多次采動影響巷道高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)

姚志強

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 工程概況

晉華宮礦位于山西大同，開采大同煤田北東位置，井田內(nèi)賦存10 層煤，目前礦井主采7-4#煤、11#煤、12#煤，11#煤8709 工作面屬于該盤區(qū)內(nèi)最后一個工作面，煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度2.2～4.5 m，平均3.3 m，煤層傾角1.5°～4.5°，平均3°，煤層整體呈一單斜構(gòu)造，工作面布置5709 回風巷、2709運輸巷，工作面與同煤層8707 工作面相鄰，煤柱寬度設(shè)計25 m。上部為上煤層7-4#煤8709 工作面。11#煤直接頂為3.3 m 厚的灰黑色炭質(zhì)泥巖，基本頂為2.2 m 厚的灰白色粗砂巖，直接底為8.2 m 厚的灰白色細砂巖。11#煤8709 工作面距上煤層7-4#煤8709 工作面（開采厚度1.4 m）平均垂距約32 m。根據(jù)采掘計劃，5709 回風巷將受到上煤層7-4#煤8709 工作面、鄰近8707 工作面以及本工作面重復(fù)采動影響，巷道極易出現(xiàn)嚴重的變形破壞現(xiàn)象，巷道維護成為制約工作面快速開采的關(guān)鍵因素。

2 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護系統(tǒng)原理

錨桿（索）支護具有成本低、勞動強度低、安全性好的優(yōu)點，成為我國煤礦巷道主要的支護形式之一[1-5]。高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護系統(tǒng)是采用桁架和專用鎖具將兩根傾斜布置的錨索連接在一起，兩根錨索同時施加高預(yù)緊力，采用的專用鎖具向頂板巖層水平方向和豎直方向形成一定的擠壓約束力，促使錨固區(qū)巖層處于多向擠壓。高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護系統(tǒng)原理見圖1，該系統(tǒng)以巷道肩角深部堅硬穩(wěn)定巖層作為錨固承載區(qū)域，高預(yù)緊力通過設(shè)置的同軸式連接緊縮器對拉預(yù)緊，使其在巷道頂板形成多向預(yù)應(yīng)力，巷道圍巖應(yīng)力得到明顯改善。高預(yù)緊力、桁架結(jié)構(gòu)、錨索良好的延伸率使該系統(tǒng)具有“先剛”、“先抗”、“后柔”、“后讓”的支護特點，尤其適用于多煤層采動影響巷道圍巖穩(wěn)定控制[6]。

圖1 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護系統(tǒng)原理[6]

3 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)

基于晉華宮礦11#煤5709 回風巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護系統(tǒng)原理，開發(fā)適用于多次采動影響巷道的高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)。巷道為矩形斷面，尺寸4.5 m×2.8 m（寬×高），具體支護參數(shù)如下：

1）頂板采用“錨桿+單體錨索+桁架錨索”支護。頂錨桿規(guī)格為長度2.0 m、直徑18 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，每排布置6 根，其中中間4 根垂直于頂板施工；兩側(cè)錨桿以與水平夾角65°～75°施工，每根錨桿配套1 支MSCK2330、2 支MSZKZ 2330 樹脂錨固劑，保證錨固長度不小于0.9 m；配套10 mm厚的規(guī)格110 mm×110 mm的鋼板托盤，間排距1 000 mm×1 000 mm。錨桿采用3 mm厚的W鋼帶連接，鋼帶規(guī)格3 500 mm×220 mm。頂單體錨索規(guī)格為長度6.3 m、直徑15.24 mm的鋼絞線，錨索孔深6.0 m，每排布置1 根，垂直于頂板施工，每根錨索配套1 支MSCK2360、2 支MSZKZ 2360 樹脂錨固劑，保證錨固長度不小于1.8 m；配套16 mm厚的規(guī)格400 mm×400 mm的鋼板托盤，排距4 000 mm。桁架錨索采用2 根長度6.3 m、直徑15.24 mm的鋼絞線，錨索孔深5.0 m，配套專用的桁架和鎖具，兩側(cè)錨桿以與豎直夾角20°施工，底部跨距2 100 mm，排距4 000 mm，預(yù)緊力不低于120 kN，具體巷道支護參數(shù)見圖2。

2）巷幫采用錨桿支護。錨桿規(guī)格為長度2.0 m、直徑18 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，每根錨桿配套1 支MSCK2330、2 支MSZKZ2330 樹脂錨固劑，保證錨固長度不小于0.9 m，三花布置，間排距1 500 mm×1 000 mm，幫錨桿配套10 mm厚的規(guī)格110 mm×110 mm的鋼板托盤和5 mm厚的規(guī)格450 mm×280 mm的W鋼帶，具體巷道支護參數(shù)見圖2。

圖2 5709 回風巷支護斷面

4 巷道圍巖控制效果分析

采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)在晉華宮礦11#煤5709 回風巷進行了150 m的現(xiàn)場工業(yè)性試驗，采用應(yīng)力傳感器監(jiān)測了本工作面回采期間巷道煤柱幫應(yīng)力變化，同時監(jiān)測了巷道頂板和兩幫的位移收斂情況。

圖3為實測工作面回采巷道煤柱幫應(yīng)力變化情況。由圖可知，隨著工作面的推進煤柱受到的支承應(yīng)力逐漸增加，并隨煤柱幫深度的增加呈先增加后減小的趨勢；巷道應(yīng)力峰值最大約為25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)超過了3.0，峰值距煤柱幫4.0 m；在距巷道煤柱幫12 m左右，煤柱幫應(yīng)力與原巖應(yīng)力接近，約7.5 MPa；表明煤柱幫中部煤體處與穩(wěn)定范圍，煤柱較好地控制了巷道的穩(wěn)定，表明了煤柱寬度設(shè)計的合理性以及支護技術(shù)和參數(shù)的可靠性。

圖3 5709 回風巷煤柱幫應(yīng)力變化情況

現(xiàn)場試驗的150 m范圍內(nèi)巷道受上煤層7-4#煤8709 工作面采動影響，巷道的頂板巖層最大下沉量約80 mm，兩幫圍巖最大移近量約90 mm，巷道采動影響較小；受鄰近8707 工作面采動影響，累積下沉量約160 mm，兩幫圍巖移近110 mm，累計移近量約200 mm，受工作面重復(fù)采動，巷道圍巖變形加劇；受工作面自身采動支承應(yīng)力影響，巷道的頂板巖層下沉50 mm，累積下沉量約210 mm，兩幫圍巖移近130 mm，累積移近量約330 mm；受工作面多次采動影響巷道變形量持續(xù)增加，而未采用該技術(shù)的巷道頂板巖層最大下沉量達500 mm，兩幫出現(xiàn)嚴重的片幫現(xiàn)象，底鼓劇烈。綜上表明，巷道受多次采動影響，巷道圍巖變形量持續(xù)增加，采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)和參數(shù)區(qū)域巷道整體變形量較小，圍巖控制效果良好，所采用的技術(shù)優(yōu)越、參數(shù)合理性。

5 結(jié)語

晉華宮礦11#煤5709 回風巷受多次采動影響，巷道出現(xiàn)嚴重變形破壞，為此，提出了高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)可使頂板巖層處于形成多向擠壓狀態(tài)，有效改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境；同時，高預(yù)緊力、桁架結(jié)構(gòu)以及錨索良好的延伸率使其具有 “先剛”、“先抗”、“后柔”、“后讓” 的支護特點。基于此，采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)，在晉華宮礦11#煤5709 回風巷現(xiàn)場應(yīng)用后監(jiān)測了煤柱幫應(yīng)力和巷道變形情況，驗證了煤柱寬度設(shè)計以及高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)參數(shù)的合理性和優(yōu)越性，具有現(xiàn)實推廣意義。