厚煤層大斷面煤巷高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)研究

冀海鴻

（山西華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 陽煤一礦81403 工作面概況

陽煤一礦81403 工作面位于81401 工作面（已回采）以南，本采區(qū)81405 工作面（未掘）以北，北翼十四采區(qū)西回風(fēng)巷以西，本采區(qū)西部采區(qū)邊界以東。該工作面為綜放工作面，巷道布置在15 號(hào)煤層中。81403 工作面進(jìn)風(fēng)巷總體構(gòu)造形態(tài)該巷道總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，根據(jù)周邊地質(zhì)資料分析，預(yù)計(jì)在掘進(jìn)過程中會(huì)遇到一些落差2 m 左右的斷層及撓曲構(gòu)造，對(duì)掘進(jìn)造成有一定影響。煤層最大厚度為7.3 m，最小厚度為6.3 m，平均厚度為6.9 m，煤層普氏硬度系數(shù)為f=1.5。煤層頂?shù)装迩闆r如表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試

通過前期試驗(yàn)和推進(jìn)，完成3 個(gè)測(cè)站的地應(yīng)力參數(shù)測(cè)試，完成6 個(gè)鉆孔的巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試，該礦所測(cè)地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

表2 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

區(qū)域水平主應(yīng)力最大值為18.19 MPa；最小水平主應(yīng)力最大值為9.42 MPa。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa 為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa 為中等應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa 為高應(yīng)力區(qū)；大于30 MPa 為超高應(yīng)力區(qū)。按照相關(guān)地應(yīng)力量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可劃分測(cè)試區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等偏高應(yīng)力值區(qū)域。

3 巷道結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

該礦15 號(hào)煤層巷道具有穩(wěn)定性差、變形強(qiáng)烈的特點(diǎn)。一是巷道圍巖錨固性能差，尤其受到瓦斯抽放影響的松軟厚煤層巷道，圍巖破碎，錨桿錨索錨固力低下，傳統(tǒng)的高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)無法充分發(fā)揮支護(hù)作用；二是巷道頂幫圍巖差異性大，不易形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，尤其構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)的動(dòng)壓巷道，在受到回采影響后兩幫劇烈變形，導(dǎo)致巷道頂?shù)装迨軘D壓而彎曲變形，從而誘發(fā)巷道失穩(wěn)破壞，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道支護(hù)困難，有時(shí)出現(xiàn)反復(fù)維修現(xiàn)象，甚至安全事故，分析可能原因如下：

3.1 巷道圍巖條件差，穩(wěn)定性不好

由于開采煤層深度增加，煤層整體發(fā)育變化較大，煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤層強(qiáng)度較低，完整性較差。

3.2 巷道沿頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷幫支護(hù)難度大

本工作面為綜放工作面，巷道屬于大斷面巷道，受掘進(jìn)動(dòng)壓等影響，容易出現(xiàn)破碎變形，需提升兩幫支護(hù)的剛度、強(qiáng)度以及整體協(xié)調(diào)性。

3.3 巷道應(yīng)力大，巷道底鼓嚴(yán)重

由于受到巷道相鄰工作面的采動(dòng)影響，加上深埋巷道的水平構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道在采掘期間容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

3.4 瓦斯抽放對(duì)巷道支護(hù)造成影響

15 號(hào)煤層瓦斯含量較高，在施工期間需要對(duì)煤層進(jìn)行超前預(yù)抽孔和局部釋放孔，數(shù)量眾多的抽放孔會(huì)對(duì)巷道圍巖完整性和穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯不利影響，進(jìn)一步加深巷幫煤體的破碎，導(dǎo)致巷道支護(hù)困難。

4 設(shè)計(jì)方案與技術(shù)參數(shù)

4.1 原方案評(píng)價(jià)分析

頂板采用全錨索進(jìn)行支護(hù)，采用6 根長(zhǎng)短錨索交替布置，規(guī)格為Φ17.8-7200/5200，其中7.2 m 錨索按照“二四”和“三五”進(jìn)行輪流布置，錨索托板為240 mm×200 mm×85 mm 鑄鋼錨索托板，錨桿配合采用波紋鋼帶護(hù)頂，規(guī)格為4-220-5100-940-6。巷幫采用4 根直徑20 mm、長(zhǎng)度2 000 mm的圓鋼麻花錨桿，鋼號(hào)為Q235。錨桿托板采用350 mm×120 mm×40 mm的花式托板。全斷面掛網(wǎng)，頂部、兩幫網(wǎng)片采用經(jīng)緯網(wǎng)。錨索的間排距為950 mm×800 mm。頂錨索預(yù)緊力要求為170 kN（45 MPa），幫錨桿錨固力要求50 kN，錨桿預(yù)緊力矩120 N·m。

對(duì)井下圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)巷道頂板相對(duì)穩(wěn)定，下沉量較小，除個(gè)別段有墜包和彎曲下沉現(xiàn)象，大部分相對(duì)較平整；巷道兩幫變形相對(duì)明顯，部分段兩幫片幫、破碎，出現(xiàn)兜網(wǎng)和錨桿后空現(xiàn)象，部分區(qū)段巷道寬度不足5.0 m，兩幫變形達(dá)300 mm之多。巷道頂板采用全錨索支護(hù)，頂板強(qiáng)度和剛度相對(duì)較高，可主動(dòng)及時(shí)支護(hù)圍巖，控制頂板變形。

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)條件、優(yōu)化數(shù)值模擬及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用頂板全錨索、巷幫錨桿組合方式進(jìn)行支護(hù)。

頂幫錨索17 股結(jié)構(gòu)17.8 mm 鋼絞線，長(zhǎng)度6.2 m，錨固長(zhǎng)度為1 360 mm。

W 鋼帶規(guī)格280 mm×4 mm×5 400 mm，經(jīng)緯網(wǎng)規(guī)格6.1 m×1.1 m，材料為10 號(hào)鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，搭接100 mm，16 號(hào)鉛絲雙邊聯(lián)接。

錨索配套300 mm×280 mm×12 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心W型托板及配套調(diào)心球墊，托板高度50 mm，兩凹槽間距210 mm，托板承載能力500 k N 以上。頂板每排6 根，間距1.0 m，排距1.0 m，全部垂直頂板布置，考慮到施工要求，允許5°誤差；錨索預(yù)緊力300 kN。

巷幫錨桿為335 號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼，規(guī)格20 mm×2 000 mm，配套高強(qiáng)調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板尺寸150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于154 kN。W 鋼護(hù)板規(guī)格450 mm×280 mm×4 mm。網(wǎng)片規(guī)格3.1 mm×1.1 m，網(wǎng)孔50 mm×50 mm，搭接100 mm，用16 號(hào)鉛絲雙邊雙絲搭接聯(lián)接。巷幫每排4 根錨桿，間距0.9 m，排距1.0 m，預(yù)緊扭矩300 N·m。巷道支護(hù)布置如圖1 所示。

圖1 新方案支護(hù)示意圖（單位：mm）

5 礦壓監(jiān)測(cè)分析

1 號(hào)測(cè)站巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖2，可知巷道頂板的最大下沉量約85 mm，掘進(jìn)巷道高度3 600 mm，頂板變形量占比很小；兩幫最大移近量約65 mm，巷道掘進(jìn)寬度5 200 mm，兩幫整體變形較小。

圖2 1 號(hào)測(cè)站表面位移監(jiān)測(cè)曲線

2 號(hào)測(cè)站巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖3，可知2號(hào)測(cè)站巷道頂板的最大下沉量約31 mm，掘進(jìn)高度為3 600 mm，頂板變形量占巷道高度比例很小；兩幫最大移近量約28 mm，巷道掘進(jìn)寬度5 200 mm，兩幫整體變形較小。

圖3 2 號(hào)測(cè)站表面位移監(jiān)測(cè)曲線

通過兩組表面位移監(jiān)測(cè)可知，兩幫最大變形量約65 mm，頂板最大下沉量約85 mm。考慮到煤炮震動(dòng)和煤質(zhì)松軟，相對(duì)于巷道斷面尺寸，巷道變形整體來看較小，滿足預(yù)計(jì)變形要求。從變形時(shí)間來看，巷道的變形量主要集中在掘進(jìn)工作面30 m 范圍內(nèi)，超過此范圍巷道的變形量趨于穩(wěn)定，說明巷道支護(hù)效果較好。

錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)分析，結(jié)合前述巷道位移變形，可知：試驗(yàn)巷道兩幫中間部位圍巖應(yīng)力較大，錨桿受力明顯，在支護(hù)時(shí)要加以重視；錨索受力較大，最大值接近250 kN，然后穩(wěn)定維持在高應(yīng)力狀態(tài)，較好地支護(hù)了巷道圍巖。錨桿錨索受力變動(dòng)主要發(fā)生在前2 d 時(shí)間內(nèi)，然后趨于穩(wěn)定；巷道整體變形較小，巷道掘進(jìn)期間處于安全可靠狀態(tài)。

6 支護(hù)效果分析

通過對(duì)81403 工作面進(jìn)風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力支護(hù)優(yōu)化，提高了頂幫支護(hù)強(qiáng)度，優(yōu)化了支護(hù)材料規(guī)格，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂板的可靠支護(hù)，改善了巷道狀況，效果良好。

6.1 改變?cè)兄ёo(hù)觀念，推行高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)

通過此次試驗(yàn)，改變了原有巷道支護(hù)思維觀念，逐步推廣“三高一低”的高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理念。主要通過高預(yù)應(yīng)力支護(hù)設(shè)計(jì)和材料完成，淘汰普通圓鋼錨桿，使用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿；提高錨桿扭矩和錨索預(yù)緊力，增加支護(hù)剛度，變被動(dòng)支護(hù)改變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù)。

6.2 優(yōu)化了支護(hù)材料性能及匹配性

通過推廣新支護(hù)設(shè)計(jì)，不但提高了支護(hù)強(qiáng)度，增加了支護(hù)的可靠性，而且提供了結(jié)構(gòu)更合理，強(qiáng)度更高的支護(hù)產(chǎn)品，支護(hù)各材料協(xié)調(diào)配合更加科學(xué)合理，頂板和兩幫支護(hù)有力統(tǒng)一的體系。

6.3 經(jīng)濟(jì)效益突出

新方案由于提高了支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，并減少了支護(hù)費(fèi)用，提高了掘進(jìn)效率；另一方面改善了巷道狀況，減少了后期巷修成本的投入。