鎮城底礦掘進工作面快速過構造支護技術研究

周躍飛

（山西焦煤西山煤電鎮城底礦，山西 古交 030203）

0 引言

鎮城底礦是西山煤電古交礦區五對礦井之一，山西能源和新型工業基地重要組成部分，國家“六五”重點建設項目。井田位于西山煤田的西北邊緣，地處古交市西北，汾河沿井田北部穿過。

巷道穩定性主要取決于巖石應力、巖石強度、地質構造及其相互作用。高構造應力和極破碎巖體是斷裂帶最常見的地質特征[1]。煤礦斷裂帶通常富含斷層泥、裂隙水或瓦斯，加劇了礦井瓦斯的危險性。隨著開采強度和開采極限的增加，我國地下煤礦巷道深度越來越大，最大開采深度可達1 365 m[2]；巷道地質條件日趨復雜；而巷道的位置、斷面和應力狀態均不利于其穩定性。這些趨勢對錨桿支護技術提出了更高、更嚴格的要求；為此，進行了完整的錨桿支護技術研究。

1 地質條件和問題

1.1 地質條件

礦井布置采用一對斜井單水平開拓，主運輸水平標高+760 m。主采2.3號和8號煤層，煤質以肥煤、焦煤為主。自燃傾向為Ⅱ類自燃煤層，煤塵均具有爆炸性。2016年10月21日升級為高瓦斯礦井，混合式通風，水文地質條件復雜，屬帶壓開采礦井。

22209運輸順槽在A號點前51 m處揭露一條落差為2 m的上跳正斷層，為保證通過斷層期間施工的安全和質量，特制高預緊力強化復合支護技術。斷層平面位置示意圖如圖1所示。

圖1 斷層平面示意圖

1.2 問題分析

盡管錨桿支護技術取得了很大的進步，但仍存在一些問題。高強度錨桿支護在深部復雜巷道的支護性能較差，錨桿構件破壞嚴重，問題歸納如下[3-4]：

1）低支撐剛度。支承剛度與預應力和錨固類型有關，高支承剛度只能通過高預緊應力與全長錨固相結合來實現。安裝螺栓的旋轉力矩只有100～150 N·m，或者說預張力是向上的在大多數情況下為15～20 k N。

2）螺栓和電纜的肌腱強度較低。對用于高強度螺栓的現有筋，其屈服強度約為335～400 MPa，斷裂強度約為500～600 MPa。電纜直徑為15.2～17.8 mm，破斷力約260～350 k N。

3）端螺紋質量差。螺紋質量差會增加螺母和螺紋之間的摩擦力降低從螺母的自旋力矩到肌腱預緊力的過渡速率；另一方面，不良的螺紋質量也會使后應力狀態惡化，導致剪切、彎曲、斷裂。

4）貶值表面防護組件，如板，帶，和金屬網。帶低強度和剛度常用來降低材料成本，降低表面抗壓能力，影響表面抗壓性能總支持性能。

5）螺栓密度高。每平方米錨桿數越多，安裝時間越長，巷道掘進率越低。

為解決上述問題，在此基礎上開發了高預緊強化支護系統。

2 高預緊強化支護理論

目前，對于高應力大變形復雜巷道的支護存在2種不同的理論。

2.1 二級支護理論

根據二次支護理論，對高應力大變形巷道支護應分為2個階段：第一次支護應在保證巷道穩定的情況下，允許圍巖變形并釋放應力；應設置二次支護，使巷道的長期穩定性在一定的區間內保持。該理論已被廣泛接受應用，并在一定條件下取得了良好的性能。但這一理論正面臨著越來越多的挑戰，開采深度的增加，加上復雜的地質和開采條件。道路受到強烈的采礦活動,或減少地質不連續、弱和破碎的巖石區域,變形后仍未被接納的二級支持，第三甚至第四支持必須應用在一些時期,但變形長期不能控制。

2.2 高預緊支護理論

該理論的實質是大幅度提高錨桿的初始剛度和強度，控制圍巖位移，保持圍巖完整性，緩解圍巖強度的下降。為避免二次支護和巷道養護，采用高預緊支護技術，應滿足以下條件：

1）螺栓系統應具有足夠的初始剛度和強度。預張應力及其擴展效應將起關鍵作用。一方面，保持整體螺栓結構的完整性；另一方面，在錨桿和錨索中維持較高的錨固力，并將壓應力擴散到巖石中。

2）支護系統應具有較高的延伸率，允許圍巖在一定程度上變形，但在使用期間不能超過位移極限。

3）應隨時進行地下支護，以適應現場管理，有利于快速推進。

4）支護系統可以降低支持的總成本，經濟合理。

在現有錨桿支護技術基礎上，發展高預緊強度支護系統是解決高應力復雜巷道問題的可行選擇。

3 巷道支護

3.1 高預緊應力所用材料

中國煤炭科學研究院煤炭開采設計分院開發了高預張強度支護系統，包括高強度錨桿、低粘度高強度樹脂膠囊、高強度疏水閥、高強度錨索。

3.1.1 高強度螺栓

1）肌腱形狀的設計應遵循4個原則：①合理的肌腱與鉆孔間距，使肌腱入孔容易；②有利于高粘結能力和性能；③沿肌腱均勻施力；④后側容易施加高預緊應力。目前,該肌腱為左旋螺紋，無軸脊隆起，可滿足上述4項要求，是當前支撐系統的理想選擇。肌腱公稱直徑約22～25 mm，長2.0～3.0 m。

2）肌腱材料選擇，一般來說，國外公司使用的筋材屈服強度在400～600 MPa左右，甚至更多，斷裂力在200～300 k N左右。在美國，產品屈服強度約為414～689 MPa，斷裂強度約為621～862 MPa。在英國，產品的屈服強度在640～720 MPa左右。本文選用了BH R B500,BH R B600 2種材料，見表1。

表1 肌腱材料性能

3.1.2 輔助部件

除了肌腱外，還開發了與肌腱配套的螺母和鋼板。減小摩擦力在板與螺母之間，最大限度地將自旋力矩轉化為預緊力，從而達到防摩擦墊圈的作用。

高強度帶：帶是高預應力強化支護體系中的關鍵部件，對分散錨桿的預應力和阻力，擴大錨桿的作用跨度，提高支護總能力起著重要作用。W型帶材是經過幾道軋制和冷彎工序而成。W型表帶保護更大的比表面積，具有更高的強度和剛度，作為螺栓組件表現出良好的性能。W帶的主要缺點是：當W帶較薄且應力較大時，鋼板可能穿孔，導致W帶內部發生剪切破壞或破裂。為配合強強度螺栓的力學性能，選用高強度W帶：一種方法是增加帶的厚度，從2.5～3 mm增加到4～5 mm，并將破碎載荷增加到500 k N；二是在不改變表帶尺寸的情況下，選用強度較高的鋼材。

針對煤礦用高伸率、超高強度鋼絞線存在的問題，選用了高伸率、超高強度鋼絞線。這些線是由一種新型的1×19的形式。配合支撐強度和一系列不同直徑的線：?18、20、22 mm。機械性能見表2。

表2 鋼絞線機械性能

錨桿用板類型。平板是最常用的，另一種板是槽鋼（12、14號），但這2種板的機械性能較差。當索的預拉力或荷載較高時，平板往往在其周長處翹曲，其承載能力急劇下降；槽鋼制成的板容易變形，在某些情況下穿孔導致電纜失效。為克服鋼板的上述缺陷，研制了三維尺寸為300 mm×300 mm×16 mm的帶中心調節墊圈的圓拱板。一方面，該新產品增加了負載能力，以匹配密集纜線；另一方面，該板允許調整其中心，提高機械性能，充分發揮纜索的能力。

3.2 支護方案

永久支護：過斷層期間及前后5 m范圍內，巷道頂板采用“左旋螺紋鋼錨桿+錨索+鋼筋網＋梯子梁”進行支護，錨桿間排距為0.93 m×0.9 m，錨索間排距為1.86 m×0.9 m，錨桿、錨索全部布置在梯子梁眼內，錨索占錨桿眼位布置（每排布置3根錨桿，3根錨索，錨索分別在梯子梁2、4、6號和1、3、5號眼位交錯布置），呈“六·六”矩形布置。根據現場情況適當增加錨索數量，保證頂板支護有效。錨桿、錨索全部垂直頂板打注，循環進尺0.9 m。

兩幫采用“左旋螺紋錨桿+鐵絲網+梯子梁”進行永久支護，按每排每幫3根布置，間排距1.1 m×0.9 m，每排錨桿最上一根距頂板0.4 m；循環進尺為0.9 m（見圖2），圖3為高預緊支護狀態。

圖2 永久支護平、剖面圖

圖3 高預緊支護狀態

3.3 錨桿、錨索臨時支護

1）采用DW 31.5-30/100B型臨時支護用單體液壓支柱搭配木柱帽（500 mm×200 mm×200 mm）挑鋼筋網作為臨時支護。

2）臨時支護操作方法：掘進夠一個循環（0.9 m）后,必須進行詳細的“敲幫問頂”確認無隱患后，作業人員站在永久支護下將鋼筋網聯起，2人配合在永久支護下用自制專用推網裝置將鋼筋網推起與頂板相貼合，然后將2根帶帽單體液壓支柱分別固定于距掌子面0.6 m處，單體間距為1.8 m。用注液槍給單體液壓支柱注液，使單體液壓支柱與鋼筋網和頂板緊貼。

最大、最小控頂距與控幫距：①頂錨桿、錨索距工作面的最大距離為1.1 m，最小距離為0.2 m；②幫錨桿距工作面的最大距離為1.1 m，最小距離為0.2 m，如圖4所示。

圖4 臨時支護示意圖

4 結論

與現有錨桿錨索支護方式相比，強化錨桿錨索的復合支護體系使得支付效果得到顯著提高。高強度錨桿、錨索、低粘度高強度樹脂膠囊、高強度帶、鋼網共同構成了高預張強度支撐體系。高張拉強度支護系統有效控制了斷層帶巷道圍巖位移和頂板離層，以及受強采動影響的巷道。位移可降低70%～90%，頂板離層僅為初始值的5%～10%（見圖5），即使沒有監測到離層，支護狀態也發生了本質的變化。

圖5 聯合支護后位移