掘進(jìn)巷道應(yīng)力區(qū)支護(hù)技術(shù)

盧 義， 張安慎

（1.山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036600；2.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 山西 太原 030006）

1 18105 工作面概況

18105 工作面為王家?guī)X煤業(yè)第3 個(gè)回采工作面，東部為已回采的18103 采空區(qū)，西部為待采的18107實(shí)體煤。工作面采用“兩進(jìn)一回”布置，膠帶和輔運(yùn)順槽間凈煤柱為30 m，輔運(yùn)順槽留下復(fù)用，作為18107工作面回風(fēng)順槽。

18105 輔運(yùn)順槽與18105 膠帶順槽間留30 m 煤柱，18105 輔運(yùn)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度5.5 m，掘進(jìn)高度4.2 m（鋪底0.2 m），掘進(jìn)面積23.1 m2，采用錨桿錨索支護(hù)。巷道掘進(jìn)煤層為8 號(hào)煤層，煤厚6.5～8.60 m，煤層傾角6°，采煤方法為綜采放頂煤，采高3.5 m，放高4 m 左右。煤層絕大部分含2～3 層夾矸。煤層上方偽頂厚0～0.5 m，為碳質(zhì)泥巖；偽頂上方為泥巖直接頂，厚度2～3 m。直接頂上方為厚層完整砂巖老頂，厚度超過20 m。煤層屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性[1-2]。

2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)

1）頂板采用型號(hào)為25MnSi 高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.4 m、直徑為22 mm，每排布置7 根，錨桿間距、排距為0.8 m、1.0 m，同一排錨桿外露端安裝一根Φ16 mm 圓鋼加工而成的鋼筋梯梁，長度為5.2 m，寬度為150 mm，鋼筋梯梁上布置7 個(gè)錨桿支護(hù)孔，且安裝在頂網(wǎng)下方。

2）頂板錨索采用19 股高強(qiáng)度鋼絞線，鋼絞線長度為8.3 m、直徑為22 mm，錨索錨固長度為1.5 m，頂板每排布置3 根錨索，錨索間距為2.0 m、排距為3.0 m，錨索外露端安裝一塊鋼號(hào)不低于Q235 穹形托盤。

3）網(wǎng)片采用Φ6 mm 圓鋼加工而成，網(wǎng)格100 mm×100 mm，搭接100 mm，網(wǎng)片連接方式采用14 號(hào)鐵絲聯(lián)結(jié)，雙絲雙扣，綁扎間距200 mm。

4）幫錨索采用Φ22 mm×6 300 mm 高強(qiáng)度錨索，19 股鋼絞線，僅布置在非回采幫側(cè)，錨索排距1 600 mm，每排1 根，布置在錨桿排中間，不得占用錨桿位置。距掘進(jìn)底板2 200 mm，與巷道表面垂直[3]。

2.2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

18105 輔運(yùn)順槽掘進(jìn)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巷道東部為18103 采空區(qū)，西部為18107 實(shí)煤區(qū)，而根據(jù)物探顯示，18105 輔運(yùn)順槽900～1 200 m 段西部存在兩條陷落柱，間距為27 m，陷落柱對巷道影響長度預(yù)計(jì)為175 m，受采空區(qū)以及集中應(yīng)力影響，巷道在掘進(jìn)期間圍巖穩(wěn)定性差，采用錨桿（索）支護(hù)時(shí)圍巖控制效果差。

自2020 年1 月底開始，18105 輔運(yùn)順槽900～1 100 m段開始出現(xiàn)變形，以底鼓為主，至3 月底底板硬化塊翹起最高有1 m。從起底后兩幫鼓出底板巖層看，實(shí)際底鼓量在500 mm 左右，4 月初起底后再未出現(xiàn)底鼓。巷寬最窄處5 m 左右。頂板有下沉，有10 根左右錨索出現(xiàn)鎖具下滑，18105 輔運(yùn)順槽變形段頂板離層狀況見表1。

表1 18105 輔運(yùn)順槽變形段頂板離層狀況

由表1 可見，深部離層遠(yuǎn)大于淺部離層，巷道變形主要發(fā)生在錨桿錨固區(qū)上方。同樣錨桿錨索受力監(jiān)測能很好驗(yàn)證這點(diǎn)。850 m 和950 m 兩處錨索受力仍未穩(wěn)定，900 m 和1 000 m 錨索受力基本穩(wěn)定，1 050 m和1 100 m 兩處錨索受力超過測力計(jì)量程400 kN。錨桿受力均維持在100 kN 左右。

2.3 巷道變形原因分析

1）巷道支護(hù)效果差：原巷道頂板主要采用錨桿（索）支護(hù)，而受集中應(yīng)力影響，巷道頂板出現(xiàn)斷裂破碎，頂板裂隙發(fā)育，頂板采用錨桿（索）支護(hù)時(shí)主要通過施工鉆孔，利用錨固劑實(shí)現(xiàn)錨桿（索）錨固作用，當(dāng)頂板出現(xiàn)破碎后，支護(hù)鉆孔孔壁出現(xiàn)裂紋，鉆孔壁不完整，導(dǎo)致錨固劑攪拌后錨固劑無法穩(wěn)定黏接在孔壁巖體上，導(dǎo)致錨桿（索）錨固失效現(xiàn)象，當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉后錨桿（索）很容易出現(xiàn)破斷。

2）集中應(yīng)力影響：由于巷道受東部采空區(qū)殘余應(yīng)力以及南部陷落柱構(gòu)應(yīng)力等集中應(yīng)力影響，巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重失穩(wěn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為頂板下沉、斷裂以及兩幫收縮等。

3 巷道應(yīng)力區(qū)加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

為了提高18105 輔運(yùn)順槽900～1 200 m 段應(yīng)力區(qū)頂板整體穩(wěn)定性，在不破壞原永久支護(hù)的前提下，決定對圍巖采取“注漿錨索+JW 型錨索鋼棚+L 型鋼帶”聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。

3.1 注漿錨索支護(hù)

1）支護(hù)原理：注漿錨索支護(hù)屬于注漿支護(hù)的一種，但是傳統(tǒng)注漿支護(hù)工藝主要對注漿區(qū)施工鉆孔，然后安裝注漿管，采用注漿泵進(jìn)行高壓注漿施工，該方法注漿時(shí)存在以下幾方面缺陷：頂板破碎嚴(yán)重采用單一注漿支護(hù)施工時(shí)，注漿孔施工難度大、注漿效果差；傳統(tǒng)注漿施工時(shí)頂板布置注漿孔數(shù)量多，受鉆孔擾動(dòng)破壞影響，頂板破碎力度加劇；而注漿錨索支護(hù)主要對頂板先安裝注漿錨索，實(shí)現(xiàn)對注漿區(qū)不穩(wěn)定圍巖初步進(jìn)行控制，防止下沉，然后對注漿錨索進(jìn)行注漿施工，即實(shí)現(xiàn)了對圍巖進(jìn)行注漿加固作用，又實(shí)現(xiàn)了錨索的全錨支護(hù)作用，該支護(hù)技術(shù)具有支護(hù)工序簡單、支護(hù)質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2）注漿錨索結(jié)構(gòu)：注漿錨索長度為4.5 m、直徑為30 mm，錨索中部為中空狀，注漿錨索主要由托盤、錨索體、止?jié){塞、剛性注漿管、柔性注漿管、金屬膨環(huán)、主出漿孔、輔助出漿孔以及楔頭芯桿等部分組成，如圖1 所示。

圖1 中空注漿錨索結(jié)構(gòu)示意圖

3）支護(hù)工藝：注漿錨索代替?zhèn)鹘y(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索，每排布置3 根，注漿錨索布置間距為2.0 m，注漿錨索錨注后對外露端安裝一塊拱形托盤；注漿錨索安裝后在其中部安裝注漿軟管，并在錨索端頭安裝止?jié){塞，將注漿軟管另一端與注漿泵連接，然后進(jìn)行注漿施工。

3.2 JW 型錨索棚支護(hù)

1）注漿錨索施工完后對頂板施工JW 型錨索棚進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，JW 型鋼棚主要由JW 型鋼梁、恒阻錨索、鎖具等部分組成；其中JW 型鋼梁長度為5.0 m，鋼梁寬度為0.35 m，厚度為5 mm，鋼梁橫截面成“JW”型，如圖2 所示。每根鋼梁配套3 根長度為6.0 m、直徑為22 mm 的恒阻錨索，錨索間距為2.0 m。

圖2 JW 型錨索棚剖面示意圖

2）首先在頂板施工三個(gè)錨索支護(hù)孔，孔間距為2.0 m，錨索鉆孔深度為6.0 m、直徑為25 mm，錨索施工完后在其外露端安裝JW 型鋼梁，并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊；JW 型錨索棚布置排距為3.0 m。

3.3 L 型鋼帶支護(hù)

由于傳統(tǒng)護(hù)幫支護(hù)無法對巷道肩角煤柱進(jìn)行有效支護(hù)，導(dǎo)致肩角煤柱很容易出現(xiàn)垮落，所以決定對巷幫與頂板之間施工L 型鋼帶。

1）18105 輔運(yùn)順槽施工的L 型鋼帶短邊長度為0.6 m、長邊長度為1.0 m，短邊及長邊中部各焊制一個(gè)直徑為25 mm 支護(hù)孔，L 型鋼帶寬度為0.28 m。鋼帶長邊安裝在巷幫上，短邊安裝在頂板上。

2）首先在頂板及巷幫處各施工一個(gè)錨桿支護(hù)孔，其中頂板孔距巷幫間距為0.3 m，巷幫孔距頂板間距為0.5 m，頂板及巷幫分別采用兩根長度為1.5 m、直徑為20 mm 錨桿進(jìn)行固定。

4 結(jié)語

18105 輔運(yùn)順槽應(yīng)力區(qū)圍巖采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，對應(yīng)力區(qū)及兩幫安裝圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)，通過10 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，采取兩個(gè)支護(hù)技術(shù)后無法實(shí)現(xiàn)完全圍巖變形控制的目的，但是圍巖整體變形量大大減小，實(shí)測頂板下沉量為0.15 m，兩幫收斂量為0.24 m，下沉速度大大降低，保證了巷道掘進(jìn)安全，取得了顯著應(yīng)用成效。