回采巷道預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李張生

（山西凱嘉能源集團(tuán)有限公司安全管理中心，山西 介休 032000）

0 引言

礦井回采巷道是服務(wù)于采煤工作最前沿的巷道，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道支護(hù)困難，尤其是當(dāng)工作面來壓時，進(jìn)入工作面超前支承應(yīng)力影響范圍的回采巷道，將承受更為劇烈的動壓擾動，回采巷道往往出現(xiàn)大范圍沉降、頂板加卸載破壞、巷幫鼓出甚至是冒頂事故，對安全生產(chǎn)威脅極大。因此，對于工作面回采巷道的支護(hù)工作，礦方應(yīng)高度重視，其支護(hù)原則一是應(yīng)使外部支護(hù)具備一定的強(qiáng)度和剛度，滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有的承載作用；二是應(yīng)使支護(hù)方案更趨合理，提高支護(hù)成本反而可能事倍功半；三是應(yīng)重視巷道圍巖的承載作用，致力于建立“支護(hù)—圍巖”整體承載結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)效率。在巷道超前支護(hù)段，傳動的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案不外乎單體液壓支柱、抬棚支護(hù)、端頭液壓支架等方式，存在支護(hù)工作勞動強(qiáng)度大、支護(hù)設(shè)備占用空間大、支護(hù)設(shè)備對頂板反復(fù)加卸載等弊端，支護(hù)效果整體不佳[1-5]。針對回采巷道進(jìn)入超前支承應(yīng)力影響范圍后的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)難題，以2901 進(jìn)風(fēng)巷為研究對象，設(shè)計(jì)采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的超前支護(hù)措施，并展開支護(hù)實(shí)踐及效果分析。

1 2901 工作面概況

2901 工作面主采2 號煤層，平均埋深為453 m，煤層厚度2.5～3.6 m，平均2.7 m，煤層傾角5°～18°，平均為14°，煤層裂隙發(fā)育，堅(jiān)固系數(shù)為0.55～0.75，煤層頂?shù)装搴穸燃皫r性特征如圖1 所示。2901 進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，頂錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2200 mm，間排距為830 mm、900 mm，每排6 根；頂錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×7200 mm，常規(guī)情況下為單排布置，排距3600 mm，過斷層等壓力異常區(qū)域采取雙排布置，間排距為1400 mm、3600 mm，預(yù)緊力為150 kN，幫錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2200 mm，間排距為900 mm、900 mm，左幫4 根，右?guī)? 根，支護(hù)方案如圖2 所示。

圖2 2901 進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

根據(jù)巷道掘進(jìn)支護(hù)及回采支護(hù)的表現(xiàn)情況看，常規(guī)情況下，該支護(hù)方案能夠滿足巷道的基本支護(hù)需求，但局部區(qū)域如地質(zhì)破碎帶，支護(hù)強(qiáng)度不足，出現(xiàn)過圍巖變形累積量較大、漏頂鼓幫情況，應(yīng)采取其他補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。結(jié)合礦井現(xiàn)有的超前支護(hù)方案，需要在巷道進(jìn)入工作面超前30 m 時就進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，使用單體液壓支柱架兩排抬棚支護(hù)，不但存在支護(hù)效率低、工人勞動強(qiáng)度大等問題，還會因?yàn)樘镞~步前移工序，對頂板反復(fù)加載、卸載，頂板擾動頻繁，在進(jìn)入工作面端頭區(qū)域后更加破碎，容易出現(xiàn)端頭冒頂、片幫現(xiàn)象甚至更嚴(yán)重事故[6-8]，因此，礦方計(jì)劃進(jìn)行技術(shù)革新，摒棄傳統(tǒng)支護(hù)方式，在巷道進(jìn)入超前應(yīng)力影響范圍之前就進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，提前對巷道圍巖進(jìn)行加固。

2 圍巖支護(hù)難點(diǎn)分析

1）高地應(yīng)力特征明顯。地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)顯示，2901 工作面區(qū)域垂直應(yīng)力數(shù)值介于11.5～18.2 MPa，最大水平應(yīng)力數(shù)值介于10.3～15.8 MPa，呈現(xiàn)出垂直應(yīng)力高于水平應(yīng)力的特點(diǎn)，是典型的深井高地應(yīng)力的表現(xiàn)特征。

2）巷道圍巖初始變形量大。由于地應(yīng)力大，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，地應(yīng)力迅速釋放，造成巷道圍巖的初始變形快速積累，一旦支護(hù)不及時，就可能造成頂板漏冒事故；或者圍巖變形過大，損毀原有支護(hù)，需要進(jìn)行巷道修復(fù)及重復(fù)支護(hù)。

3）圍巖不易形成承載結(jié)構(gòu)。巷道掘進(jìn)破壞原巖平衡狀態(tài)，造成較大的圍巖變形，圍巖的整體性差，不易形成承載結(jié)構(gòu)，更多依靠外部支護(hù)作用，造成支護(hù)強(qiáng)度和剛度不足的假象。

4）超前支護(hù)段變形劇烈。巷斷面較大，進(jìn)入工作面超前應(yīng)力影響范圍后，巷道受多重應(yīng)力影響，頂板巖層的拉破壞更為明顯，頂板下沉，底板鼓起，兩幫鼓出，斷面收縮嚴(yán)重，應(yīng)著重加強(qiáng)支護(hù)。

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

回采巷道受工作面超前支承應(yīng)力、采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加，受掘進(jìn)擾動、工作面回采擾動疊加，當(dāng)進(jìn)入工作面超前范圍后，即進(jìn)入應(yīng)力疊加區(qū)，且距離煤壁距離越近，巷道圍巖的塑性破壞越嚴(yán)重，塑性區(qū)越發(fā)育，應(yīng)更重視對淺部圍巖的支護(hù)，重視在更深處的圍巖內(nèi)形成承載結(jié)構(gòu)，這種情況下，錨固點(diǎn)更深的預(yù)應(yīng)力錨索明顯更具有適用性，可將淺部錨桿錨固區(qū)域內(nèi)圍巖與深部圍巖進(jìn)行聚合，形成更大范圍的錨固體，從而抑制圍巖塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，控制圍巖繼續(xù)向巷道空間內(nèi)位移，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的目的。基于理論分析及礦井類似條件下的巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)在2901進(jìn)風(fēng)巷原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，施打預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3.1 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)計(jì)

巷道原支護(hù)方案保持不變，在2901 進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入超前應(yīng)力影響范圍前，施打補(bǔ)強(qiáng)錨索，按照巷道支護(hù)設(shè)計(jì)理論，補(bǔ)強(qiáng)方案如圖3 所示。原方案錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×7200 mm，錨索錨固深度足夠，應(yīng)合理增加錨索強(qiáng)度，故補(bǔ)打的錨索規(guī)格設(shè)計(jì)為Ф21.6 mm×7200 mm 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨索，預(yù)緊力增至不低于220 kN。一是原單排錨索區(qū)域，均按照間距1400 mm 補(bǔ)為雙排錨索，排距不變；二是沿巷道中心線對稱補(bǔ)打2 根預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨索，間距3400 mm、排距3600 mm，與頂板法線方向呈20°角布置，與原錨索交替布置，這樣錨索排距縮為1800 mm。

圖3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)示意圖（單位：mm）

3.2 工程實(shí)踐及支護(hù)效果評價

實(shí)測發(fā)現(xiàn)，工作面超前支承應(yīng)力影響較明顯范圍不超過30 m，故施工設(shè)計(jì)要求在巷道距離煤壁100～150 m 范圍內(nèi)完成錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并在施工完成后進(jìn)行巷道表面位移量觀測，實(shí)測巷道100 m 范圍內(nèi)位移量變化數(shù)據(jù)如圖4 所示。觀測數(shù)據(jù)表明：補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道位移逐漸開始累積，在距離煤壁100～60 m 范圍內(nèi)，巷道位移量較小；在距離煤壁60～30 m 范圍內(nèi)，巷道位移量開始增加；在距離煤壁30 m 以內(nèi)，巷道位移量增速明顯并迅速累積，在進(jìn)入工作面端頭區(qū)域后，底鼓量累積達(dá)到170 mm，巷道上幫移近量達(dá)到135 mm，巷道下幫移近量達(dá)到120 mm，頂板下沉量達(dá)到78 mm，巷道圍巖變形整體處于可控狀態(tài)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的合理性得到驗(yàn)證。且相比租用大量單體液壓支柱，支護(hù)成本沒有明顯增加，但工人勞動強(qiáng)度、作業(yè)效率改善明顯，端頭作業(yè)工藝優(yōu)化后，采煤循環(huán)耗時縮短，推采速度加快，經(jīng)濟(jì)效益提升明顯，同時安全生產(chǎn)得到保障。

圖4 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后巷道表面位移觀測結(jié)果

4 結(jié)論

1）傳統(tǒng)的巷道超前支護(hù)及端頭支護(hù)工序復(fù)雜，工人勞動強(qiáng)度大，租用大量單體液壓支柱，支護(hù)成本較高，且因工藝落實(shí)，制約工作面推采速度，經(jīng)濟(jì)效益較難提升，應(yīng)在特定地質(zhì)生產(chǎn)條件下，對超前支護(hù)工藝進(jìn)行革新，摒棄傳統(tǒng)支護(hù)方式，在巷道進(jìn)入超前應(yīng)力影響范圍之前就進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，提前對巷道圍巖進(jìn)行加固。

2）分析巷道支護(hù)難題及圍巖變形破壞特征，基于理論分析結(jié)果及礦井類似條件下的巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)在巷道原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，施打預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并對支護(hù)方案及具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3）經(jīng)工程支護(hù)實(shí)踐及礦壓觀測，在距離煤壁30 m以內(nèi)，巷道位移量增速明顯并迅速累積，在進(jìn)入工作面端頭區(qū)域后，底鼓量累積達(dá)到170 mm，巷道上幫移近量達(dá)到135 mm，巷道下幫移近量達(dá)到120 mm，頂板下沉量達(dá)到78 mm，巷道圍巖變形整體處于可控狀態(tài)，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的合理性得到驗(yàn)證，且其他方面的效益也得到提升。