等問(wèn)題,提出高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng),有效控制了巷道圍巖變形；張力生等[12]基于對(duì)淺埋高應(yīng)力巷道變形原因分析,提出采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)對(duì)棗泉礦11201回風(fēng)巷進(jìn)行支護(hù),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,采用該支護(hù)技術(shù)后,巷道圍巖變形降低80%,有效地控制了圍巖變形。上述研究為采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行圍巖變形控制提供了理論依據(jù)。基于此,本文結(jié)合禾草溝一礦圍巖特性、地應(yīng)力等實(shí)際因素,決定在15207工作面回采巷道實(shí)施高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù),以達(dá)到控制頂板離層、控制圍巖變形破壞和提高巷道穩(wěn)定性的目的。

1 工程概況

禾草溝一礦位于子長(zhǎng)礦區(qū)西南部,礦井構(gòu)造為由東向西傾伏的單斜構(gòu)造,伴有波狀起伏,傾角1°～3°,無(wú)巖漿活動(dòng)跡象,井田南部有一條東西走向的斷層,斷距較小,井田構(gòu)造屬簡(jiǎn)單型。禾草溝一礦現(xiàn)主采5#煤層,平均埋深130 m,煤層厚度0.51～2.67 m,平均厚度1.9 m。煤層含1～3層夾矸,夾矸為粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖。5#煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal strata

目前,15209工作面正在回采,相鄰15207工作面需要準(zhǔn)備,兩工作面區(qū)段煤柱留設(shè)凈寬度為20 m。15207工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落的綜合機(jī)械化采煤方法,采用跟頂跟底開(kāi)采。15207工作面由回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽及切眼構(gòu)成,回風(fēng)順槽分段情況如圖2所示,工作面兩順槽巷及切眼均采用矩形斷面,斷面尺寸為4.2 m×2.5 m。

圖2 回采順槽分段情況Fig.2 Segmented condition of mining gateway

2 原支護(hù)條件下巷道變形破壞分析

2.1 原有支護(hù)方案

5#煤層的15209和15211工作面已經(jīng)掘進(jìn)完畢,順槽斷面為4.2 m×2.5 m,采用錨網(wǎng)索支護(hù)。15209回風(fēng)巷頂板及兩幫支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 15209回風(fēng)順槽頂板及兩幫支護(hù)參數(shù)Table 1 Supporting parameters of roof and two sides of gateway of return airway in 15209 working face

表1(續(xù))

此外,若遇地質(zhì)變化或現(xiàn)有支護(hù)形式不能滿(mǎn)足需要時(shí),可及時(shí)采取其他有效形式加強(qiáng)支護(hù),并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況另行編制加強(qiáng)支護(hù)措施。錨桿錨固力不低于80 kN,頂錨桿初始預(yù)緊力矩不低于150 N·m,二次緊固后預(yù)緊力距不低于260 N·m。幫錨桿預(yù)緊力為40 kN,并按要求進(jìn)行二次緊固,每根錨桿外露長(zhǎng)度10～50 mm,每根錨索外露長(zhǎng)度150～250 mm,錨索預(yù)緊力矩不低于130 N·m。錨固力不小于220 kN,錨索張拉為25～28 MPa,不得低于25 MPa。

2.2 巷道礦壓顯現(xiàn)分析

對(duì)15209運(yùn)輸順槽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用原支護(hù)時(shí),該巷道1 125 m附近沿空側(cè)巷幫上部鼓出約300 mm,部分幫錨桿托盤(pán)被螺母壓穿,頂錨桿托盤(pán)切入頂板。在970～840 m處,由于受斷層影響,實(shí)體煤側(cè)巷幫沿夾矸交界面鼓出,且有碎塊掉落,破碎高度約1 m,深度約300 mm。該處玻璃鋼錨桿錨固范圍為鉆孔300～500 mm范圍內(nèi),由此可見(jiàn)錨桿無(wú)法起到預(yù)期的支護(hù)作用。另外,該段巷道還存在底臌和頂板下沉,底臌量約300 mm。對(duì)兩幫采取一定補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后,礦壓顯現(xiàn)劇烈程度至780 m處明顯減小。15209工作面運(yùn)輸順槽在鄰近工作面巷道掘進(jìn)、工作面采動(dòng)以及超前支承壓力的影響下,巷道圍巖處于塑性狀態(tài),15209工作面超前支承壓力對(duì)其變形影響更敏感,因此需盡量減少巷道受采動(dòng)影響的次數(shù)。

2.3 巷道變形破壞機(jī)理分析

基于對(duì)15209運(yùn)輸順槽圍巖變形的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,對(duì)15207運(yùn)輸順槽的圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析。15207運(yùn)輸順槽頂板巖層為油頁(yè)巖、泥巖和鋁質(zhì)泥巖；底板巖層為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖,均為軟弱巖層,整體性較差,承載能力較弱。受鄰近工作面采動(dòng)影響和本工作面回采及超前支撐壓力影響,巷道圍巖極易發(fā)生較大變形,巷道維護(hù)困難。

此外,由圖2可知,15207工作面需穿越F2斷層,在F2斷層影響區(qū)域(區(qū)域Ⅱ)內(nèi),巷道圍巖較為破碎,整體性更差,承載能力更弱。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)15207運(yùn)輸順槽圍巖更易發(fā)生較大變形,產(chǎn)生底臌、片幫和冒頂?shù)裙こ虇?wèn)題,甚至?xí)斐擅簬r突出。因此,對(duì)區(qū)域Ⅱ內(nèi)15207運(yùn)輸順槽需采取加強(qiáng)支護(hù),以確保巷道圍巖穩(wěn)定,為工作面安全回采提供保障。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 區(qū)域I支護(hù)方案

由于區(qū)域I內(nèi)15209運(yùn)輸順槽圍巖變形較大,因此基于15207運(yùn)輸順槽頂?shù)装鍑鷰r條件,對(duì)區(qū)域I內(nèi)的15207運(yùn)輸順槽支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的具體支護(hù)參數(shù)如下。

3.1.1錨桿支護(hù)系統(tǒng)

巷道頂板采用Φ20 mm×2 200 mm的Q335預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。非小煤柱沿空掘巷段實(shí)體幫采用Φ16 mm×1 800 mm的礦用螺紋鋼錨桿,小煤柱沿空掘巷段的實(shí)體幫則采用Φ18 mm×1 800 mm的礦用螺紋鋼錨桿;工作面?zhèn)葞筒捎忙?0 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿;幫錨桿3-2-3布置,間距1000 mm。配合使用K2360樹(shù)脂錨固劑。錨桿間排距誤差控制在±50 mm以?xún)?nèi)。同時(shí),配合使用金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)+鋼筋梯護(hù)表,其中頂板采用Φ10 mm鋼筋梯+Φ5.5 mm鋼筋網(wǎng),間隔一排布置;兩幫為塑料網(wǎng),實(shí)體側(cè)幫可在錨桿托盤(pán)下放置廢舊皮帶做成的墊防止切斷網(wǎng)片。

3.1.2錨索支護(hù)系統(tǒng)

采用Φ17.8 mm×7 300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)錨索,錨索采用“五花”隔排布置,間距1 800 mm,布置在兩排錨桿間。每孔用1卷CK2360和1卷K2360樹(shù)脂錨固劑。錨索托盤(pán)采用300 mm×300 mm×12 mm的碟型普強(qiáng)托盤(pán)。區(qū)域Ⅰ巷道支護(hù)斷面圖如圖3所示。

圖3 區(qū)域Ⅰ巷道支護(hù)斷面圖(mm)Fig.3 Cross-sectional diagram of roadway support in region Ⅰ

3.2 區(qū)域Ⅱ支護(hù)方案

相對(duì)于區(qū)域I而言,區(qū)域Ⅱ內(nèi)的15207運(yùn)輸順槽因受F2斷層影響,巷道圍巖整體性更差、承載能力更低,因此需采取加強(qiáng)支護(hù),優(yōu)化后的具體支護(hù)參數(shù)如下。

3.2.1錨桿支護(hù)系統(tǒng)

頂板采用Φ20 mm×2 400 mm的Q335預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿間排距為800 mm×900 mm。非小煤柱沿空掘巷段的實(shí)體幫采用Φ16 mm×1 800 mm的礦用螺紋鋼錨桿,小煤柱沿空掘巷段的實(shí)體幫則采用Φ18mm×1800 mm的礦用螺紋鋼錨桿;工作面?zhèn)葞筒捎忙?0 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿,幫錨桿3-2-3布置,間距1 000 mm。每孔用1卷K2360樹(shù)脂錨固劑。為確保錨固效果,錨桿間排距誤差控制在±50 mm以?xún)?nèi)。同時(shí),配合使用金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)+鋼筋梯護(hù)表,其中頂板采用Φ10 mm鋼筋梯+Φ5.5 mm鋼筋網(wǎng),兩幫為塑料網(wǎng),實(shí)體側(cè)幫可在錨桿托盤(pán)下放置廢舊皮帶做成的墊防止切斷網(wǎng)片。

3.2.2錨索支護(hù)系統(tǒng)

采用Φ17.8 mm×8 500 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)讓壓錨索,間距1 800 mm,采用“2-2-2”隔排布置,布置在兩排錨桿間,每孔采用1卷CK2360和1卷K2360的樹(shù)脂錨固劑。托盤(pán)采用300 mm×300 mm×12 mm的碟型普強(qiáng)托盤(pán)。采用讓壓管讓壓,讓壓距離為45 mm,讓壓點(diǎn)為150 kN左右。區(qū)域Ⅱ巷道支護(hù)斷面圖如圖4所示。

圖4 區(qū)域Ⅱ巷道支護(hù)斷面圖(mm)Fig.4 Cross-sectional diagram of roadway support in region Ⅱ

3.2.3預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

錨桿預(yù)應(yīng)力一般設(shè)計(jì)為桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%。本方案中,頂板錨桿的預(yù)應(yīng)力在40～60 kN,玻璃鋼錨桿按照40～45 N·m施加,采空區(qū)側(cè)幫如采用Φ18 mm螺紋鋼錨桿，預(yù)應(yīng)力30～40 kN,采空區(qū)側(cè)幫如采用Φ16 mm螺紋鋼錨桿,預(yù)應(yīng)力25～33 kN,錨索的預(yù)應(yīng)力大于130 kN。

3.3 支護(hù)效果分析

為了解15207工作面回風(fēng)順槽在高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)及局部地段配合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)條件下的支護(hù)效果,在15207回風(fēng)順槽布置了十字觀(guān)測(cè)點(diǎn),普通地段巷道圍巖變形情況如圖5所示。

圖5 圍巖表面位移變化與頂板離層位移變化Fig.5 Variation of surrounding rock surface displacement and roof separation displacement

由圖5可知,隨著距掘進(jìn)工作面距離的增加,巷道圍巖位移量逐漸增加,巷道兩幫累計(jì)變形量為75 mm,頂板下沉量累計(jì)為25 mm,分別為設(shè)計(jì)斷面的5%和4%,相比于原支護(hù)條件下巷道收斂變形量明顯降低。

為了進(jìn)一步掌握高預(yù)應(yīng)力支護(hù)對(duì)頂板離層的控制,對(duì)頂板巖層變化進(jìn)行窺視,其結(jié)果如圖5所示。由圖5和現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)可知,15207工作面回風(fēng)順槽離層總量約為12 mm,其中深度小于3 m的淺部離層約為7.4 mm,深度超過(guò)3 m的深部離層約為4 mm,淺部離層量約占總離層量的65%,說(shuō)明相比原支護(hù)頂板離層得到了明顯的控制。

對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、淋水區(qū)等特殊地帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)可知,該特殊區(qū)域未見(jiàn)支護(hù)體系失效現(xiàn)象,未出現(xiàn)明顯的頂板下沉、幫臌和底臌,且“網(wǎng)兜”現(xiàn)象也得到了明顯的控制。由此認(rèn)為,通過(guò)對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化,采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)體系并配合局部地段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的支護(hù)方式,可有效地控制15207工作面回風(fēng)順槽圍巖收斂變形和破壞,支護(hù)效果較原支護(hù)明顯提升,達(dá)到了預(yù)期的巷道圍巖控制目標(biāo)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研禾草溝一礦5#煤層頂?shù)装鍑鷰r賦存特征,分析了原支護(hù)方案下巷道變形破壞的影響因素。

2)對(duì)15207工作面回風(fēng)順槽的支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化,提出了采用高預(yù)應(yīng)力分段錨網(wǎng)索的支護(hù)方案。高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)相比于普通錨網(wǎng)索支護(hù)，具有更大的支護(hù)剛度和強(qiáng)度,能夠給巷道圍巖及時(shí)有效的高強(qiáng)度支護(hù),促使巷道圍巖發(fā)揮其自身承載能力,可有效抑制巷道在開(kāi)挖初期的彎曲和拉伸變形,確保巷道圍巖的穩(wěn)定性和整體性。

3)實(shí)踐表明,采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù),同時(shí)配合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施可有效地控制巷道的收斂變形量,確保巷道成型尺寸,該巷道自施工完畢至工作面回采結(jié)束,整體狀況較好,達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果。