慈林山礦復合軟弱頂板下錨網索主動支護技術應用

王 磊

(山西潞安礦業集團 慈林山煤業有限公司慈林山煤礦，山西 長子 046605)

長期以來，我國一直是以煤炭作為主要消費能源的國家，也是世界上產煤量第一的國家。雖然能源結構逐漸向綠色轉變，但國民經濟的快速發展離不開能源的支撐，再加上我國的能源賦存結構特征決定了短期內我國以煤為主的能源結構不會改變[1-2]。我國煤炭以井下開采為主，需要掘進大量的地下巷道，因此服務期內巷道的穩定控制直接影響到煤礦的正常生產，巷道支護經過木支護、砌碹支護、架棚支護、錨桿支護等階段[3-4]。錨網索主動支護技術是采用主動預緊的方式，通過對巷道圍巖的主動約束，形成主動錨固結構，改善圍巖力學性能，從而實現支護圍巖協同控制，大量工程實踐證明了錨網索支護具有支護效果好、成本低等優點，目前已將廣泛應用于我國大中小礦井，有些礦井煤巷錨網索支護已達到100%[5-7].

1 工程概況

慈林山礦9109運輸巷沿煤層布置，服務于9109工作面。工作面開采9號煤層，工作面北部與9107采空區相鄰，南為實體煤，東部為礦井邊界，西部與9號煤水平大巷相連。9109運輸巷采掘平面示意如圖1所示。工作面開采范圍煤層呈單斜構造，煤層平均傾角4°，煤層平均厚度1.6 m，呈黑色、鏡煤條帶狀。煤層結構簡單，工作面頂板巖性主要為粉砂巖、泥巖、中粒砂巖、泥質灰巖，底板巖性主要為粗粒砂巖、粉砂巖、石灰巖。9109運輸巷頂底板巖性特征見表1所示。慈林山礦9109運輸巷設計矩形斷面，巷道掘寬4 300 mm，掘高2 400 mm.根據頂底板巖性特征可知9109運輸巷頂板為復合軟弱巖層，支護難度較大。

圖1 9109運輸巷采掘平面示意

表1 9109運輸巷頂底板巖性特征

2 復合軟弱頂板下錨網索主動支護技術

2.1 復合軟弱頂板下巷道圍巖控制思路和原則

慈林山礦9109運輸巷頂板為泥巖、中粒砂巖、泥質灰巖復合結構，頂板巖層互層現象明顯，巖性松軟，自身承載能力較低，在采掘擾動下，易出現局部冒頂現象。這里特提出復合軟弱頂板下巷道圍巖控制思路和原則。

1) 淺部軟弱頂板巖層主動強化。9109運輸巷頂板2.1 m范圍內為泥巖、中粒砂巖、泥質灰巖復合結構。通過對錨桿施加一定的預緊力，對復合軟弱頂板巖層進行主動約束，促使復合軟弱頂板巖層形成主動錨固結構，實現改善圍巖力學性能、增強復合軟弱頂板巖層承載能力的目的。

2) 利用深部堅硬巖層承載能力。9109運輸巷復合頂板上部存在5.5 m的堅硬厚層狀粉砂巖。采用長錨索將復合軟弱頂板巖層形成主動錨固結構主動懸吊至厚層狀粉砂巖巖層，充分利用深部堅硬巖層承載能力。

3) 支護參數及組件相互匹配。根據巷道圍巖條件選用合理的支護參數，同時配套相互匹配的錨固劑、金屬網、鋼筋托梁等組件，形成完整的巷道支護體系。

2.2 復合軟弱頂板下巷道錨網索主動支護技術

9109運輸巷頂板為賦存2.1 m厚的復合軟弱巖層，復合頂板上部存在5.5 m的堅硬厚層狀粉砂巖，承載性能良好，設計提出復合軟弱頂板下巷道錨網索主動支護技術，具體如下：

1) 巷道頂板采用錨桿+錨索+鋼筋托梁+金屬網支護。錨桿采用鋼號335號、直徑20 mm、長度2.2 m的左旋無縱筋螺紋鋼筋制作而成。錨桿間排距1.0 m×1.2 m，每排5根，每根錨桿配套1支MSCKB2335(里)、1支MSZ2360(外)樹脂錨固劑，配套規格150 mm×150 mm×10 mm、強度235 MPa的高強度托板，錨桿鋼筋托梁連接，鋼筋托梁采用直徑14 mm、強度235 MPa的圓鋼焊接制作，錨桿預緊力矩300 N·m，錨索采用直徑18.9 mm、長度6.3 m的1×7股鋼絞線制作，錨索居中布置，排距3.6 m，每根錨索配套1支MSCK2335(里)、2支MSZ2360(外)樹脂錨固劑，配套規格300 mm×300 mm×16 mm、強度235 MPa的可調心托板，錨索張拉預緊力不低于45 MPa，金屬網采用10號鐵絲編織、網格規格50 mm×50 mm的經緯網，金屬網長4.5 m，寬1.2 m.

2) 實煤體幫采用錨桿+鋼筋托梁+金屬網支護，錨桿規格與頂板支護一致，錨桿間排距1.1 m×1.2 m，每排3根，采用鋼筋托梁連接，錨桿預緊力矩240 N·m，金屬網采用10號鐵絲編織、網格規格50 mm×50 mm的經緯網，金屬網長2.3 m，寬1.2 m.

3) 工作面幫采用玻璃鋼錨桿支護，錨桿采用直徑20 mm、長度2.2 m的玻璃鋼制作，間排距1.1 m×1.2 m，每排3根，每根錨桿配套1支MSZ2360樹脂錨固劑，預緊力矩100 N·m.

3 巷道圍巖控制效果

將提出的復合軟弱頂板下巷道錨網索主動支護技術應用于慈林山礦9109運輸巷掘進支護中，同時，采用十字監測法監測了9109運輸巷圍巖變形情況，每掘進50 m設1個測站，分別在巷道頂、底板和兩幫的中部各布置1個測點，采用細線和卷尺進行測量巷道表面圍巖的相對距離，據此反算出巷道相對移近量，巷道支護斷面圖如圖2所示，變形曲線如圖3所示。由圖可知，9109運輸巷掘巷后圍巖變形可分為快速失穩階段、失穩調整階段和穩定階段。

圖2 9109運輸巷支護斷面圖(mm)

圖3 9109運輸巷圍巖變形曲線

快速失穩階段是9109運輸巷掘進初期(45 d內)，圍巖出現快速失穩；圍巖變形速度集中在1.5～2.5 mm/d，失穩調整階段在9109運輸巷掘進45～90 d內；失穩現象得到調整，圍巖變形減緩，圍巖變形速度集中在0.5～1.5 mm/d；穩定階段發生在巷道掘進90 d后，圍巖結構逐漸穩定，圍巖變形速度趨于0 mm/d.9109運輸巷掘進穩定后，巷道頂板、工作面幫、實煤體幫變形分別為178 mm、158 mm、117 mm.由于工作面幫采用玻璃鋼支護，支護輕度較弱，變形相對較大，巷道整體變形均在可控范圍內。綜上所述，復合軟弱頂板下巷道錨網索主動支護技術實現了慈林山礦9109運輸巷的穩定控制。

4 結 語

1) 以慈林山礦9109運輸巷為工程背景，提出了淺部軟弱頂板巖層主動強化、利用深部堅硬巖層承載能力、支護參數及組件相互匹配的復合軟弱頂板下巷道圍巖控制思路和原則，基于此，開發了復合軟弱頂板下巷道錨網索主動支護技術。

2) 復合軟弱頂板下巷道錨網索主動支護技術在9109運輸巷進行了應用后，巷道掘進90 d圍巖穩定，巷道頂板、工作面幫、實煤體幫變形分別為178 mm、158 mm、117 mm，實現了慈林山礦9109運輸巷的穩定控制。