采動(dòng)壓力影響下掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)研究

摘 要：王村斜井5208工作面原設(shè)計(jì)為孤島工作面。為緩解采煤工作面接續(xù)緊張的問題，王村斜井在5206和5210工作面回采期間即對5208工作面順槽進(jìn)行掘進(jìn)，工作面之間留15m保護(hù)煤柱。5208工作面進(jìn)風(fēng)順槽與5210回采工作面部分處于對向掘進(jìn)狀態(tài)，受5210工作面采動(dòng)壓力影響，導(dǎo)致了巷道支護(hù)困難，巷道變形嚴(yán)重，錨桿失效量大，后采用高強(qiáng)扭矩錨桿+“鳥窩”錨索對工作面順槽進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿能夠有效的控制巷道變形，并對巷道的底鼓也起到了一定的控制作用。

關(guān)鍵詞：采動(dòng)壓力影響 高預(yù)應(yīng)力錨桿 “鳥窩”錨索 底鼓

中圖分類號：TU2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0120-02

1 巷道基本情況

1.1 巷道位置

5208工作面位于王村斜井煤礦+403m水平，二采區(qū)，東為采區(qū)巷道及東翼采空區(qū)，西為三采區(qū)保護(hù)煤柱，北為5206工作面，南為5210工作面，兩工作面都處于回采過程中。地面標(biāo)高為+652.2～+717.7m，工作面標(biāo)高為+424～+442m。地表廣為黃土覆蓋，多為溝谷地帶，梯形狀農(nóng)田，沖溝較發(fā)育，無建筑物。

1.2 煤層賦存條件

煤層賦存比較穩(wěn)定，煤層厚度1.6m～3.77m，一般厚2.49m，為中厚煤層，夾矸1～3層，一般二層，夾矸厚度0.08m～0.25m，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。煤層傾角2°～13°，平均4°，為緩傾斜煤層，煤種為瘦煤1號。5208工作面的掘進(jìn)主要沿5煤層頂板掘進(jìn)，當(dāng)煤層厚度不足2.5m時(shí)，破底掘進(jìn)。

1.3 巷道頂?shù)装鍘r性

偽頂為炭質(zhì)泥巖灰黑色，易碎，不穩(wěn)定，厚度0～0.5m，平均厚度為0.14m，隨掘隨冒。直接頂為粉砂巖深灰色，塊狀，含黃鐵礦結(jié)核，厚度2.0～4.5m，平均為2.3m。老頂為中細(xì)粒砂巖細(xì)粒砂巖，灰色，成分以石英為主，厚度2.5～6.1m，平均為4.5m。直接底為粉砂巖灰色，層面平整，含少量植物化石，厚度1.0～3.8m，平均為1.4m。老底為石英砂巖灰-灰白色，較為堅(jiān)硬，厚度為1.3m～8.06，平均4.5m（圖1）。

2 施工存在問題

2.1 原支護(hù)參數(shù)

（1）頂板支護(hù)參數(shù)

錨桿排距0.8m，每排5根錨桿，間距0.8m；桿體為Φ20mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2m；鋼筋托梁和編織網(wǎng)護(hù)表。

（2）兩幫支護(hù)參數(shù)

①回采側(cè)支護(hù)參數(shù)。錨桿排距為0.8m，錨桿間距0.9m，每排3根錨桿；桿體為Φ16mm×1800mm的玻璃鋼錨桿；雙抗網(wǎng)護(hù)表。

②煤柱側(cè)支護(hù)參數(shù)。錨桿排距為0.8m，錨桿間距0.9m，每排3根錨桿；桿體為Φ18mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，長度1.8m；雙抗網(wǎng)護(hù)表。

（3）輔助支護(hù)

錨索采用2+1+2形式布置，錨索排距1.6m；錨索規(guī)格：采用Φ17.8mm鋼絞線錨索，長度7.0m；錨索托梁護(hù)表。

初步設(shè)計(jì)時(shí)，巷道設(shè)計(jì)凈寬度3600mm，設(shè)計(jì)凈高度2500mm。由于5208工作面為孤島工作面，為保證巷道在受5210及5206工作面采動(dòng)壓力影響后，仍能滿足生產(chǎn)需要，后確定巷道寬度為3800mm，高度2500mm，兩幫各預(yù)留10cm的變形量。

2.2 原支護(hù)設(shè)計(jì)存在問題

5208工作面進(jìn)風(fēng)順槽采用以上支護(hù)在施工過程中，錨桿失效量大，托盤翻盤嚴(yán)重。頂板和兩幫移近量大，經(jīng)觀測頂?shù)装逡平窟_(dá)100cm。兩幫移近量達(dá)80cm。底鼓嚴(yán)重巷道返修量大。由于以上的設(shè)計(jì)不能到達(dá)巷道合理的尺寸要求，不能滿足安全生產(chǎn)的目的。所以第二次返修的采用套棚支護(hù)。在初期錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)的條件下不能控制圍巖的初期變形，使得覆巖離層和斷裂高度明顯增大，棚子支護(hù)存在很大的困難，加之與棚子支護(hù)對回采有一定的影響。鋼筋托梁進(jìn)行的表面控制，兩幫變形比較嚴(yán)重，由于與圍巖接觸主要是線受力（易破壞頂板的完整性），護(hù)頂面積太小，在圍巖壓力比較大的情況下難以起到真正保護(hù)頂板的作用。木托盤對錨桿安裝應(yīng)力及應(yīng)力保持影響很大。棚子支護(hù)加大了工作面的勞動(dòng)強(qiáng)度，不能有效的控制底鼓，所以采用新的錨網(wǎng)索技術(shù)是改變現(xiàn)狀的主要手段。

3 支護(hù)現(xiàn)狀分析

3.1 采動(dòng)影響下巷道穩(wěn)定性分析

隨采掘工作面水平相會(huì)，頂板結(jié)構(gòu)劇烈調(diào)整，采面推過后隨采隨冒，直接頂隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與上位的關(guān)鍵頂板離層；關(guān)鍵頂板開始彎曲下沉和回轉(zhuǎn)，并在下位巖體垮空后折斷，斷裂線位置深入到煤體內(nèi)，直至另一端觸矸壓實(shí)后趨于穩(wěn)定，形成主要由關(guān)鍵塊體B構(gòu)成的側(cè)向承載結(jié)構(gòu)，如圖2；關(guān)鍵層上部巖體隨之垮落，巷道的外圍載荷主要由關(guān)鍵塊B承擔(dān)。這一動(dòng)壓作用過程從根本上決定了迎采動(dòng)工作面沿空掘巷的維護(hù)環(huán)境。巷道周圍巖體必然因該結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)下沉而遭受強(qiáng)烈的變形壓力，巷道頂板將隨之發(fā)生適應(yīng)性下沉，呈現(xiàn)數(shù)百毫米的給定位移，這是結(jié)構(gòu)性調(diào)整。

3.2 煤柱的穩(wěn)定性

由于5208工作面布置時(shí)，只留設(shè)了20m的保護(hù)煤柱。動(dòng)壓作用下，煤柱已全部進(jìn)入塑性破裂狀態(tài)，并向巷內(nèi)和采空區(qū)兩個(gè)方向坍塌。煤柱破壞影響到巷道周圍支護(hù)圈的穩(wěn)定，但也加快關(guān)鍵頂板自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的形成，從根本上降低巷道周邊的圍巖壓力。

如上分析，鄰工作面采動(dòng)造成的側(cè)向頂板破斷、回轉(zhuǎn)和結(jié)構(gòu)性調(diào)整階段必然導(dǎo)致巷道圍巖的大范圍破壞和強(qiáng)烈變形。因此如何有效防治煤柱坍塌，頂板離層成為控制頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平康闹行暮颓疤?。通常采取加密錨桿的思路來建立“鋼”性頂板，雖能保證在錨固范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的支護(hù)抗力，但避免不了在錨桿長度以外的頂板中發(fā)生離層，并導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒。

4 新支護(hù)選擇

4.1 設(shè)計(jì)要考慮的問題（防治煤柱坍塌，頂板離層）

（1）提高錨桿的安裝應(yīng)力，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)

錨桿的安裝應(yīng)力是控制圍巖早期變形和離層的重要參數(shù)。安裝應(yīng)力過小會(huì)使圍巖發(fā)生過大的早期變形和頂板離層，松散破碎圈增大，引起頂板破碎掉落，使錨桿失效。同時(shí)在巷道開掘后要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，減少圍巖暴露時(shí)間，以達(dá)到及時(shí)主動(dòng)支護(hù)的目的。

（2）合理的支護(hù)范圍及強(qiáng)度

由于受相鄰回采工作面的影響，壓力比常規(guī)情況下大，且由于圍巖破碎，在保證錨桿安裝應(yīng)力的前提下，合理的錨桿長度和強(qiáng)度能夠穩(wěn)定地控制巷道圍巖的變形。

（3）表面支護(hù)

為了能夠保證充分發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)的作用以及整體性，表面支護(hù)必須加強(qiáng)。

（4）輔助支護(hù)

合理有效的輔助支護(hù)可以與錨桿支護(hù)形成一個(gè)整體，保障巷道支護(hù)的長期有效性和穩(wěn)定性，適應(yīng)不同地質(zhì)采礦條件的變化。

4.2 支護(hù)參數(shù)的選?。ǜ邚?qiáng)扭矩錨桿+“鳥窩”錨索+W鋼帶所組成的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)）

（1）錨桿支護(hù)系統(tǒng)

錨桿類型：高強(qiáng)扭矩應(yīng)力錨桿

錨桿參數(shù)：Φ18mm×2200mm（高強(qiáng)）

桿體材料：Q500礦用高強(qiáng)螺紋鋼，屈服強(qiáng)度為12.986t，抗拉強(qiáng)度為18.994t。

安裝應(yīng)力：4t以上；

護(hù)表措施：頂板：金屬網(wǎng)+W鋼帶+高強(qiáng)托盤；

兩幫：金屬網(wǎng)+W鋼帶托盤+短鋼帶+高強(qiáng)托盤

金屬網(wǎng)采用編織網(wǎng)；錨桿托盤采用150mm×150mm×8mm的高強(qiáng)托盤（托盤強(qiáng)度高于Q500Φ18mm桿體的屈服強(qiáng)度）。

W鋼帶：頂板鋼帶：3700mm×275mm×2.5mm

幫部短鋼帶：1300mm×275mm×2.5mm（上面2根錨桿用）

幫部鋼帶托盤：300mm×275mm×2.5mm（底角錨桿用）；

間排距：間排距如圖2～圖4。

（2）輔助支護(hù)

錨索類型：鳥窩錨索

錨索直徑：17.78mm，最大破斷力36t

樹脂錨固劑：CK2335×1+Z2360×2

錨索長度：6300mm

錨索托盤：300mm×300mm×12mm的高強(qiáng)托盤。

5 支護(hù)效果

5.1 巷道施工初期階段的試驗(yàn)

（1）鉆孔窺視-確定圍巖的結(jié)構(gòu)及錨桿長度選擇的的合理性。

在巷道掘進(jìn)一段時(shí)間后，對進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)行鉆孔窺視試驗(yàn)。從試驗(yàn)的結(jié)果來看，在0～1.8m之間的圍巖出現(xiàn)明顯的小裂隙，說明4t以上的預(yù)應(yīng)力，在現(xiàn)階段能夠控制塑性破壞區(qū)的擴(kuò)散，同時(shí)也證明錨桿的長度的選擇是合理的。在3～4.8m之間發(fā)現(xiàn)煤層，經(jīng)過分析應(yīng)該是4#煤，且含有夾矸。4.8～5.4m之間是4#煤層偽頂為粉砂巖。5.4～8m之間巖性發(fā)生了變化，經(jīng)鉆孔中的鉆頭痕跡密且清晰，表明巖石比較堅(jiān)硬經(jīng)分析是細(xì)粒砂巖。選擇6300mm的錨索作為輔助支護(hù)，能夠保證錨固端在穩(wěn)定的巖層上。

（2）拉拔試驗(yàn)-確定圍巖的可錨性。

分別對頂板、兩幫做拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：頂上的錨固力大于18T，兩幫的錨固力大于12T。按照要求錨固力應(yīng)該大于錨桿體的抗拉強(qiáng)度，對于頂板的拉拔當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度后就不進(jìn)行拉拔，避免做破壞性試驗(yàn)。對于兩幫達(dá)到屈服強(qiáng)度后就不進(jìn)行拉拔。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可看出錨固劑、圍巖、桿體之間的錨固力能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）巷道表面位移觀測：經(jīng)過巷道表面位移觀測，從2011年1月30開始對巷道進(jìn)行觀測，巷道頂板和兩幫的相對移近量如圖3所示。

從圖3（藍(lán)色）可以看出，兩幫移近量隨著工作面的掘進(jìn)分為三個(gè)階段：①推進(jìn)0～28m移近量強(qiáng)烈增加階段。②推進(jìn)28～60m移近量緩慢增加階段。③推進(jìn)60m以后移近量變化穩(wěn)定階段。④兩幫最大移近量控制在55mm。

從圖3（藍(lán)色）可以看出，頂板移近量隨著工作面的掘進(jìn)分為三個(gè)階段：①推進(jìn)0～20m移近量強(qiáng)烈增加階段。②推進(jìn)20～42m移近量緩慢增加階段。③推進(jìn)50m以后移近量變化穩(wěn)定階段。④頂板的最大移近量控制在37mm。

（2）巷道兩幫、頂板受力觀測

在巷道的一個(gè)斷面上共安裝了四個(gè)壓力表：三個(gè)錨桿壓力表（1MP=0.4T），一個(gè)錨索壓力表（1MP=0.54T）。從2011年1月30日開始觀測。

兩幫錨桿的受力分析：①兩幫在0～15m之間巷道兩幫錨桿受力變化劇烈。初期考慮到左幫錨桿的受力要大于右?guī)停ㄗ髱蜑檠乜諅?cè)），所以在安裝時(shí)左幫的安裝應(yīng)力大于右?guī)偷陌惭b應(yīng)力。②兩幫在15～30m之間錨桿受力變化緩慢。③30m以后兩幫錨桿受力穩(wěn)定，左幫穩(wěn)定在20MP（8T）、右?guī)头€(wěn)定在17MP（6.8T）（圖4）。

頂板錨桿、錨索受力：①在0～7m頂錨桿、錨索受力受力變化緩慢。②7m以后頂錨桿、錨索受力穩(wěn)定，頂錨桿18MP（7.2T），錨索22MP（11.9T）。

在采用高強(qiáng)扭矩錨桿支護(hù)后，兩幫和頂板受力狀況得到了有效的改善，巷道的整體移近量大大減少了，底鼓也得到了一定的控制。通過錨桿、錨索的受力情況表明在巷道掘進(jìn)過程中，錨桿、錨索的支護(hù)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是合理的。

6 結(jié)語

在鄰工作面采動(dòng)后，小煤柱全部進(jìn)入塑性破壞。它們將可能導(dǎo)致巷道維護(hù)空間的急劇縮小，煤柱坍塌，頂板垮冒。高強(qiáng)扭矩錨桿+“鳥窩”錨索+W鋼帶所組成的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)能適應(yīng)此種條件下巷道掘進(jìn)問題。經(jīng)濟(jì)角度上來講，減少了巷道的返修量，從總體上說降低了掘進(jìn)成本。王村斜井5208進(jìn)風(fēng)巷道的試驗(yàn)成功，對以后類似采礦條件下順槽支護(hù)提供了可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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