正利煤業14-11105孤島工作面圍巖控制技術研究與應用

楊建龍

（山西焦煤集團投資有限公司正利煤業，山西 呂梁 033500）

1 工程概況

山西省焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司14-11105工作面屬于孤島工作面。工作面區域煤厚2.9～3.5 m，平均3.2 m，煤層傾角6°～10°，平均8°，直接頂以泥砂互層、基本頂以中細砂巖為主。工作面回采巷道斷面為矩形，寬4.6 m，高3.2 m。由于孤島工作面礦壓顯現較為劇烈，為保障回采巷道圍巖的穩定，需進行巷道圍巖控制技術研究。

2 巷道圍巖多圈層高效支護技術

2.1 支護技術原理

目前我國煤巷的支護方式主要為錨網索支護，但這種組合支護下存在兩方面問題：（1）錨桿和錨索長度相差較大，錨索長度一般是錨桿長度的3～4倍，錨桿錨固區外離層由錨索承擔，但錨索密度較低。（2）錨桿和錨索由于力學性質不同很難協同承載，前期載荷主要集中在預緊力更高、敏感度更強的錨索上，遇強動壓時錨索常常先斷而后錨桿再斷，支護體系被各個擊破[1-2]。

基于上述普通錨網索支護中存在的問題，依據錨桿索各自的物理力學屬性，提出促進二者高效耦合承載的支護理論和技術，通過等排距錨桿索構建巷道頂板多承載層，技術原理如圖1。采用多圈層高效支護技術時，一排錨桿和一排錨索間隔布置，相鄰錨桿和錨索之間的排距相同，從而充分發揮錨桿和錨索各自的支護能力，避免高預拉力錨索對錨桿造成干擾。同時，錨桿和錨索在巷道頂板不同深度的層位上分別形成了“淺部基礎層”“中部承載層”和“深部強化層”，避免當錨固層位單一化時支護界面上離層集中發育[3-5]。巷道頂板多承載層保障了頂板巖層穩定，為支護技術創新奠定了理論基礎。

圖1 巷道圍巖多圈層高效支護技術原理圖

支護長度優化，促進錨桿索高效耦合承載。當錨固長度一定時，錨桿和錨索的軸向敏感度（反應抑制變形的能力）隨著桿體長度的增加而降低，因此若錨索長度過長則支護效率下降。而與之對應，承載層厚度隨著錨桿索長度的降低而降低，若錨桿索長度過短則錨固層厚度不足。通過加大錨桿長度、縮短錨索長度，形成長短組合間隔支護，促進錨桿和錨索高效協調承載，既能保證錨固層的厚度，又能維持桿體的高敏感度。

采空側保持加長支護，控制采動區頂板破斷連帶的橫向離層。在覆巖運動的連帶作用下，采空區側邊頂板分布大量裂隙離層。因此，對巷道的采空側頂板施加長錨索加固，有助于控制離層的進一步發育，避免其惡化發展。根據煤層頂板結構，設計長錨索支護該區域頂板，能夠較好地控制該位置的頂板離層。

2.2 支護技術工藝特征

（1）支護原則

① 新型大加固圈。傳統小加固圈支護密度高，但承載層薄，支護效率低，常有安全隱患。多圈層高效支護技術中錨桿應穿透關鍵圈層，充分調動深部圍巖性能，限制淺部變形，以小位移約束大位移，實現圍巖整體控制，結構穩定。如圖2，加大承載圈的強度和厚度，抵抗應力擾動，實現承載層厚、支護效率高、安全可靠的目的。

圖2 大加固圈支護原理示意圖

② 低密度高效能。轉變傳統錨網索支護設計時進行支護間排距設計的思想，現進行錨桿（索）設計時，主要考慮錨桿（索）的支護效能，以此通過支護方案保障圍巖穩定，達到低密度條件下錨桿（索）的高效能支護。

③ 預應力維持。在巷道錨桿（索）支護后，隨著巷道掘出時間的增長，施加在錨桿（索）上的預應力會不斷地降低、損失。基于目前支護中存在的這項問題，設計在支護方案實施后對錨桿（索）采取二次或多次扭矩施工作業，確保錨桿（索）在巷道服務期限內能夠始終保持較高的預緊力，以此確保其支護效果[6]。

（2）大錨桿支護特征及指標

大錨桿的技術特征：① 主動支護能力—高預應力；② 工藝時效性能—良好工藝性能；③ 約束變形能力—較強的增載性能。

大錨桿的技術指標：大錨桿支護通常按照單根錨桿效能的3～4倍來考慮。① 桿體強度不低于600 MPa；② 錨桿規格直徑Φ24～25 mm，長度3.0～4.0 m；③ 主動支護強度0.2～0.3 MPa以上。

（3）大錨桿的幾種形式

柔性錨桿：① 桿體為鋼絞線，尾部加螺紋套，采用螺母預緊；② 桿體為鋼絞線，采用鎖具預緊。

兩節式、多段式錨桿：桿體采用高強度錨桿，桿體屈服強度≥600 MPa，錨桿的長度可以不受巷道尺寸制約，螺母托盤鋼帶金屬網高效匹配，配備減摩墊片。根據相關實驗數據可知[7]：兩節式錨桿套筒連接處強度已超過錨桿桿體強度，不存在弱化問題，可以實現高預緊力支護。

3 支護方案及效果分析

3.1 支護方案

根據14-11105工作面的地質條件，結合上述巷道圍巖多圈層高效支護技術原理及工藝特征，確定巷道多圈層支護方案如下：

（1）頂板支護

① 螺紋鋼錨桿（配M5鋼帶、M5托盤）：淺部基礎層采用Φ22 mm×2600 mm左旋螺紋鋼錨桿（屈服強度為500 MPa）配M5托盤壓M5鋼帶支護，間排距為800 mm×1000 mm，預緊力矩300 N·m。

② 柔性錨桿：每隔兩排螺紋鋼錨桿布置3根Φ21.8 mm×4300 mm柔性錨桿形成中部承載層，間排距1600 mm×2000 mm，預緊力≥200 kN。

③ 錨索：每兩排柔性錨桿中間“五花眼”位置布置Φ21.8 mm×6300 mm錨索，每排2根，形成深部強化層，間排距為1600 mm×2000 mm，預緊力不小于250 kN。

④ 網片：頂板鋼筋網規格為Φ6.5 mm×4600 mm×1100 mm。

（2）煤幫支護

① 螺紋鋼錨桿（配M3鋼帶、M3托盤）：幫部每排布置4根Φ22 mm×2600 mm左旋螺紋鋼錨桿（屈服強度500 MPa），間距不一，排距1000 mm，上部3根錨桿配M3托盤壓M3鋼帶支護，底部1根為單體支護，預緊力矩不小于300 N·m。

② 網片：規格為3200 mm×1100 mm。幫網上部與頂網搭接不小于200 mm，錨桿必須打到壓茬處，搭接部位每隔200 mm三花邁步綁扎，用14#鐵絲雙股扭結，不少于三扣。

具體14-11105工作面回采巷道支護布置圖如3。

圖3 巷道支護斷面圖

3.2 效果分析

14-11105工作面回采巷道掘進期間進行巷道表面位移監測，測站滯后掘進頭10 m布置，巷道掘進期間平均每間隔2～3 d觀測一次，持續觀測40 d。根據觀測結果繪制出圍巖變形曲線圖，如圖4。

圖4 圍巖變形量及變形速率曲線圖

分析圖4可知，巷道掘出后的0～10 d內圍巖變形速率較大；當巷道掘出時間在10～15 d范圍內時，圍巖變形速率大幅降低，頂底板及兩幫圍巖變形量均小于2 mm/d；當巷道掘出15 d后，巷道圍巖變形量基本不再增加，最終頂底板及兩幫變形量分別為123 mm和182 mm。據此可知，巷道現有支護方案可保障圍巖的穩定。

4 結論

根據14-11105孤島工作面的地質條件，通過分析巷道圍巖多圈層高效支護技術原理及工藝特征，設計巷道頂板采用螺紋鋼錨桿、柔性錨桿及錨索分別對淺部基礎層、中部承載層和深部強化層進行支護，設計煤幫采用螺紋鋼錨桿支護。圍巖變形觀測結果表明圍巖變形量小，能夠保障圍巖的穩定。