高應(yīng)力厚泥巖頂板煤巷梯次支護(hù)技術(shù)的實(shí)踐

孫 磊 梁立博 韓應(yīng)偉

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)花園井田資源開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272200）

1 工程概況

1.1 概況

濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)花園煤礦4308 工作面開采3#煤層，煤層平均厚度2.48 m，平均傾角8°。煤層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖為主，泥巖厚度2.40 m，砂質(zhì)泥巖厚度16.50 m，細(xì)砂巖厚度2.30 m。

1.2 巷道原支護(hù)方式

4308 軌道順槽為矩形斷面，凈寬4400 mm、凈高3000 mm，原永久支護(hù)為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)。

頂板支護(hù)：采用Φ22 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm；頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：50 mm×50 mm；頂板每排使用1 片M 鋼帶，眼距830 mm；頂板每排打設(shè)3 排錨索梁，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，錨索托盤采用鋼板加工，規(guī)格為240 mm×120 mm×12 mm。

幫部支護(hù)：采用Φ22 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿配合M 鋼帶，排距為800 mm，鋪設(shè)小眼點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：50 mm×50 mm。

1.3 問題分析

4308 軌道順槽局部地段底鼓突出，兩幫移近量大，巷道部分錨桿、錨索破斷，斷面收縮明顯，多數(shù)地段還要割底、架棚，巷道維修困難，影響工程進(jìn)度。根據(jù)4308 軌道順槽厚泥巖頂板實(shí)況，采用FLAC5.0 數(shù)值計(jì)算軟件模擬分析巷道圍巖內(nèi)部位移矢量、應(yīng)力分布特征及錨桿支護(hù)對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)性能的改變，分析影響深部開采煤體巷道圍巖大變形的主要因素，提出解決巷道厚泥巖頂板的支護(hù)方案。

2 厚泥巖巷道梯次支護(hù)技術(shù)原理

2.1 厚泥巖巷道梯次支護(hù)原理

厚泥巖巷道梯次支護(hù)技術(shù)如圖1。一階支護(hù)為巷道頂板分層支護(hù)；二階支護(hù)為采用短錨索支護(hù)，控制頂板中下部軟弱煤巖；三階支護(hù)為采用長錨索對(duì)已形成的二階錨固承載體向頂板上部深層煤巖體實(shí)施整體組合錨固。

圖1 梯次支護(hù)技術(shù)原理示意圖

2.2 “類剛性梁”結(jié)構(gòu)生成

巷道梯次支護(hù)即為將巷道淺部支護(hù)與深部支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的支護(hù)手段，通過短錨桿、長錨桿、錨索等支護(hù)形式，將圍巖離層軟巖錨固，形成一定強(qiáng)度整體圍巖，達(dá)到抵抗圍巖變形的目的。將頂板錨固在一起形成的結(jié)構(gòu)，稱為“類剛性梁”結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 “類剛性梁”結(jié)構(gòu)示意圖

3 巷道圍巖控制方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 模型建立

數(shù)據(jù)模擬基于4308 軌道順槽開挖后所處巖層層位，采用FLAC5.0 模擬分析該位置處于原支護(hù)條件運(yùn)輸巷道圍巖應(yīng)力分布和礦壓顯現(xiàn)特征。

3.2 原支護(hù)方案模擬分析

4308 軌道順槽原支護(hù)方案模擬結(jié)果表明：采用原支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)后，頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為435 mm、658 mm、839 mm、732 mm。原支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖控制效果較差，垂直位移量較小，底鼓量較頂板下沉量大很多，斷面面積從14.18 m2變形為6.18 m2，斷面收縮56%，屬于大變形，需優(yōu)化調(diào)整。

3.3 優(yōu)化支護(hù)方案及模擬分析

3.3.1 優(yōu)化支護(hù)方案

根據(jù)4308 軌道順槽實(shí)況及原支護(hù)方案效果，擬采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案[1-2]。錨桿選取3種 不 同 規(guī) 格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）進(jìn)行模擬比選，錨索選取3 種不同規(guī)格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）進(jìn)行模擬比選，錨桿間排距選取3 種不同規(guī)格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm）進(jìn)行模擬比選，單因素方法。

3.3.2 錨桿模擬分析

錨桿3 種不同規(guī)格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）模擬比選結(jié)果表明：對(duì)比2200 mm 長度錨桿，2500 mm 和2800 mm 長度錨桿對(duì)增加圍巖強(qiáng)度以及改善圍巖峰后強(qiáng)度有較好的效果，其應(yīng)力集中向四周轉(zhuǎn)移。此時(shí)，主要是以塑性變形為主，隨著塑性區(qū)的發(fā)展，圍巖仍會(huì)發(fā)生碎脹變形，盡管較長錨桿可增加錨固長度，但效果不佳，沒能調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定的巖體作用，頂板及兩幫出現(xiàn)不同程度的變形，底板為弱面，沒采取任何措施，底鼓量還是很大，仍需要輔助其他支護(hù)方式。綜合經(jīng)濟(jì)因素，確定采用2500 mm 錨桿。

3.3.3 錨索模擬分析

巷道斷面在采取長錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。頂板施加3 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，兩幫分別施加1 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索。錨索3 種不同 規(guī) 格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）模擬比選結(jié)果表明：施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力向巷道深部圍巖延伸，應(yīng)力集中程度減小，巷道變形量減小；長度為8300 mm 和9300 mm 錨索的支護(hù)效果要好于長度為6300 mm 錨索，而長度為8300 mm 和9300 mm 錨索兩者之間的支護(hù)效果相差較小。綜合經(jīng)濟(jì)因素，確定采用8300 mm 錨索。

依據(jù)梯次支護(hù)技術(shù)的基本原理，在巷道頂板巖層中形成一定厚度的具有組合錨固效應(yīng)的階梯式立體支護(hù)結(jié)構(gòu)，控制頂板圍巖變形，使錨索達(dá)到耦合支護(hù)的效果，配合6.3 m 錨索強(qiáng)化錨固承載結(jié)構(gòu)。

3.3.4 間排距模擬分析

錨桿間排距3 種不同規(guī)格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm），選取錨索間排距為錨桿間排距的2 倍。從模擬應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可知，當(dāng)錨桿間排距為700 mm×700 mm 和600 mm×600 mm 時(shí)，錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)效果較好。根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，三種不同間排距時(shí)4308軌道順槽圍巖位移情況見表1。

表1 4308 軌道順槽不同間排距時(shí)圍巖最大位移量情況表

表1 數(shù)據(jù)表明，4308 軌道順槽采用小間排距支護(hù)后，基于支護(hù)密度的增加，巷道圍巖的變形量進(jìn)一步降低，小間排距支護(hù)參數(shù)的應(yīng)用可有效增加巷道圍巖的穩(wěn)定性。當(dāng)間排距為800 mm×800 mm時(shí)，其支護(hù)效果基本能滿足要求，在非特殊地質(zhì)段基于經(jīng)濟(jì)效益考慮，采用800 mm×800 mm 間排距即可。

3.4 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的確定

通過有限元數(shù)值計(jì)算及研究分析，確定4308軌道順槽支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)形式。采用Φ22 mm×2500 mm超高強(qiáng)錨桿（屈服強(qiáng)度500 MPa），錨桿間排距800 mm×800 mm；頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：50 mm×50 mm；頂板每排使用1 片6 眼4.35 m 長的M 鋼帶，眼距800 mm；每根錨桿使用MSK2550樹脂錨固劑（白色，先裝）和MSZ2550樹脂錨固劑（藍(lán)色，后裝）各1 支；頂板錨桿扭矩不小于300 N·m。

頂板沿走向依次布置5 排錨索梁，形成“三二交替布置”。“三”為長錨索，錨索規(guī)格Φ21.6 mm×8300 mm；“二”為短錨索，錨索規(guī)格Φ21.6 mm×6300 mm。錨索梁采用2.0 m 長16#槽鋼梁，兩個(gè)眼孔距離為1.6 m，且錨索需加讓壓管。每根錨索使用4 支MSZ250 樹脂錨固劑（藍(lán)色），錨索預(yù)緊力不低于200 kN。頂部錨索必須緊跟掘進(jìn)迎頭施工安裝（下幫的1 組錨索梁除外）。

（2）幫部支護(hù)形式。采用Φ22 mm×2500 mm 超高強(qiáng)錨桿（屈服強(qiáng)度500 MPa），兩幫使用豎向M 鋼帶（1000 mm 長2 眼及1700 mm 長3 眼鋼帶搭配使用，眼距700 mm），錨桿間排距為700 mm×800 mm；鋪設(shè)小眼點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)格70 mm×70 mm），每根錨桿使用MSK2550 樹脂錨固劑（白色，先裝）和MSZ2550 樹脂錨固劑（藍(lán)色，后裝）各1 支，幫錨桿螺母扭矩不小于200 N·m。

（3）巷道兩幫均采用橫向錨索梁控制變形。沿巷道走向在兩幫中部各布置1 排錨索梁，“一梁二索”，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，錨索梁采用2.0 m長16#槽鋼加工，兩個(gè)眼孔距離為1.6 m，錨索梁托盤為200 mm×120 mm×20 mm；每根錨索使用4 支MSZ2550 樹脂錨固劑（藍(lán)色），錨索預(yù)緊力不低于200 kN，幫部錨索梁滯后掘進(jìn)迎頭不超過20 m。4308 軌道順槽斷面支護(hù)如圖3。

圖3 4308 軌道順槽斷面支護(hù)示意圖

4 巷道圍巖表面位移觀測分析

4308 軌道順槽梯次支護(hù)方案應(yīng)用于巷道250～850 m 處，在梯次支護(hù)方案應(yīng)用段范圍內(nèi)，在巷道300 m、450 m、600 m 處各布置一個(gè)測站，兩幫及頂?shù)装逡平拷Y(jié)果如圖4。

圖4 圍巖變形量規(guī)律

由圖4 可知，4308 軌道順槽梯次支護(hù)方案應(yīng)用段頂板下沉量均小于10 mm，支護(hù)效果理想，兩幫移近量小于80 mm，巷道圍巖變形量較小，圍巖穩(wěn)定性較好。

5 效果分析

4308 軌道順槽從2021 年5 月21 日開始至8 月23 日工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)束，掘進(jìn)期間共施工93 d，成巷680 m。4308 軌道順槽應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力煤巷錨網(wǎng)索為基礎(chǔ)的梯次支護(hù)技術(shù)，巷道圍巖變形量較小，支護(hù)效果理想。4308 軌道順槽在回采期間受工作面超前支承壓力影響，對(duì)比掘進(jìn)期間巷道變形量有明顯增加，但整體來看巷道圍巖沒有出現(xiàn)較大變形量，支護(hù)效果理想，巷道維護(hù)滿足區(qū)段安全開采的要求。