沖擊地壓礦井淋水構造高應力區(qū)煤巷支護體系優(yōu)化研究

侯會偉 ，閆春來

（山東省天安礦業(yè)集團業(yè)有限公司，山東曲阜273100）

1 概 述

針對沖擊地壓礦井來說，煤巷掘進巷道的支護成為重中之重，特別在淋水、構造、高應力區(qū)多重特定條件的疊加下如何安全、有效、經(jīng)濟的保證支護強度是首要難題。

星村煤礦七采區(qū)三號探巷是一個較典型的淋水、地質(zhì)構造復雜、高應力區(qū)煤巷掘進巷道，埋深在- 1150～- 1180m、水平應力大。3 煤頂、底板砂巖含水層由2 煤頂板至3 煤底板之間的砂巖組成，砂巖厚度平均35.84m，屬于開采上煤組直接充水含水層，斷層附近及裂隙發(fā)育處錨索眼內(nèi)會有淋、滲水出現(xiàn)。

七采區(qū)三號探巷施工時，采用錨桿+ 錨索+ 金屬菱形網(wǎng)的支護方式巷道后部出現(xiàn)頻繁斷錨索的現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計最多一個班次出現(xiàn)斷裂恒阻錨索11 根情況（支護失效統(tǒng)計表見表1），危及巷道支護及施工人員安全。

出現(xiàn)頻繁斷錨索的情況后（錨索破斷統(tǒng)計表及狀態(tài)圖如圖1 所示），立即采取加強支護的措施，對斷錨索區(qū)域至迎頭補打頂板錨索，但采取以上措施后仍出現(xiàn)斷錨索現(xiàn)象，如何優(yōu)化與強化現(xiàn)有支護體系，解決淋水、構造、高應力巷道的支護失效問題迫在眉睫。

表1 七采區(qū)三號探巷支護失效統(tǒng)計表

圖1 錨索破斷統(tǒng)計表及狀態(tài)圖

2 淋水構造高應力區(qū)煤巷支護體系優(yōu)化研究

2.1 七采區(qū)三號探巷支護失效原因分析

2.1.1 原巖應力大

1）依據(jù)七采區(qū)地應力測量報告兩個原巖應力點實測結(jié)果為：最大主應力呈水平向，大小為68.46～68.56 MPa，其方位角為152.86～156.87°；中間水平主應力的大小為49.63～54.69 MPa，其方位角為54.69～65.57°；最小主應力為豎直方向，大小為34.92 ～35.23MPa，其傾角為 73.73～77.44°

圖2 七采區(qū)三號探巷位置示意圖

2）七采區(qū)三號探巷位置示意圖如上圖2 所示，三號探巷開門點位于七采區(qū)輔助軌道巷終端，按照91°47′向右側(cè)拐彎施工。根據(jù)最大水平應力理論，地應力對巷道掘進的影響具有明顯的方向性，其中垂直應力分量是導致巷道兩幫破壞的主要動力，方向呈正交關系的最大水平應

3）力分量和最小水平應力分量則對巷道頂、底板影響具有明顯的方向性，具體關系如下：①當巷道軸向與最大水平主應力平行時，受水平應力影響最小，對頂?shù)装宓姆€(wěn)定最有利。②當巷道軸向與最大水平主應力垂直時，受水平應力影響最大，對頂?shù)装宓姆€(wěn)定最為不利。③與最大水平主應力以一定角度斜交的巷道，巷道一側(cè)出現(xiàn)應力集中而另一側(cè)應力釋放，因而頂?shù)装宓淖冃纹茐臅蛳锏缿械囊粋?cè)。

4）七采區(qū)三號探巷最大水平主應力方向與巷道呈一定角度斜交，并且中間主應力也呈水平方向，應力水平也大。巷道開挖后，垂向應力因巷道開挖急劇降低，水平主應力造成頂板破壞與底鼓。

2.1.2 頂板破碎

1） 通過在七采區(qū)三號探巷斷錨索區(qū)域打設窺探孔，利用頂板窺視儀觀察巷道頂板離層情況，發(fā)現(xiàn)巷道頂板煤層在1.5～4m 范圍內(nèi)非常破碎且明較大裂隙。并且頂板有水平錯動，導致錨索發(fā)生“拉剪”破斷。

2）根據(jù)煤層沖擊傾向性鑒定情況分析，頂板容易儲存彈性勢能，割煤、卸壓施工并未釋放掉或轉(zhuǎn)移掉煤層及其頂?shù)装宓哪芰浚敯鍑鷰r在應力達到一定水平后，彈性能突然釋放，形成沖擊壓力，容易造成錨索的瞬間破斷。

2.2 支護體系優(yōu)化與強化研究

2.2.1 錨桿采取加長錨固

使用KMG500- 22- 2400 型螺紋鋼錨桿，矩形布置，間排距為800×800mm，每根錨桿使用1 根MSCK2535（里）和 2 根 MSK2550（外）型樹脂錨固劑錨固，鉆孔直徑32mm，實際錨固長度為1566mm，占鉆孔深度（2300mm） 的68.1%錨固力不小于120kN/根，錨桿預緊力矩不小于280N.m。頂板錨桿配合長4500mm、厚10mm 的梯形鋼帶、幫部錨桿配合長2000mm 及 1400mm、厚度 2.75mm 的 W 型鋼帶支護，錨桿與專用托盤配合使用支護到鋼帶上。

2.2.2 提高錨索預緊力

以往錨索規(guī)格直徑21.8mm，長度8.0m，實際錨索預緊力在50kN～70kN 之間。錨索長度越長，要求錨索預緊力越高，目前七采區(qū)三號探巷采用錨索長度較長，但預緊力施加太小，十分不利于控制巷道圍巖前期變形。通過對錨索托盤眼口進行處理配合調(diào)心墊圈使用，改用直徑21.8mm、長度6.3m 的錨索，提高錨索預緊力至300kN。

2.2.3 全長預應力錨固錨索

1）對于端部錨固的錨索，錨固劑的作用在于提供粘結(jié)力，使錨索能承受一定的拉力。錨索拉力除錨固端外，沿長度方向是均勻分布的。對于端部錨固的錨索，任何部位巖層的離層都均勻地分散到整個索體的長度上，導致索體受力對圍巖變形和離層不敏感，支護剛度低。

2）全長預應力錨固錨索采用的錨索規(guī)格：φ22×8000mm；強度級別≥1860MPa，破斷力≥400kN；延伸率≥3.5%。注漿錨固料：型號MZM- 70（1 天抗壓強度≥30 MPa；3 天抗壓強度≥50 MPa；28 天抗壓強度≥70 MPa）。錨索間排距為1600×800mm 的3—4—3 形式布置，預緊力不小于24t。

2.2.4 性網(wǎng)片代替金屬菱形網(wǎng)

1）金屬菱形網(wǎng)一般由8# 或10# 鉛絲加工制成，網(wǎng)片規(guī)格為寬度1.35m，長度2.5m。經(jīng)測算，菱形金屬網(wǎng)的拉伸強度170～190kN/m，拉斷伸長率大于12%，重量為13kG，網(wǎng)孔邊長一般為30mm。使用金屬菱形網(wǎng)支護，首先需要人工扛到施工地點相應位置，然后再進行鋪網(wǎng)、綁扎、聯(lián)網(wǎng)、撩網(wǎng)。整個掛網(wǎng)過程，工藝非常繁雜、掛網(wǎng)效率相對低下，需要多次扛網(wǎng)、鋪網(wǎng)，同時需要工人頻繁搭接，以致工作面所掛的網(wǎng)片整體性較差。由于淋水的影響，致使金屬網(wǎng)銹蝕，給現(xiàn)場帶來嚴重的安全隱患。

2）礦用柔性網(wǎng)片是一種新型樹脂纖維聚合網(wǎng)片，一般采用高強度、高模量、低蠕變的聚合長絲纖維經(jīng)緯向整體編織及表面涂層處理制成。柔性網(wǎng)片單片寬度5m，長度100～500m，可根據(jù)井下工作面實際的使用尺寸提前在地面編織為整體網(wǎng)片。網(wǎng)片經(jīng)緯向無彎曲狀態(tài)，交叉點全部用高強纖維長絲針織捆綁結(jié)合起來，形成牢固的結(jié)合點，可以充分發(fā)揮網(wǎng)片的整體穩(wěn)定性和特殊力學性質(zhì)。

3 效果分析

1）有效的減少了三號探巷支護失效頻率。

2）錨桿加長錨固對巷道周圍煤體有更好的約束作用，提高了錨桿的支護作用。

3）錨索預緊力的提高有效的控制了巷道圍巖的前期變形。

4）對于全長錨固，應力、應變沿錨索長度方向分布極不均勻，離層和滑動大的部位錨索受力很大，桿體受力對圍巖變形和離層很敏感，能及時抑制圍巖離層和滑動，支護剛度高的同時提高了錨索的抗剪性能。

5）礦用柔性網(wǎng)片具有網(wǎng)片面積大、柔韌輕盈、抗拉力強、阻燃抗靜電性能優(yōu)異、重量輕、便于運輸?shù)奶攸c。網(wǎng)片施工過程工人勞動強度小、靈活性強，可預制成不同強度和規(guī)格；另外由于網(wǎng)片網(wǎng)孔小，減少了頂板漏矸問題，極大地提高了施工安全性。

4 總 結(jié)

1）沖擊地壓礦井來說，煤巷掘進支護出現(xiàn)大范圍高頻次失效后應立即停止掘進分析原因，采取措施進行處理，保證支護強度的同時降低經(jīng)濟指標為首要問題。

2）針對現(xiàn)場出現(xiàn)的支護失效問題對巷道支護進行系統(tǒng)性優(yōu)化，提高系統(tǒng)整體支護效率，提高掘進速度，降低巷道支護綜合成本，解決生產(chǎn)接續(xù)緊張等問題。