復雜應力條件下盤區大巷支護技術優化

徐 路

(太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

礦井開采深度逐漸增大，應力環境逐漸復雜，巷道圍巖的變形、失穩及破壞現象較淺部更加明顯，過去單一的支護方式將無法滿足深部及復雜應力巷道支護的需要，因此采用組合支護形式已迫在眉睫。我國許多專家學者對組合支護形式進行了研究。將耦合支護技術應用于軟巖復合頂板突出煤層巷道，有效地解決了巷道的支護問題[1]；康虹等[2]采取錨網索支護技術解決深部松軟破碎煤層巷道支護問題；牛福龍[3]將錨桿錨索變形匹配技術應用于巷道支護；李書民等[4]將錨網索聯合支護技術應用于深部回采巷道中；何宗禮等[5]用預應力協同支護技術解決這類高應力破碎圍巖巷道的支護問題；在錨桿-錨索支護協同設計時，只有使錨索與錨桿協同配合，才能使協同支護的效果達到最優[6]。基于此，本文以山西晉城煤業集團公司寺河礦二號井97采區97102盤區大巷高強錨桿、錨索聯合支護為研究對象，以期達到提高巷道穩定性，減少巷道圍巖變形量的目的。

1 工程概況

寺河礦二號井97采區開采9#煤層。97102巷為97采區盤區大巷，巷道位置上部3#煤為小煤窯破壞區。97102巷斷面呈矩形；掘進寬度為5.2m，高3.2m，掘進斷面積為16.64m2。

9#煤層位于石炭系太原組中部，含夾矸0～2層，直接頂板為3.3m粉砂巖，局部地段為石灰巖，基本頂為5.3m的細砂巖，底板為0.8m的石灰巖。9#煤層頂部距3#煤層51m左右。9#煤層較穩定，煤層厚度平均為1.42m，平均傾角為5°，煤層結構簡單。

2 巷道原支護方式及巷道變形觀測

2.1 巷道原支護方式

97102巷主要采用錨網索梁聯合支護，鋼筋托梁采用Φ12mm鋼筋焊接而成，寬度100mm，長度2300mm、4700mm。

頂板：錨桿排距1200mm，間距1100mm/1200mm，每排5根錨桿；錨索排距為2400mm，間距為2400mm。

兩幫：錨桿排距1200mm，間距1100mm，錨桿距頂距離為500mm。

原支護方案圖1所示。

圖1 巷道支護示意圖（單位：mm）

2.2 巷道變形觀測

為觀測巷道的變形規律，為下一步對巷道支護方式改進提供依據，采用“十字”布點法觀測巷道表面變形。沿大巷掘進方向每掘進50m布置一個測試斷面。原支護方式巷道表面位移如圖2所示。

由圖2可以看出，原有支護方式下，巷道兩幫移近量為550mm，頂底板移近量為101mm。巷道圍巖的變形量大，該巷道條件不能滿足礦井的正常生產作業。對原支護方式進行改進，提高巷道的支護效果，降低巷道的維修成本是很有必要的。

圖2 原支護方式巷道表面位移

3 巷道圍巖變形分析

97102巷受到上覆3#煤層開采時留下的殘留煤柱、斷層等地質構造以及回采動壓等多重因素的影響，巷道礦壓顯現比較明顯。

巷道在受到上覆殘留煤柱的應力集中影響后，應力通過頂板傳送給巷道圍巖，通過巷道頂底板及兩幫釋放出來，導致巷道圍巖發生變形，特別是巷道兩幫的變形量較大。

圍巖既是被支護的對象，又是支護體的一部分。錨桿支護必須把圍巖和錨桿系統作為一個整體考慮。合理的支護設計必須保證圍巖整體性的前提下具有一定的變形讓壓性能，從而保護支護體具有變形耦合和讓均壓能力。根據傳統理論，圍巖應力-變形特性曲線如圖3所示。

圖3 圍巖應力和變形特性曲線（單位：mm）

在靜壓力條件下，從圖3可以看出，從支護角度將曲線分為三個區：

A區：圍巖處于彈性變形階段，圍巖整體性較完好，變形量小。支護體的工況點應設在低位(60t/m)，錨桿支護系統應該具有最小讓壓距離20mm。

B區：圍巖基本處于彈塑性變形階段，基本保持穩定，彈塑性變形區沒有超過錨桿的支護范圍，錨桿系統仍然起到支護作用。

C區：圍巖破壞，支護系統承受破碎巖石的靜載荷。若錨桿系統的支護范圍小于破壞范圍，則錨桿系統受力將變為0，徹底失去其支護作用，錨桿支護系統將與圍巖一起移動。

支護系統應達到保證巷道長期穩定性、適應回采工作面的動壓需求及地質條件變化的要求的目的。因此要在原有巷道支護技術的基礎上對其進行改進，特別是對錨桿、錨索進行優化，提高其抗變形、讓壓性能，可以提高對巷道的支護效果。

4 優化支護方式及變形觀測

4.1 優化支護方式

優化后的巷道支護方式為：采用蛇形錨桿（圖4）、快裝高預應力“鳥窩”錨索（圖5）、金屬網聯合支護。

圖4 蛇形錨桿示意圖

圖5 快裝高預應力“鳥窩”錨索

頂板：錨桿排距1200mm，間距1100mm，每排5根錨桿，150×150×8mm高強托盤；錨索采用“三花”布置，排距為2400mm，間距為2200mm，300×300×10mm高強托盤。

頂板：錨桿排距1200mm，間距1100mm，錨桿距頂距離為500mm，150×150×8mm高強托盤。

改進后的支護方案如圖6所示。

圖6 改進后的巷道支護示意圖（單位：mm）

4.2 巷道變形觀測

為觀測巷道的變形規律，確定改進后的支護方式對巷道的支護效果，采用“十字”布點法觀測巷道表面變形。沿大巷掘進方向每掘進50m布置一個測試斷面。支護方式改進后巷道表面位移如圖7所示。

圖7 支護方式改進后巷道表面位移

由圖7可以看出，支護方式進行改進后，巷道圍巖變形在之后工作面100m后趨于穩定，巷道兩幫移近量為170mm，頂底板移近量為70mm。巷道圍巖的變形量較原支護形式有大幅的降低，巷道兩幫移近量僅為原支護方式的1/3，頂底板移近量為為原支護方式的70%，取得了良好的支護效果。

5 結論

預應力“鳥窩”錨索、蛇形錨桿、金屬網聯合支護技術，提高了支護系統對巷道圍巖的支護效果，巷道兩幫移近量僅為原支護方式的1/3，頂底板移近量為原支護方式的70%，保證了巷道長期正常安全使用的要求；該技術的采用，巷道圍巖的整體性及抗變形能力得到極大的提高，有效地解決了復雜應力影響下巷道支護技術難題，并為巷道錨桿支護設計提供了新的依據。