錨網(wǎng)索互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)技術(shù)在梨園河煤礦的應(yīng)用研究

劉錦榮

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 大同 037003）

梨園河煤礦2號煤層為厚煤層，采用綜采放頂煤開采，工作面巷道頂板和兩幫均為煤體，面臨全煤巷道的支護(hù)問題；受到水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力、頂板巖層中夾雜2～3層煤線、斷層、采動(dòng)壓力等影響，巷道變形大，維護(hù)極其困難；通過理論研究、數(shù)值模擬等手段，采用了錨網(wǎng)索互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)技術(shù)，可使綜放回采巷道變形得到良好控制。

1 煤礦的現(xiàn)場概況

梨園河煤礦屬劉家山井田，地層走向近東西，傾向南，地層傾角0～8°，呈單斜構(gòu)造、地質(zhì)簡單；主采煤層為太原組煤系地層的2號、5號、6號煤層，其中2號煤層厚度平均6.88m，采用綜采放頂煤開采。22110工作面位于該礦二水平南部221采區(qū)，埋深169～190 m，工作面走向長805m，傾斜長137m。偽頂為泥巖，厚度一般0.1 m；直接頂以砂質(zhì)頁巖為主，平均厚度1.69 m；老頂為K2砂巖，平均厚度6.81m。底板為深灰色中細(xì)砂巖，平均厚度2.72m。2號層綜放工作面的回采巷道，過去一般采用11號工字鋼棚支護(hù)，棚梁長2.6～4.5 m，棚腿長2.7～2.8 m，棚距800～1 000 mm；受動(dòng)壓影響后，巷道變形嚴(yán)重，梁腿扭曲，需反復(fù)維修。后期采用金屬棚加錨桿（長1.8m、φ16mm）網(wǎng)支護(hù)后，仍要多次維修；尤其工作面開切眼斷面大，支護(hù)很困難。工作面切眼為矩形斷面，掘進(jìn)寬度6.5 m，掘進(jìn)高度2.8 m，掘進(jìn)毛斷面積18.2 m2。

2 互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)理論

互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)理論認(rèn)為，巷道圍巖與支護(hù)體之間要達(dá)到互補(bǔ)，支護(hù)體內(nèi)部各要素之間也要達(dá)到互補(bǔ)，要充分調(diào)動(dòng)各自的承載特性，實(shí)現(xiàn)變形能量的最佳分布。綜放回采巷道互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)的基本原理是：通過對關(guān)鍵部位的合理有效支護(hù)，限制圍巖關(guān)鍵部位產(chǎn)生有害變形或差異性變形，使支護(hù)體的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性與巷道圍巖的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性達(dá)到變形協(xié)調(diào)。各種支護(hù)體間不是同時(shí)聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)的、而是取長補(bǔ)短的，從而大大改善支護(hù)體的整體性能，以達(dá)到控制圍巖大變形的目的。互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)的主要特征如下：

1）強(qiáng)度互補(bǔ)。由于綜放回采巷道圍巖本身的巨大變形能，單純采取高強(qiáng)度支護(hù)不可能達(dá)到成功支護(hù)目的。巷道頂幫各部位受到動(dòng)壓進(jìn)入塑性后，本身仍有較強(qiáng)的承載能力，因此應(yīng)在不破壞圍巖本身承載強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，充分釋放其圍巖變形能，再實(shí)施支護(hù)。

2）剛度互補(bǔ)。由于綜放回采巷道的破壞主要是變形不協(xié)調(diào)引起的，故不同支護(hù)體系的剛度應(yīng)該相互補(bǔ)償。一方面支護(hù)體要有一定柔性，允許巷道圍巖具有足夠變形空間，避免圍巖由變形引起的能量積聚；另一方面支護(hù)體又要有足夠剛度，將圍巖控制在允許變形范圍之內(nèi)，避免因過度變形而過分破壞圍巖本身的承載能力。

3）結(jié)構(gòu)互補(bǔ)。對于圍巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的非連續(xù)變形，通過支護(hù)體對該部位進(jìn)行加強(qiáng)互補(bǔ)支護(hù)、限制其不連續(xù)變形，防止因個(gè)別部位的失效引起整個(gè)支護(hù)體的失穩(wěn)、達(dá)到成功支護(hù)目的。

3 錨網(wǎng)索互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)技術(shù)

錨網(wǎng)索互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)的實(shí)質(zhì)是：對于圍巖由于動(dòng)壓引起的較大塑性變形帶來的變形不協(xié)調(diào)，通過錨桿、錨索的多次支護(hù)，使圍巖和支護(hù)變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生變形破壞，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的支護(hù)單元優(yōu)勢互補(bǔ)，最終實(shí)現(xiàn)對綜放回采巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

實(shí)現(xiàn)錨網(wǎng)索互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)，要依靠錨網(wǎng)索與圍巖的耦合支護(hù)，包括錨網(wǎng)與圍巖的初次耦合支護(hù)，以及在此基礎(chǔ)上、采用錨索對關(guān)鍵部位進(jìn)行二次剛?cè)狁詈现ёo(hù)。在支護(hù)與巷道掘進(jìn)的這一動(dòng)態(tài)施工作業(yè)過程中，要依據(jù)圍巖變形等礦壓監(jiān)測結(jié)果，要正確確定二次支護(hù)的關(guān)鍵部位和二次耦合支護(hù)的最佳時(shí)間，因此錨網(wǎng)索互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)成功的關(guān)鍵是關(guān)鍵部位和二次互補(bǔ)支護(hù)最佳時(shí)間的確定。

一般沿煤層掘進(jìn)的巷道，兩幫煤層的強(qiáng)度通常較巷道頂、底板巖層強(qiáng)度低。在開巷后二次應(yīng)力的作用下，圍巖塑性區(qū)首先產(chǎn)生在強(qiáng)度最低的兩幫和應(yīng)力集中程度最高的角部，隨著幫、角塑性區(qū)的發(fā)展，其它部位的塑性區(qū)也在逐漸發(fā)展，但最終仍以幫、角的塑性區(qū)為最大。圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生以后，其范圍大小對巷道圍巖變形量與底臌量影響最大。因此，薄弱的幫、角即為關(guān)鍵部位。

對梨園河煤礦22110綜放工作面巷道掘進(jìn)施工中的錨網(wǎng)索互補(bǔ)支護(hù)的時(shí)空問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，其中設(shè)定了多個(gè)巷道表面位移監(jiān)測斷面，分別對巷道的兩幫及頂?shù)装逦灰七M(jìn)行跟蹤監(jiān)測。根據(jù)表面位移曲線，當(dāng)監(jiān)測斷面距迎頭約為32.5～39 m時(shí)，位移增量很少，巷道圍巖位移趨于穩(wěn)定，由此判定滯后迎頭（或錨網(wǎng)支護(hù)）32.5～39m是進(jìn)行二次錨索耦合支護(hù)的最佳支護(hù)時(shí)段。

4 22210綜放面開切眼互補(bǔ)支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬

4.1 模擬模型與支護(hù)方案設(shè)計(jì)

采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序FLAC5.0，對互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)參數(shù)進(jìn)行多方案比較，得出合理支護(hù)初始設(shè)計(jì)。模擬范圍的長和寬分別為75m和75.6 m，橫向和縱向網(wǎng)格分別為90個(gè)和85個(gè)。采用應(yīng)力邊界條件為：模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型下表面垂直位移固定。見圖1。

圖1 模擬模型網(wǎng)格劃分及支護(hù)斷面

根據(jù)巷道的地質(zhì)和技術(shù)條件，建立17個(gè)模擬方案，分別模擬頂板錨桿根數(shù)、錨桿直徑、錨桿排距、錨桿長度、錨索根數(shù)、錨索直徑對巷道支護(hù)效果的影響。

4.2 開切眼數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）頂板錨桿根數(shù)對支護(hù)效果的影響：當(dāng)頂板僅有6根錨桿時(shí)（見圖2），頂板下沉量、兩幫移近量和剪切破壞范圍較大。當(dāng)錨桿數(shù)增至8根時(shí)（見圖3），巷道頂板下沉量145.8 mm，減小了164.6 mm，降低了53%；巷幫移近量為186.4 mm，減小了200.8 mm，降低了51.9%，頂板和兩幫的變形得到有效控制。當(dāng)錨桿數(shù)增至9根時(shí)，支護(hù)狀況與8根時(shí)相差不大。頂板每排8根錨桿較合理。

圖2 開切眼圍巖破壞狀況（錨桿支護(hù)，6根）

圖3 開切眼圍巖破壞狀況（錨桿支護(hù)，8根）

2）錨桿直徑對支護(hù)效果的影響：隨著錨桿直徑加大，頂板下沉和兩幫移近量一直在減小。從φ16mm到φ18 mm，頂板下沉降低128.5 mm，降低了46.8%；從φ18 mm增加到φ22 mm，支護(hù)效果不明顯。故φ18 mm是合理的錨桿直徑。

3）錨桿排距對支護(hù)效果的影響：錨桿排距從0.5 m到0.8 m，頂板下沉量變化不大。排距從0.8 m加大到1.0m，頂板下沉量增加了102.8 mm，增加了41.3%，對頂板的支護(hù)效果明顯削弱。故0.8m是合理的排距。

4）錨桿長度對支護(hù)效果的影響：錨桿長度為1.8m、2.0m和2.2m時(shí)，頂板下沉量比2.4 m時(shí)分別增加增加了111、95、88mm。故2.4m是安全合理的錨桿長度。

5）錨索根數(shù)對支護(hù)效果的影響：當(dāng)頂板沒有錨索時(shí)，巷道頂板下沉量增加了121.5 mm，增加了45.4%，變化非常明顯，嚴(yán)重威脅著頂板的支護(hù)安全，所以采用錨索支護(hù)的作用十分明顯。

5 22210綜放開切眼的支護(hù)方案與實(shí)施效果

圖4 22110綜放開切眼支護(hù)方案

1）綜放開切眼支護(hù)方案確定：上述理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，確定了22110工作面切眼錨網(wǎng)索組合支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)如下，見圖4。①頂板支護(hù)：錨桿桿體18號左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼筋，長度2.4m，桿尾螺紋M20，樹脂加長錨固，錨固長度1300mm。鋼筋托梁采用直徑14mm的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長度3.2 m。托板采用拱型高強(qiáng)度托盤，采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。錨桿排距0.8 m，每排8根錨桿，間距0.9 m。錨索直徑15.24 mm，長度6.3 m，加長錨固。錨索每排2根，排距1.2 m，配套金屬托板規(guī)格300 mm×300 mm×12 mm。②巷幫支護(hù)：錨桿（采空區(qū)側(cè)）桿體18號左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼筋，長度2.0 m，桿尾螺紋M20。錨桿（工作面?zhèn)龋U體為直徑18 mm玻璃鋼錨桿，長度2.0 m，桿尾螺紋M20。樹脂端部錨固。鋼筋托梁采用直徑14 mm的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長度2.6 m。托板采用拱型高強(qiáng)度托盤，采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。錨桿排距0.8 m，每排每幫4根錨桿，間距0.8 m。

2）現(xiàn)場實(shí)施效果。在開切眼內(nèi)分別安裝了表面位移測點(diǎn)、頂板離層儀，并設(shè)專人檢測詳細(xì)礦壓。

①巷道表面位移。采用十字布點(diǎn)法對切眼表面位移監(jiān)測，結(jié)果顯示，巷道頂?shù)滓平科骄?5 mm左右，巷道頂板下沉量基本為0。兩幫移近量70mm左右，以靠近采空區(qū)側(cè)巷幫移近量為主，平均55 mm。從巷道整體變形來看，巷道表面位移量很小，沒有發(fā)生大的變形破壞。②頂板離層。在切眼中共設(shè)置6個(gè)頂板離層儀，結(jié)果顯示，除個(gè)別離層儀顯示1～2 mm外，其它離層儀均沒有變化，巷道深部和淺部離層值基本為零。③從礦壓監(jiān)測結(jié)果看出：錨網(wǎng)索支護(hù)方式完全適用于工作面切眼，采用錨索網(wǎng)互補(bǔ)協(xié)同支護(hù)技術(shù)的效果顯著。

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