“高強度、低密度”深部巷道支護技術應用

孫晉鵬 楊利偉 孫艷清

（1.棗礦集團中興建安工程有限公司，山東 棗莊 277000；2.棗礦集團濱湖煤礦，山東 棗莊 277000）

1 實施的背景

工作面順槽巷道支護強度隨著采深增加而增大，支護工序占用工時比重不斷增加，制約掘進單機水平提升。局部區域的圍巖松動圈及壓力分布情況不能全面掌握，雖采取“錨網索+架棚”的復合支護仍然不能較好地解決巷道頂板破碎、底鼓等難題。濱湖煤礦對16煤深部圍巖結構進行了研究分析，在16117材料巷實施“高強度、低密度”深部巷道支護工藝，取得較好成果。

2 不同條件下支護方案的確立

在巷道支護技術方面，根據不同地質條件，本著因地制宜、注重實效的原則，相繼進行了一系列的優化創新，具體分為四個階段：

（1）埋深-500m以上的裸體支護工藝。埋深在-500m以上161西采區上部5個工作面、161東采區的工作面，頂板均為裸體支護，這種支護工藝簡單，用時少，有利于掘進水平提升，但易造成頂板局部不穩定。

（2）埋深在-500m～ -550m的“中強度、低密度”支護工藝。161西采區中部標高在-500m～ -550m之間的8個工作面，工作面順槽采用錨桿支護工藝，支護工序用時略有增加，對掘進單進水平影響不大，頂板相對較穩定。

（3）埋深在-550m～ -650m的“高強度、中密度”支護工藝。161西采區下部標高在-550m～ -650m之間的3個工作面，圍巖壓力明顯增大，工作面順槽采用“錨網索”全錨支護工藝，增加了巷道支護的可靠性，缺點是增加工序，用時較多，制約單進水平提升。

（4）-650m以下的“高強度、低密度”支護工藝。隨著采深的增加，支護改革及時跟進，雖然總結出一系列深部圍巖分布規律，但在16111、16115運輸巷沿空送巷施工時，仍出現前掘后整、多次擴修的現象。通過調研學習，目前正在施工的16117材料巷創新實施了“高強度、低密度”頂板全錨索支護技術，工藝簡單，成本低廉，效果顯著。

3 “高強度、低密度”頂板全錨索支護

在16煤深部應力集中區頂板采用全錨索支護技術尚屬首次，沒有成功經驗可以參考，完全借鑒到其他煤礦調研學習的注漿錨索支護技術，并委托中國礦業大學研究分析深部開采圍巖變形破壞機理，制定切實可行的圍巖控制技術方案。在此基礎上礦成立了技術攻關小組，抓好該項目的設計、實施、觀測、研討、改進等工作。通過在施工過程中不斷檢驗、修正支護參數，取得了較好的效果。

3.1 方案確立依據

3.1.1 對比法論證

在16111材料巷、16115材料巷沿空送巷施工時，頂板錨桿錨固長度為2m，幫錨錨固長度為1.6m，掘進期間幫部變形、底鼓現象較輕，最大變形量約為0.3m，頂板壓力始終相對穩定，完整性好。在工作面推采工程中，由于超前壓力影響，幫及底板變形量變大，最大至0.5m，超前段頂板整體下沉。為此，在施工16117材料巷時，頂幫均需增加錨固深度，提高支護的可靠性。

3.1.2 深部圍巖破碎機理觀測法

在鄰近的16112材料巷合理布置觀測站，實測圍巖松動圈、錨桿受力、頂板巖層離層等圍巖變形破壞關鍵技術參數，掌握在深部開采條件下巷道變形破壞規律。

通過對4個測站、24個鉆孔進行測試，測站Ⅰ鉆孔揭示的松動圈范圍0～1m，測站Ⅱ鉆孔揭示的松動圈范圍0～1.5m，測站Ⅳ鉆孔揭示的松動圈范圍0～1m。可以看出，材料巷頂板的完整性較差（測站Ⅲ除外），頂板局部區域有破碎、離層或裂隙發育現象。大的破碎帶多位于1m以內，離層及裂隙發育帶多位于2m以內，所設計巷道圍巖為較穩定圍巖，屬中松動圈，未經過松動圈測試的巷道可參考相似巷道實測結果進行支護設計，見圖1、圖2。

3.1.3 建立簡單連續梁模型論證

巷道開挖后，頂板的應力發生改變重新分布，應力由零增加到應力峰值，然后由應力峰值降低，慢慢降低到原巖應力。依據巷道周邊的應力改變規律，劃分出來幾個區域，破碎區、塑性區、彈性區，通過支護的合理選擇將巷道圍巖控制在彈性區范圍內。

圖 1 裂隙和離層帶示意圖

圖2 頂板鉆孔成像柱狀圖

圖3 錨桿支護巷道受力簡圖

圖4 全錨索支護巷道受力簡圖

由于巷道是對稱的矩形，因而簡化的梁兩端受力也是對稱的。梁的兩端受巷道圍巖固定，因而將梁看做固支梁。其中梁的厚度為h，梁的長度為l，巷道的跨度為l1，巷道一幫距梁端距離為l2，巷高為b。通過對比分析，采用全錨索支護后（見圖4），頂板加固拱厚度、跨度增加，最大應力區向巷道兩側推移，幫部雖有變形，但相對于圖3變形量較小。

3.1.4 理論分析計算

當松動圈大于1.5m時，一般采用組合拱理論計算，當松動圈小于1.5m時，選用懸吊理論計算，因本礦的實測松動圈均小于1.5m，所以可使用懸吊理論計算。

懸吊理論認為錨桿的作用是將下部不穩定的巖層懸吊在上部穩定的巖層上，阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據不穩定巖層厚度計算錨桿長度，根據錨桿懸吊的不穩定巖層重量計算錨桿直徑和間排距。

（1）錨桿長度

錨桿長度用下式計算：

式中：

L-錨索長度，m；

LP-圍巖松動圈厚度，1.5m；

L1-錨索錨入松動圈以內穩定巖層的深度，一般按經驗取0.5m；

L2-錨索在巷道中的外露長度（包括錨具長度），一般取0.35m。

（2）錨桿錨固力與直徑

錨桿錨固力應不小于被懸吊不穩定巖層的重量，用下式計算：

式中：

Q-錨桿錨固力，kN；

K-安全系數，一般取1.5～2；

ɑ1、ɑ2-錨桿間排距，m；

γ-不穩定巖層平均容重，kN/m3。

如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑可由下式得出：

式中：

Q-錨索設計錨固力，300kN/根；

Δ-錨索材料抗拉強度。

（3）錨桿間排距

當錨桿間排距相等時，即ɑ=ɑ1=ɑ2，則間排距為：

式中：

ɑ-錨索間排距，m；

Q-錨索設計錨固力，kN；

LP-道頂板被懸吊擠壓的破碎巖體厚度,m；

γ-被懸吊巖石的容重；

K-安全系數；

3.2 確立方案

經驗算，16117材料巷頂板采用全錨索支護，錨索規格Φ21.8×4000mm，間排距1.5×1.5m，錨索盤規格300×300×16mm，錨注3根錨固劑。幫部采用錨網支護，錨桿規格Φ18×2000mm全螺紋錨桿，間排距1100×1300mm，錨桿盤規格250×250×12mm。錨索預緊力不低于200 kN，幫部錨桿預緊扭矩不小于150N·m。可根據頂幫變化情況，技術修改變更支護參數。

4 方案實施及效果分析

4.1 方案實施

16117 工作面東臨16115工作面采空區，16117材料巷與采空區留設5m煤柱沿空送巷，設計長度1620m，標高在-670m～-740m 之間，施工期間沿16煤頂板灰巖掘進，煤厚度平均1.3m，頂板為十下灰巖，平均厚度4.5m，硬度系數大于6，底板為砂質泥巖，遇水膨脹。自8月份實施錨索代替錨桿、配合大錨盤護幫支護工藝以來，已施工約300m，工藝簡單，成本低廉，效果顯著。

4.2 施工工藝流程

（1）打錨索孔：鉆頭Ф29mm，鉆孔要直，錨索鉆孔施工的過程中，必須保證“三徑”（鉆孔Φ29mm、錨索Φ21.8mm、藥卷Φ23mm）合理匹配。

（2）錨固：錨索鉆孔施工完畢后，立即安裝樹脂藥卷，并保證樹脂藥卷推到孔底，推進鋼絞線擠壓樹脂藥卷入孔底，攪拌30s，保證鋼絞線深入孔底。

（3）安裝錨索盤、錨具：裝上大錨索托板，卡緊鎖具并將其托到緊貼頂板。

（4）張緊：錨固15min后進行初次緊固，安裝預緊力不得低于200kN。

5 效果

（1）-650m以深巷道頂幫圍巖得到了更為有效的控制，避免了前掘后整“多次擴修”的被動局面，以16111材料巷、16115材料巷后期擴修為例，可減少4個月、減少投入1支掘進隊伍的整修量。

（2）簡化了支護工序占用時間，每米減少鉆孔施工長度6m，減少工序用時20min/m，較原先可提高單進6m/d，有效地促進了單進水平的提升。

（3）經濟效益可觀，單從支護材料費用計算，取消頂板錨桿使用錨索支護后，每米可節省投入約120元，僅8月份節約材料費用3.6萬元。

（4）支護工作量大大降低，減輕了工人的勞動強度，提升了工人的幸福指數。