四盤區巷道松軟厚煤層巷道圍巖大變形控制關鍵技術研究

暴斌

（山西蘭花科技創業股份有限公司 伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

0 引 言

松軟、破碎煤巖體圍巖控制問題一直是煤礦生產面臨的重大難題。隨著開采深度的增加，圍巖應力增大，煤巖體表現出軟巖的特性，圍巖控制越來越困難[4]。已有研究表明，國內學者在大量工程實踐的基礎上，對松軟破碎煤巖體巷道圍巖破壞機理作了較為深入的研究，通過大量的工程案例，從不同的角度和不同的深度研究了目前國內較為常見的松軟破碎煤巖巷道破壞形式，取得豐富的理論成果。孟慶彬等[5]依據趙樓礦井底車場巷道分析，深入揭示了深部軟巖巷道圍巖變形破壞機理，提出了以內注漿錨桿為核心的“三錨” 聯合支護體系。孫曉明、何滿朝等[6]根據錨網索耦合支護設計步序，對南屯煤礦93 上01 工作面巷道支護變形破壞比較嚴重問題進行了分析，提出了具體的復合型變形力學機制轉化對策設計，提出了錨網索耦合支護設計。目前我國巷道圍巖控制技術主要有5 類，分別為表面支護、錨固、改性、卸壓及聯合控制技術[7]。伯方煤業在松軟厚煤層工作面順槽沿底板布置，采用錨網索聯合支護形式，對運輸巷道的掘進過程提供了安全保障。

1 概 況

井田位于山西省高平市城區西北約7 km 處的伯方村西，為沁水煤田高平礦區王報井田的一部分。井田東西長約6.886 1 km，南北寬約6.020 09 km，面積27.491 6 km2，限采標高+900—+370 m。

井田內可采煤層為3 號煤層，位于山西組下部，煤層厚3.15～6.13 m，平均厚5.31 m，煤層底板標高+900—+470 m，埋藏深度40～372 m。煤層結構簡單至復雜，含夾矸0～3 層，屬穩定全區可采厚煤層。煤層直接頂板主要為粉砂巖，次為砂質泥巖和中粒砂巖，局部有炭質泥巖偽頂；底板主要為砂巖、粉砂巖和泥巖，偽底為炭質泥巖。

井田總體為一傾向北西的單斜構造，傾角一般3°～ 10°，局部達14°，在井田范圍內發育有18個小型寬緩褶皺，軸向以北東向為主，次為近東西向。延展長度200～2 100 m，一般在1 000 m 以下。礦井目前開采的3 號煤層，經生產揭露及三維地震勘探解釋，井田范圍區內3 m 及其以上斷層57 條，全為高角度正斷層。其中落差10 m 及其以上斷層12 條；落差5～9 m 的斷層20 條；落差5 m 以下斷層25 條。斷層走向以北東至近東西為主，次為北西向。

2 四盤區運輸巷錨桿、錨索支護參數

四盤區運輸巷沿煤層底板掘進，寬5 200 m，高3 500 mm，巷道頂板設計布置6 根錨桿，錨桿間排距為950 mm×1 000 mm；兩幫各4 根錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm。巷道錨桿、錨索布置如圖1 所示。

圖1 四盤區運輸巷錨桿、錨索支護示意Fig. 1 Anchor bolt support of No. 4 mining area

2.1 頂板錨桿

頂板使用左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，配套高強拱形托盤和高強螺母，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm，托盤的強度不低于300 kN；鉆孔直徑28 mm，采用加長樹脂錨固，采用K2360 和Z2360 樹脂錨固劑各1 支。錨桿錨固力設計為150 kN。頂板配以鋼筋網和鋼筋梯子梁作為輔助支護，鋼筋網采用φ4 mm 或φ6 mm 鋼筋焊接的經緯網，網片尺寸為5 200 mm×1 100 mm，網格大小為100 mm×100 mm；鋼筋梯子梁采用φ14 mm 的鋼筋焊接而成，寬度為100 mm，梯子梁尺寸為5 050 mm× （80 ～100 mm），相鄰的鋼筋網搭接不少于100 mm，采用8 號鐵絲聯結，鉸接至少2 圈，鐵絲聯結間距不大于200 mm。錨桿預緊力矩不小于300 N·m。

2.2 頂板錨索

頂板錨索采用1×19 股高強度低松弛鋼絞線制作，錨索直徑為22 mm，極限破斷力532 kN，延伸率大于7%。錨索1 排布置2 根，長8 000 mm，間排距為1 900 mm×2 000 mm，掘進迎頭頂板空頂距離夠1 排錨索必須及時布置錨索，錨索一般不能滯后布置。錨索鉆孔直徑為30 mm，采用3 根樹脂錨固劑錨固，錨固劑規格分別為K23601 支和Z23602 支。錨索錨固力設計為450 kN。錨索托盤采用300 mm×300 mm×15 mm 的高強球型托盤，承載能力不低于532 kN，錨索預緊力應不小于250 kN。

2.3 兩幫錨桿

巷道兩幫使用左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿φ22 mm，錨桿長度為2 400 mm，配套高強拱形托盤和高強螺母，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm，托盤的強度不低于300 kN；鉆孔直徑28 mm，采用加長樹脂錨固，采用K2360 和Z2360 樹脂錨固劑各1 支。錨桿錨固力為150 kN。巷道兩幫配以鋼筋網和鋼筋梯子梁作為輔助支護，鋼筋網采用φ4 mm 或φ6 mm 鋼筋焊接的經緯網，網片尺寸為3 500 mm×1 100 mm，網格為100 mm×100 mm；鋼筋梯子梁采用φ14 mm 的鋼筋焊接而成，寬度為100 mm，梯子梁為3 150 mm× （80～100 mm），相鄰鋼筋網搭接不少于100 mm，采用8 號鐵絲聯結，鉸接至少2 圈，鐵絲聯結間距不大于200 mm。錨桿預緊力矩不小于300 N·m。

需要注意的是，由于錨索的預緊力要大于錨桿，錨索張拉時錨桿的預緊力會減小，因此，錨索張拉后要對錨桿進行二次緊固，預緊力矩必須滿足設計要求。

2.4 兩幫錨索

如巷道掘進過程中，煤質松軟，可根據實際情況，在巷道兩幫打設錨索。

兩幫錨索采用1×19 股高強度低松弛鋼絞線制作，錨索直徑為22 mm，極限破斷力532 kN，延伸率大于7%。錨索1 排布置1 根，長5 300 mm，布置在巷道高度中間位置，掘進迎頭幫部空白距離夠一1 錨索必須及時布置錨索，錨索一般不能夠滯后布置。錨索鉆孔直徑為30 mm，采用3 根樹脂錨固劑錨固，錨固劑規格分別為K2360 一支和Z2360兩支。錨索錨固力設計為450 kN。錨索托盤采用300 mm×300 mm×15 mm 的高強球型托盤，承載能力不低于532 kN，錨索預緊力應不小于250 kN。

3 工業性試驗

為監測巷道錨桿、錨索工作狀態，及時評估支護方案的合理性，對巷道表面進行位移監測，包括頂底板相對移近量和兩幫相對移近量。采用十字布點法安設測站，每個測站應安設2 個監測斷面，基點應安設牢固。在距離試驗巷道開口段100 m 左右布置1 個測站，在距離試驗巷道開口段200 m 左右布置第二個測站，對巷道頂底板移近量和兩幫移近量進行觀測和分析，測站建立初期，每天觀測1次，兩周后每周觀測2 次并記錄數據。圖2 為巷道采用新的支護設計后的兩測站頂、底板及兩幫圍巖移近量變化圖。

圖2 巷道圍巖變形量趨勢Fig. 2 Deformation trend of roadway surrounding rock

從圖2 可以看出，支護方案實行初期由于受到巷道掘進動壓影響，巷道圍巖變形較大，巷道頂、底板移近量和兩幫移近量變化幅度大，變形量大。但在巷道掘進中后期時，巷道圍巖應力重新分布，錨桿索起到關鍵作用，測站1 頂底板移近量穩定在195.6 mm，兩幫移近量穩定在105.0 mm；測站2 頂底板移近量穩定在199.4 mm，兩幫移近量穩定在105.7 mm。圍巖變化趨于穩定，可見高強錨桿索聯合支護滿足回采巷道掘進要求。

4 結 論

（1） 通過理論分析，針對松軟厚煤層開采中由采動導致圍巖大變形的特點，采用高強錨桿索聯合支護，解決了伯方煤礦松軟煤層巷道的掘進支護問題，提高了巷道掘進率，保證快速安全生產，提高了經濟效益。

（2） 工業性試驗結果表明，采用優化后的聯合支護技術后，巷道圍巖變形量大大減小，且巷道圍巖變形在20 d 左右趨于穩定，說明該方案提出的支護設計合理可行，支護強度適中可靠，能夠保證伯方煤礦松軟厚煤層巷道的長期穩定與安全使用。