大跨度堅硬頂板回采巷道支護(hù)技術(shù)研究與實踐

崔紅兵

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司山西長治046000）

0 引言

近年來，隨著我國機(jī)械化采煤技術(shù)的快速發(fā)展，各種大型設(shè)備不斷被研發(fā)并應(yīng)用于井下煤炭開采，導(dǎo)致對工作面回采巷道斷面跨度的要求越來越大[1-3]。但是，隨著巷道斷面跨度的增加，巷道頂板撓曲變形也逐步增大，極易引發(fā)巷道冒頂、片幫事故的發(fā)生[4-6]。因此，如何對大跨度回采巷道圍巖變形進(jìn)行有效控制，日益成為相關(guān)研究人員和科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問題。本文以凌志達(dá)煤業(yè)15205綜采工作面回風(fēng)順槽為研究對象，對大跨度堅硬頂板回采巷道支護(hù)方案進(jìn)行研究，確定了合理的支護(hù)參數(shù)，為類似工程條件工作面回采巷道圍巖控制提供了參考。

1 工程概況

凌志達(dá)煤業(yè)目前主要開采15#煤層，其15205綜采工作面位于二采區(qū)中北部，東部為15203 工作面采空區(qū)，西部為15205 運(yùn)輸順槽，南部東翼輔運(yùn)巷，北部為保安煤柱。工作面標(biāo)高為895.0 m～915.8 m，煤層厚度3.34 m～4.87 m，平均厚度4.11 m；煤層傾角1～3°，平均傾角2°。煤層埋深約為442 m。煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2～3層夾矸，夾矸厚度一般為0.2 m，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

15205回風(fēng)順槽為15205工作面回風(fēng)巷，主要用于工作面運(yùn)輸、通風(fēng)和行人。15205 回風(fēng)順槽設(shè)計長度925 m，方位角0°，巷道水平為+848 m。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，矩形斷面，巷道凈寬×凈高=7.4×3.2 m。巷道布置情況如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 巷道布置圖

2 回采巷道圍巖破壞影響因素分析

基于相鄰工作面已掘巷道所存在的頂板下沉量大和兩幫移近量較大、錨桿托盤內(nèi)存在煤體冒空的情況，分析回采巷道圍巖破壞的影響因素主要有工程地質(zhì)條件和施工質(zhì)量兩個方面。

2.1 工程地質(zhì)條件影響

地質(zhì)條件影響：研究表明，地質(zhì)條件是回采巷道圍巖變形破壞的主要影響因素。主要體現(xiàn)在回采巷道的埋深和和圍巖力學(xué)性質(zhì)兩個方面。當(dāng)巷道埋深較大時，高地應(yīng)力是回采巷道圍巖發(fā)生變形和和破壞的主控因素；當(dāng)巷道圍巖較為軟弱或含有大量膨脹性礦物成分時，巷道支護(hù)工程量較大、支護(hù)成本較高。

巷道掘進(jìn)和工作面回采擾動影響：相鄰工作面回采和本工作面巷道掘進(jìn)所產(chǎn)生的擾動破壞了回采巷道圍巖的完整性，使得回采巷道圍巖破碎，導(dǎo)致巷道支護(hù)困難。

巷道跨度的影響：通常將高度為2.5 m～4.0 m，寬度大于5.5 m的巷道認(rèn)為是大跨度巷道[7]。巷道頂板撓曲變形隨其寬度的增大而增加，大跨度巷道頂板巖層極易出現(xiàn)離層，導(dǎo)致其圍巖強(qiáng)度明顯降低，巷道極易出現(xiàn)冒頂、片幫，巷道支護(hù)困難[8]。

2.2 施工質(zhì)量影響

錨桿施工角度不合格，導(dǎo)致兩幫和頂板錨桿存在螺母與托盤間呈點(diǎn)接觸和線接觸的問題，支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)效果差，而回采巷道圍巖在受采掘擾動之后，其變形能力和和破碎程度均顯著增加，此時施工質(zhì)量較差的錨桿較易喪失失去支護(hù)作用。此外，未采用尼龍減摩墊圈，錨桿螺母與托漸漸存在較大的摩擦阻力導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力矩在轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力時的效率較低，錨桿所施加的預(yù)緊力不足，未能達(dá)到預(yù)期的主動支護(hù)效果[3]。

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計

巷道原支護(hù)方式為錨索網(wǎng)支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)為：頂板采用φ18×2 000 mm的左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距900×1 000 mm；巷道中線位置布置1根規(guī)格為φ17.8×5 300 mm 的鋼絞線錨索，排距2 000 mm；配合使用規(guī)格為2 000×1 300 mm（長×寬）的塑料網(wǎng)支護(hù)頂板，網(wǎng)格為100×100 mm。兩幫采用φ18×2 000 mm的左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為900×1 000 mm；配合使用規(guī)格為（長×寬）2 000×1 300 mm 的塑料網(wǎng)支護(hù)巷幫，網(wǎng)格為100×100 mm。巷道圍巖出現(xiàn)不同程度變形，巷道頂板下沉量大，冒頂、片幫嚴(yán)重，局部區(qū)域冒頂高度在2 m～3 m 之間，觀測數(shù)據(jù)顯示巷道頂?shù)装逡平繛?26 mm，兩幫移近量為341 mm，嚴(yán)重影響了巷道正常使用和工作面安全高效生產(chǎn)。

基于上述對已掘巷道圍巖破壞影響因素的分析，結(jié)合巷道圍巖控制技術(shù)和15205回風(fēng)順槽的實際工程地質(zhì)條件，在已掘巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出采用“高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）+塑料網(wǎng)+鋼筋托梁”的聯(lián)合支護(hù)方案。支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

（1）頂板錨桿布置參數(shù)

頂板采用規(guī)格為φ20×2 400 mm的左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為9 00×1 000 mm，每排布置8根錨桿，兩肩窩處錨桿安設(shè)角度與垂線成15°外斜布置，分別距兩幫各200 mm，其余均與頂板垂直；錨桿鉆孔采用φ28 mm 的金剛石鉆頭打設(shè)，每孔采用型號為MSK2335 和MSZ2360 樹脂錨固劑各1 卷；鋼筋托梁采用φ10×2 600 mm 圓鋼托架；鋪設(shè)規(guī)格為（長×寬）2 000×1 300 mm 的塑料網(wǎng)支護(hù)頂板，網(wǎng)格為100×100 mm；配合使用規(guī)格為150×150×8 mm（長×寬×厚）的拱形高強(qiáng)度鋼托板和尼龍減摩墊圈；現(xiàn)場使用風(fēng)動扳手或力矩扳手確保錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m，且保證螺母與托盤間呈面接觸，否則進(jìn)行補(bǔ)打錨桿。

（2）頂板錨索布置參數(shù)

頂板采用規(guī)格為φ17.8×5 300 mm的鋼絞線錨索，間排距為2 000×2 000 mm，每排布置3根錨索，所有錨索均與頂板垂直，中間1根錨索布置在巷道中線位置，每根錨索用1卷MSK2335樹脂錨固劑和2卷MSZ2360樹脂錨固劑進(jìn)行錨固；錨索托盤采用規(guī)格為300×300×16 mm（長×寬×高）的拱形高強(qiáng)度鋼托板；使用錨索機(jī)具確保錨索預(yù)緊力≥200N·m。

（3）兩幫錨桿布置參數(shù)

兩幫采用規(guī)格為φ20×2200 mm 的左旋無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為9 00×1 000 mm，每排布置4根錨桿，幫部頂錨桿距頂板為300 mm，垂直巷幫打設(shè)，幫部底錨桿距底板為500 mm，與水平方向成15°俯角布置，其余均垂直與巷幫布置；錨桿鉆孔采用φ28 mm的金剛石鉆頭打設(shè)，每孔采用型號為MSZ2360樹脂錨固劑1卷；鋪設(shè)規(guī)格為（長×寬）2 000×1 300 mm的塑料網(wǎng)支護(hù)巷幫，網(wǎng)格為100×100 mm；配合使用規(guī)格為150×150×8 mm（長×寬×高）的拱形高強(qiáng)度鋼托板和尼龍減摩墊圈；現(xiàn)場使用風(fēng)動扳手或力矩扳手確保錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m，且保證螺母與托盤間呈面接觸，否則進(jìn)行補(bǔ)打錨桿。

4 支護(hù)效果分析

為了對15205回風(fēng)順槽采用“高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）+塑料網(wǎng)+鋼筋托梁”聯(lián)合支護(hù)方案后的支護(hù)效果進(jìn)行檢驗，采用十字布點(diǎn)法在巷道內(nèi)布設(shè)2 個表面位移測點(diǎn)，測點(diǎn)間距100 m，每兩天對觀測一次，連續(xù)觀測兩個月，觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 15205回風(fēng)順槽表面位移曲線

由圖3可知，15205回風(fēng)順槽采用“高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）+塑料網(wǎng)+鋼筋托梁”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)后，在0 d～10 d時，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤鲩L較為緩慢；在10 d～40 d 時，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤鲩L速率顯著增大；在40 d以后時，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤呌诜€(wěn)定；即在連續(xù)觀測的兩個月內(nèi)，巷道表面位移隨觀測時間呈現(xiàn)出先緩慢增大，再快速增大，最后趨于穩(wěn)定的動態(tài)變化過程。15205回風(fēng)順槽頂?shù)装逡平孔畲笾禐?42.87 mm，兩幫移近量最大值為112.03 mm，表明所采用的支護(hù)方案對巷道圍巖變形的控制效果顯著，能滿足巷道正常使用。

5 結(jié)語

通過對凌志達(dá)煤業(yè)15205回風(fēng)順槽圍巖破壞影響因素分析和鄰近工作面已掘巷道圍巖變形破壞特征，確定了大跨度堅硬頂板回采巷道的合理支護(hù)方案和和參數(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）大跨度堅硬頂板回采巷道巖破壞影響因素主要包括巷道地質(zhì)條件、巷道掘進(jìn)和工作面回采擾動影響、巷道跨度和施工質(zhì)量等方面。

（2）提出采用“高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）+塑料網(wǎng)+鋼筋托梁”的聯(lián)合支護(hù)方案并確定了合理支護(hù)參數(shù)。

（3）現(xiàn)場實測結(jié)果表明：15205 回風(fēng)順槽采用“高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）+塑料網(wǎng)+鋼筋托梁”的聯(lián)合支護(hù)后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為142.87 mm和和112.03 mm，巷道圍巖控制效果顯著。