深部大斷面高動壓巷道支護技術研究

張延剛

(山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 霍州 031400)

干河礦1-209A2巷工作面作為深部大斷面鄰空動壓巷道，掘進速度慢、圍巖變形大、支護成本高，嚴重影響了1-209A工作面安全高效開采。地應力和圍巖強度測試結果是指導此類巷道支護方案制定和參數選取的重要依據[1-3]。本文基于干河礦1-209A工作面實際生產地質條件，在相鄰2-1002巷內布置測站，對干河礦現開采區域地應力大小、方位以及圍巖強度進行測試的基礎上，提出適合深部大斷面高動壓巷道的高預應力樹脂加長錨固錨網索聯合支護系統，成功解決了1-209A2巷工作面支護難題，為類似工程條件巷道支護提供了一定借鑒。

1 工程概況

干河礦1-209A工作面為1號煤層首采工作面，平均埋深為500 m。1-209A工作面回采巷道掘進時初期揭露1號煤，煤層平均厚度1.7 m，煤層傾角2～8°，平均傾角4°，巷道沿煤層底板破頂掘進，煤層結構相對簡單，煤層無夾矸。1-209A工作面回采巷道掘進中后期揭露1號和2號煤合并層，稱2號煤，煤層平均厚度3.8 m，中間含夾矸0.4 m左右，煤層平均傾角為4°。1-2092巷工作面掘進斷面為：寬×高=5.0 m×3.8 m。1-209A工作面北東端為1-209B工作面，西南端為一采區回風巷，西北側為實體煤，南東側為2-100采空區，1-209A工作面布置及頂底板情況分別如表1和圖1所示。

2 巷道圍巖地質力學測試

2.1 地應力測試

在相鄰2-1002巷內布置測站，掌握了干河礦現開采區域地應力大小和方位，由于測站距1-209A工作面較近，故地應力測試結果對1-209A工作面巷道支護設計提供數據參考。2-1002巷圍巖地應力測量結果如表2所示。

表1 1-209A工作面頂底板情況

表2 地應力測量結果

根據表2數據并結合相關地質資料綜合分析可知，1-209A工作面附近最大水平主應力為16.18 MPa，垂直主應力11 MPa，為中等地應力場，巷道支護存在一定難度；且最大水平主應力和最小水平主應力差值較大，巷道變形有明顯方向性。根據地應力巷道布置理論，最大水平主應力的方向是指導掘進巷道布置方向的主要理論依據[2]。對于σH>σV>σh型應力場，巷道最佳布置形式巷道軸向與最大主應力的方向呈一定夾角，夾角大小與主應力大小有關，1-209A工作面最優巷道軸向與最大水平主應力的夾角(α0)可用式(1)計算[3]：

(1)

式中：σH為最大水平主應力，16.18 MPa；σh為最小水平主應力，8.38 MPa；σV為垂直應力，11 MPa。通過計算可知α0=35.42°。巷道軸向為北偏東60°，與最大水平主應力方向夾角為58.3°，與最佳布置方位相差23°，巷道變形受到最大水平主應力方向的影響。

2.2 圍巖強度測試

圍巖強度測試結果可對巷道頂板巖層的穩定程度進行判斷[4]，為1-209A工作面巷道支護形式和參數提供理論依據。因此，在地應力測孔和兩幫施工水平鉆孔中利用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置分別對2-1002巷頂板和幫部10 m范圍內的煤巖體進行了原位強度測試，測試結果如圖2所示。

圖2 2-1002巷頂板巖體強度測試結果

結合相關地質資料，由圖2(a)可知巷道頂板以上0～5 m范圍為細粒砂巖，巖層強度為40～80 MPa，平均值為57.32 MPa；5.0～10 m范圍為粉砂巖，巖層強度為25～50 MPa，平均值為37.45 MPa。由圖2(b)可知，測試區域煤體平均強度為14.54 MPa。由此可知，巷道頂板0～5.0 m范圍內圍巖強度相對較高，5～10 m范圍內圍巖強度較低。從2-100工作面已掘的兩巷來看，在采動影響下，頂板松軟破碎，成形較差，兩幫同樣松軟破碎，部分巷幫網包嚴重；且1-209A2巷工作面需服務1-209A和1-209B兩個工作面，服務年限較長，應充分考慮巖層風化對支護的影響。

3 巷道支護設計及效果分析

3.1 巷道支護設計

基于相鄰工作面已掘巷道支護狀況和礦壓顯現情況，結合地質力學測試結果和1-209A工作面基本地質資料，提出采用樹脂加長錨固錨網索聯合支護系統對1-209A工作面2巷進行支護，巷道支護斷面如圖3所示，具體如下：

圖3 巷道支護斷面(mm)

3.1.1 頂板支護

錨桿為D22 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，沿頂板法線方向布置，間排為900 mm×900 mm，每排6根錨桿，錨桿預緊扭矩不低于400 N·m。采用規格為K2340和Z2360的低粘度樹脂錨固劑各1支進行加長錨固，錨固長度為1 272 mm。托板規格為150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強度托盤，力學性能與桿體相匹配，配調心球墊和減摩墊圈[6]。W鋼護板規格為4 mm×280 mm×450 mm(厚×寬×長)。采用10號鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為5 200 mm×1 000 mm。錨索為D21.6 mm×8 300 mm的1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為2 000 mm×1 800 mm，錨索預緊力為150～200 kN，采用兩支K2340和兩支Z2360樹脂錨固劑加長錨固，錨固長度4 153 mm，配合300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板和調心球墊。

3.1.2 巷幫支護

錨桿為D22 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，垂直巷幫布置，間排為1 000 mm×900 mm，每排4根錨桿，錨桿預緊扭矩不低于400 N·m。采用規格為K2340和Z2360的低粘度樹脂錨固劑各1支進行加長錨固，錨固長度為1 272 mm(采用加長錨固，1支錨固劑為端錨)。托板規格為150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強度托盤，力學性能與桿體相匹配，配調心球墊和減摩墊圈。W鋼護板規格為4 mm×280 mm×450 mm(厚×寬×長)。采用10號鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為3 800 mm×1 000 mm。

3.2 支護效果分析

為了掌握巷道圍巖變形情況，采用十字布點法在1-209A2巷工作面內安設測站，對工作面推進200 m范圍內的巷道表面位移進行監測，根據所監測得數據對支護效果進行分析，監測結果如圖4所示。

由圖4可知，巷道兩幫和頂底板位移量隨工作面推進呈現出先快速增長，再緩慢增長，后趨于穩定的變化趨勢。在工作面推進45 m范圍內，巷道兩幫和頂底板位移量增長速度較快；在工作面推進45～150 m范圍時，巷道兩幫和頂底板位移量增長速度逐漸變慢，最終在工作面推進至150 m以外時趨于穩定。巷道兩幫和頂底板位移量最大值分別為92.47 mm和259.96 mm；由此可見，所采用的支護方案有效控制了2-109A2巷工作面圍巖變形，巷道支護效果顯著。

4 結 語

1) 地應力測試結果表明：1-209A工作面最大水平主應力為16.18 MPa，垂直主應力11 MPa，為中等地應力場；最優巷道軸向與最大水平主應力夾角35.42°，而巷道軸向為北偏東60°，與最佳布置方位相差23°，巷道變形受最大水平主應力影響。

2) 圍巖強度測試結果表明：巷道頂板0～5 m范圍內圍巖強度相對較高，5～10 m范圍內圍巖強度較低。在采動影響下，頂板和兩幫圍巖松軟破碎，成形較差，巷道服務年限較長，應充分考慮巖層風化對支護的影響。

3) 提出采用高預應力樹脂加長錨固錨網索聯合支護系統，現場實測結果表明：支護后巷道兩幫和頂底板位移量最大值分別為92.47 mm和259.96 mm，巷道圍巖控制效果顯著。