大斷面半煤運(yùn)輸巷多層次支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

柴會(huì)斌

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦現(xiàn)階段主要負(fù)責(zé)井田范圍內(nèi)2#煤層的開采，2#煤屬于穩(wěn)定可采中厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。2#煤厚度介于1.5~2.18m，平均厚度1.84m，煤層傾角2°~8°，平均傾角5°。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。第三采區(qū)地表位于工業(yè)廣場(chǎng)西南部，地表形態(tài)為黃土垣梁地貌，地表大部分為農(nóng)田，工作面位于平垣村保安煤柱范圍內(nèi)，黃土覆蓋厚度23~59m，基巖厚426~479m。

該礦第三采區(qū)運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)斷面寬度為5.2m，高度為3.8m，巷道沿2#煤層頂板掘進(jìn)。當(dāng)成巷20d左右，三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板下沉明顯，局部頂板下沉量達(dá)到1m，已影響巷道的正常使用。

2 原有支護(hù)體系及巷道變形特征

山西霍寶干河煤礦2#煤層工作面采用綜合機(jī)械化一次采全厚回采工藝，由于煤層厚度較小，為滿足產(chǎn)量的要求，工作面推進(jìn)速度非常快，采煤工作面搬家頻繁，回采巷道掘進(jìn)速度較快，導(dǎo)致支護(hù)效果較差，巷道圍巖位移嚴(yán)重。該礦每個(gè)采區(qū)布置三條準(zhǔn)備巷道，分別為采區(qū)運(yùn)輸巷、軌道巷和回風(fēng)巷。巷道凈寬為5.2m，凈高為3.4m，掘進(jìn)斷面寬為5.5m，高為3.8m，準(zhǔn)備巷道間保護(hù)煤柱寬度為20.0m。第三采區(qū)運(yùn)輸巷的特點(diǎn)為：跨度大，半煤巷，掘進(jìn)斷面大。支護(hù)方式主要為普通的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，以錨桿支護(hù)為主，通過(guò)錨索提高支護(hù)強(qiáng)度，這種支護(hù)方式成巷后頂板明顯下沉，局部下沉量最大可達(dá)1.0m，嚴(yán)重影響煤炭的正常生產(chǎn)，并且存在嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

表1 頂?shù)装逄卣鞅?/p>

圖1 巷道頂板破壞特征

原有支護(hù)體系下三采區(qū)運(yùn)輸巷的破壞特征如圖1 所示，圖1（a）為頂板下沉示意圖，下沉量在350~600mm，某些區(qū)域頂板下沉量可達(dá)到1000mm。由于要求較快的巷道掘進(jìn)速度，導(dǎo)致支護(hù)質(zhì)量整體較低，頂板風(fēng)化碎裂嚴(yán)重，局部出現(xiàn)錨索托板錨空、錨索斷裂等現(xiàn)象。巷道頂板冒落的主要形式為整體切落式冒落，切落角一般為65°左右，對(duì)一些冒頂區(qū)域挑頂后頂板巖層的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。煤巷下位頂板主要為泥巖，巖層內(nèi)層理、裂隙發(fā)育完全，分層較多，層間粘結(jié)力非常差，并且含有較多軟弱夾層，夾層厚度一般為0.1m 左右。

3 大斷面煤巷層狀頂板多層次支護(hù)技術(shù)分析與應(yīng)用

3.1 加固機(jī)理分析

組合梁理論認(rèn)為，巷道頂板有多個(gè)巖層，可以看作是一種以道路兩側(cè)為支點(diǎn)的梁。錨桿用于將層結(jié)合成整體的組合梁，以防止巖石沿著層滑動(dòng)并避免層的分離。在上覆載荷作用下，該厚復(fù)合梁的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力將大大減小，并且偏轉(zhuǎn)也將減小。根據(jù)組合梁理論建立如圖2 所示的受力模型，在未進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，巷道頂板巖層為單獨(dú)的層狀薄板，在豎直方向上的應(yīng)力及水平力的作用下發(fā)生彎曲變形，并且存在著水平方向上的相互錯(cuò)動(dòng)，頂板下沉量會(huì)較大，如圖2（a）所示。而經(jīng)過(guò)錨桿支護(hù)后將頂板巖層的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行加固，將頂板巖層聯(lián)結(jié)為一個(gè)更為完整的梁，根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，其彎曲變形在同等受力條件下會(huì)大大減少[1-2]。

3.2 大斷面煤巷層狀頂板多層次支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

為了有效地解決運(yùn)輸巷頂板巖層離層、圍巖變形量過(guò)大的問(wèn)題，結(jié)合錨桿支護(hù)的組合梁理論、懸吊理論對(duì)大斷面煤巷層狀頂板的穩(wěn)定性控制進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，主要為了增強(qiáng)巷道頂板的連續(xù)性、整體性，避免頂板巖層之間的相互錯(cuò)動(dòng)，加強(qiáng)巷道頂角處變形的治理，減少巷道的整體變形量。設(shè)計(jì)的錨桿、錨索支護(hù)體系主要原則為“長(zhǎng)短結(jié)合、強(qiáng)弱結(jié)合、疏密結(jié)合”，根據(jù)山西霍寶干河煤礦第三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板跨度大、層間粘結(jié)性不強(qiáng)、層間含有較多軟弱夾層等的具體條件，設(shè)計(jì)應(yīng)用以長(zhǎng)錨桿、短錨索和長(zhǎng)錨索為主體結(jié)構(gòu)的支護(hù)體系，來(lái)提高圍巖的整體性，有效地降低由于巷道開挖對(duì)頂板的破壞[3-4]。

圖2 組合梁結(jié)構(gòu)示意圖

（1）長(zhǎng)錨桿：錨桿長(zhǎng)度為2.8~3.2m 之間。錨桿長(zhǎng)度必須大于極易冒頂?shù)姆欠€(wěn)定層邊界，采用全長(zhǎng)錨固，盡可能地將層狀頂板聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，避免巖層間的錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)準(zhǔn)備巷道斷面跨度較大、頂板分層較多并且非常薄，必須利用錨桿提供的預(yù)緊力在淺部頂板形成較高的法向應(yīng)力。綜合考慮設(shè)計(jì)頂板采用 MSGLW-500/22-3200 型高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2m，間距1.0m，與兩幫煤壁的距離為0.25m。兩幫采用MSGLW-500/22-2800型高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，排距為1.2m。

（2）短錨索：錨索長(zhǎng)度為5.4m。該類型的錨索主要作用于非穩(wěn)定層和深部穩(wěn)定巖層之間的亞穩(wěn)定巖層，增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)巖層的整體性，增加頂板層間滑移阻力，在一定程度上繼續(xù)提高非穩(wěn)定層的整體性，提高其自穩(wěn)能力，將巷道頂板處的應(yīng)力集中轉(zhuǎn)化為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)來(lái)承載。選用SKP22-1/1720-5400 型錨索，頂板短錨索排距為2.4m，間距為1.5m，與兩側(cè)煤壁的距離均為0.4m，對(duì)稱布置；煤幫采用相同型號(hào)的短錨索，排距為1.2m，間距為0.8m。

（3）長(zhǎng)錨索：錨索長(zhǎng)度為7.4m。根據(jù)懸吊理論，將非穩(wěn)定層及亞穩(wěn)定層聯(lián)結(jié)的整體通過(guò)長(zhǎng)錨索懸吊于上部的穩(wěn)定層中，有效地降低巷道頂板的應(yīng)力集中，增強(qiáng)巷道周圍煤巖體的整體性。根據(jù)回風(fēng)順槽頂板的發(fā)育情況，選用型號(hào)為SKP22-1/1720-7400型錨索，錨索的間排距與短錨索相同，與煤壁的距離為1.25m。

多個(gè)層次的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3 所示。在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋，在錨桿排距之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)型號(hào)為GW6.5/100-2.3×1.35，防止小塊煤巖體的掉落。在巷道兩個(gè)頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿，抑制巷道的形狀扭曲。錨桿、長(zhǎng)錨索及短錨索形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)共同承載，最終達(dá)到保證圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定的目的。

圖3 多層次錨桿支護(hù)體系示意圖

4 應(yīng)用效果

目前，干河煤礦第三采區(qū)運(yùn)輸巷已經(jīng)施工完畢，為考察支護(hù)的效果，在運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中，距離迎頭處20m、50m、100m 分別布置測(cè)點(diǎn)1、2、3，觀測(cè)新支護(hù)體系的應(yīng)用效果。監(jiān)測(cè)結(jié)果整理后如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

由運(yùn)輸巷圍巖表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，第三采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖變形主要集中在成巷后前50d 內(nèi)，頂板下沉量最大可達(dá)70mm，兩幫移近量最大可達(dá)145mm，之后巷道圍巖基本穩(wěn)定。由此可知，通過(guò)采用多層次支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠有效地治理第三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板過(guò)度下沉的問(wèn)題，使其滿足第三采區(qū)工作面通風(fēng)、運(yùn)煤和安全等要求。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巷道頂板圍巖挑頂觀察得知，第三采區(qū)運(yùn)輸巷頂板圍巖屬于層狀頂板，主要變形形式為頂板下沉。通過(guò)理論分析結(jié)合組合梁理論，設(shè)計(jì)有效的支護(hù)體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及巷道圍巖穩(wěn)定性觀測(cè)結(jié)果表明很好地控制了層狀頂板的過(guò)度下沉，滿足煤礦生產(chǎn)的要求。