深埋動壓巷道“高強度、低密度”支護技術研究與實踐

陳文軍

（陜西美鑫礦業有限公司，陜西 銅川 727000）

隨著長期大規模、高強度和機械化開采，淺部賦存條件較好的煤炭資源業已枯竭。為了滿足經濟發展對煤炭資源的需求，近年來煤炭開采逐漸向深部發展[1-2]。采掘接替緊張問題是我國大多數煤礦普遍面臨的問題，在某工作面回采結束較短時間內，其工作面頂板覆巖尚在調整狀態時就進行鄰近工作面回采巷道掘進，導致該回采巷道同時受到巷道掘進擾動和鄰近工作面動壓影響[3-5]。另外由于埋深較大，巷道圍巖壓力較大，此時巷道較易發生較大變形，嚴重制約著巷道掘進速度。采用常規的錨桿（索）支護理論和技術對該類巷道進行支護時，支護密度大，支護材料消耗量大，支護工程量大，勞動強度高。因此，如何確定合理的支護強度和支護參數是決定深埋動壓巷道圍巖控制效果和巷道掘進速度的關鍵[6]。本文以冶坪煤礦1301 材料巷為研究對象，對不同頂板錨桿間排距和長度影響下巷道頂板圍巖錨固預應力場分布規律進行了研究，提出了“高強度、低密度”支護方案。

1 工程概況

冶坪煤礦3#煤厚度為5.1～6.0 m，均厚5.4 m，傾角為3°～12°，平均傾角9°。3#煤直接頂為厚3.0～4.2 m 的砂質泥巖，基本頂為厚4.0～5.9 m 的粉砂巖；直接底為厚1.9～2.5 m 的砂質泥巖，基本底為厚17.4～25.6 m 的細砂巖。

1301 工作面北鄰34 采區膠帶順槽，南為F54-9和F29 斷層，東鄰3412 工作面采空區，西為實體煤。1301 材料巷長度為1365 m，受斷層影響1134 材料巷分外段（345 m）和里段（710 m），與1301 綜采工作面間留40 m寬的區段煤柱。巷道斷面為矩形，寬×高=4800 mm×3850 mm。巷道跟底掘進，底板標高-679.8～ -565.2 m。

2 巷道受采動影響分析

1301 材料巷掘進至里段時，1301 綜采工作面停采僅3 個月，1301 工作面上覆巖層正處于動態調整階段，故1301 材料巷里段在掘進期間同時受巷道掘進擾動和鄰近采空區動壓影響。據1134 工作面回采進尺表知，1301 材料巷里段前100 m 掘進期間受采空區動壓劇烈影響，掘至300 m 之后采空區動壓影響逐漸減小。結合1301 材料巷里段圍巖條件和鄰近1134 材料巷礦壓顯現情況，可知1301 材料巷掘進期間和掘進后一定時期內會出現較大應力集中現象，圍巖可能會出現較大變形。

3 巷道支護參數數值模擬研究

3.1 模型建立

模型尺寸為50 m×20 m×50 m（長×寬×高）。模型邊界條件為：左右邊界限制水平方向位移，下邊界限制豎直方向位移，上邊界施加12.5 MPa 均布載荷等效上覆巖層壓力。煤巖層物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數

3.2 模擬方案

為了探究錨桿間排距和長度對圍巖錨固預應力場分布的影響規律，結合3#煤已掘巷道支護材料和參數，將錨桿直徑和扭矩分別設置為22 mm 和400 N·m，分以下兩種方案進行模擬研究。

方案一：錨桿長度為2400 mm，錨桿間排距分別為900 mm×900 mm、1000 mm×1000 mm 和1100 mm×1100 mm。

方案二：錨桿間排距為1100 mm×1100 mm，長度分別為2000 mm、2200 mm 和2400 mm。

3.3 錨桿預應力擴散效果分析

（1）不同錨桿間排距時巷道圍巖垂直應力分布規律

錨桿長度為2400 mm，錨桿間排距分別為900 mm×900 mm、1000 mm×1000 mm 和1100 mm×1100 mm。間排距為900 mm×900 mm 時，相鄰每排錨桿產生了面積較大、分布均勻、連成整體的有效壓應力區，錨桿將錨桿間圍巖錨固成一個整體，支護作用較強；錨桿間排距為1000 mm×1000 mm 時，每排錨桿相互作用產生的有效壓應力區明顯增強，仍形成了面積較大、連成整體、分布均勻的有效壓應力區，對圍巖的支護作用增強；錨桿間排距為1100 mm×1100 mm 時，有效壓應力區明顯增強，每排產生的壓應力區能較好地疊加、連接，錨桿對錨桿間圍巖產生很好的錨固作用。綜合考慮掘進速度和支護成本，最終確定巷道頂板錨桿的合理間排距為1100 mm×1100 mm。

（2）錨桿長度對巷道圍巖垂直應力分布的影響

錨桿間排距為1100 mm×1100 mm，長度分別為2000 mm、2200 mm 和2400 mm。當錨桿長度為2000 mm 時，錨桿形成的有效壓應力區較小，對圍巖的支護效果較差；當錨桿長度為2200 mm 時，錨桿能形成有效壓應力區，但錨桿所產生的壓應力疊加效果較差，難以形成整體支護結構，支護效果較弱；當錨桿長度為2400 mm 時，錨桿形成的壓應力顯著增強，能夠形成有效的連續壓應力區，支護效果較好。因此，確定巷道頂板錨桿的最佳長度為2400 mm。

4 工業性試驗

4.1 支護方案及參數

基于數值模擬研究結果，提出了“高強度、低密度”支護方案，1301 材料巷支護方案如圖1，具體支護參數如下：

圖1 巷道支護斷面圖

（1）頂板支護

頂錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 右旋高強螺紋鋼錨桿，間排距為1100 mm×1100 mm，每孔用2 根MSCK2350 樹脂錨固劑，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm 的高強錳鋼鼓形托盤，規格為4600 mm×275 mm×3.5 mm（長×寬×厚）的“W”鋼帶，規格6000 mm×1000 mm（長×寬）的金屬菱形網，錨桿預緊扭矩不小于400 N·m。錨索采用1×7 股Φ21.6 mm×6300 mm 低松弛預應力左旋鋼絞線錨索線，間排距為1650 mm×2200 mm，每孔用3 根MSCK2350 樹脂錨固劑，規格為100 mm×100 mm×10 mm 高強錳板托盤，礦用12#工字鋼梁加工成長3500 mm、眼距1650 mm 的錨索梁，錨索預緊力不低于230 kN。

（2）幫部支護

Φ20 mm×2000 mm 右旋高強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1100 mm，每孔用2 根MSCK2350樹脂錨固劑，規格為100 mm×100 mm×10 mm 高強錳板托盤，從肩角往下3 棵錨桿配合使用規格為2000 mm×275 mm×3.5 mm（長× 寬× 厚）的“W”鋼帶，從底板往上2 棵錨桿配合使用規格為300 mm×300 mm×3.75 mm（長×寬×厚）的鋼帶板、規格6000 mm×1000 mm（長×寬）的金屬菱形網，錨桿預緊扭矩不小于300 N·m。

4.2 支護效果分析

為了掌握“高強度、低密度”支護方案對1301材料巷里段圍巖的控制效果，采用十字布點法對巷道表面位移進行實時監測。在1301 材料巷距迎頭55 m、105 m 和155 m 處分別布置1#、2#和3#測站，每2 d 對巷道表面位移數據觀測記錄一次，累計觀測60 d，獲得的巷道表面位移數據如圖2。

圖2 巷道表面位移量隨時間的變化曲線

在0～20 d 內，1#、2#和3#測站所監測到的巷道頂底板移近量均快速增長，在20 d 時移近量最大，最大值分別為103.91 mm、74.49 mm 和70.96 mm，變形速率分別為5.20 mm/d、3.72 mm/d和3.55 mm/d；巷道兩幫移近量亦呈現出快速增長狀態，且在20 d時移近量最大，最大值分別為111.79 mm、117.88 mm 和94.87 mm，變形速率分別為5.59 mm/d、5.89 mm/d 和4.74 mm/d。在20～60 d 時，巷道頂底板和兩幫移近量均基本保持穩定，巷道頂底板和兩幫最大移近量分別為106.66 mm 和132.31 mm，表明所采用的“高強度、低密度”支護方案對1301 材料巷里段圍巖變形控制效果顯著。

5 結 語

基于對1301 材料巷受采動影響的分析，研究了不同頂錨桿間排距和長度下巷道頂板圍巖錨固預應力場分布情況，提出了“高強度、低密度”支護方案。現場實測結果表明：采用“高強度、低密度”支護后，巷道頂底板和兩幫最大移近量分別為106.66 mm 和132.31 mm，有效控制了深部受采動影響巷道圍巖變形，為工作面安全高效開采提供了保障。