錨索聯(lián)合支護(hù)在煤層巷道的應(yīng)用

李育新

山西朔州市煤炭設(shè)計(jì)研究院，山西朔州 036800

朔州市興陶煤礦103采區(qū)運(yùn)輸、軌道上山為全煤巷道，布置在石炭二疊紀(jì)太原組4#層中，直達(dá)礦井北部邊界，分別與主運(yùn)大巷、主回風(fēng)大巷相連，單巷長(zhǎng)度1 300m，其中運(yùn)輸上山沿底板布置，軌道上山沿頂板布置，巷道斷面4×4m，2009年11月103采區(qū)形成生產(chǎn)能力，目前巷道斷面縮小，長(zhǎng)度為3.69m，高度為3.58m，巷道斷面較原巷道斷面縮小17%。巷道底板鼓起，皮帶輸送機(jī)機(jī)架?chē)?yán)重變形，無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 煤層特征表

1 全煤巷道圍巖變形破壞特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)頂、底板位移量的觀察，頂板離層下降、底板鼓起，巷道兩幫片幫嚴(yán)重。表明：1）在各種斷面形狀的巷道中，圓形和橢圓形巷道的應(yīng)力集中系數(shù)最低；2）巷道平直周邊上容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以平直周邊往往比曲線周邊容易破壞；3）巷道周邊的拐角處存在很大的剪應(yīng)力；4）巷道斷面的高寬比對(duì)圍巖應(yīng)力分布有很大影響。重力應(yīng)力（垂直應(yīng)力）向巷道兩側(cè)偏移，使巷道兩幫向里移動(dòng)，并發(fā)片幫現(xiàn)象，水平應(yīng)力向頂、底板轉(zhuǎn)移，引起頂板離層下降和底板鼓起，使頂、底板位移加大。

2 應(yīng)力集中效應(yīng)顯現(xiàn)

朔州市興陶煤礦103采區(qū)的運(yùn)輸、軌道上山全煤巷道，為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)煤巷巷道。1）在巷道掘進(jìn)階段，巷道的掘進(jìn)破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起了圍巖應(yīng)力重新分布，表現(xiàn)為圍巖立即產(chǎn)生移動(dòng)和變形；2）無(wú)采掘影響階段，這個(gè)階段的圍巖移動(dòng)主要是由于圍巖在塑性狀態(tài)下的流變所引起，即變形量是時(shí)間的函數(shù)；3）采動(dòng)影響階段，當(dāng)采煤工作面接近該區(qū)域時(shí)，由于工作面前方及采空區(qū)兩側(cè)支承壓力的影響，使圍巖應(yīng)力再次重新分布；4）采動(dòng)影響穩(wěn)定階段，這是巷道圍巖經(jīng)受一次采動(dòng)影響后重新進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，固其圍巖移動(dòng)特征基本上與無(wú)采掘影響階段類(lèi)似；5）二次采動(dòng)影響階段。處于采動(dòng)影響穩(wěn)定階段的巷道，在下區(qū)段回采時(shí)，此巷道又將受另一工作面開(kāi)采支承壓力的影響，從而引起圍巖的進(jìn)一步失穩(wěn)與移動(dòng)。

3 支護(hù)機(jī)理分析及試驗(yàn)方案

2010 年初，朔州市煤炭設(shè)計(jì)研究院受礦方委托，進(jìn)行巷道維護(hù)試驗(yàn)，根據(jù)興陶礦頂、底板巖層條件，確定采用錨索、錨桿聯(lián)合組合支護(hù)，即全長(zhǎng)樹(shù)脂錨固的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿＋金屬網(wǎng)＋W型鋼帶＋樹(shù)脂錨固小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索。高強(qiáng)錨桿以加固作用為主，使其錨固范圍內(nèi)的頂煤形成“錨固平衡拱”；錨索以懸吊作用為主，把潛在冒落范圍內(nèi)的頂煤懸吊在上部比較穩(wěn)定的頂板巖層上，加大“錨固平衡拱”厚度，阻止頂煤下沉及冒落。使錨桿支護(hù)的三種理論：懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論有機(jī)結(jié)合。煤幫錨桿采用18mm金屬錨桿。錨桿間距1.2m，錨索間距1.5m，排距1.0m，呈五花眼布置。首先從采區(qū)下部車(chē)場(chǎng)開(kāi)始，沿巷道中線擴(kuò)幫至4m，沿巷道腰線及原底板傾角8°起底清理底板，挑頂，到原巷道高度4m，每清理1.2m立即補(bǔ)上錨桿，每清理1.5m立即打上錨索。巷道兩幫錨桿間距1.2m，錨索間距1.5m，排距1.0m，呈五花眼布置。

4 全煤巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機(jī)理研究

隨著我院錨桿錨索支護(hù)的深入研究表明，其懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論，無(wú)法對(duì)全煤巷道支護(hù)提供理論支持，特別是錨桿支護(hù)對(duì)于提高圍巖（特別是松散圍巖）自身的最大承載能力沒(méi)有明顯效果。全煤巷道的關(guān)鍵技術(shù)主要是治頂，只要維持頂煤的穩(wěn)定，就能保證巷道圍巖的基本穩(wěn)定。而全長(zhǎng)錨索錨桿的作用就是通過(guò)對(duì)其錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)的煤體提供軸向和橫向約束，可有效地阻止煤塊體之間的相互錯(cuò)動(dòng)，防止錨固體的松散變形，保持錨固體的整體性，從而提高頂煤的承載能力和穩(wěn)定性。

103 采區(qū)上山巷道頂板為層狀巖層或松散煤體，需采取錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式，用金屬網(wǎng)及W型鋼帶把錨桿聯(lián)結(jié)起來(lái)，從而對(duì)頂煤起到整體加固作用。此外，由于頂煤與巖層界面上容易產(chǎn)生離層現(xiàn)象，導(dǎo)致頂煤下沉，當(dāng)錨固體不能承受頂板壓力時(shí)，甚至?xí)斐身敯迕奥?。在這種條件下，最有效的方法就是采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索的錨固深度大，承載能力高，并可施加100kN以上的預(yù)緊力，因此可以有效地增加關(guān)鍵承載環(huán)的厚度，起到防止頂煤破壞冒落的作用。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)6個(gè)月的緊張施工，103采區(qū)的運(yùn)輸、軌道上山巷道頂幫全部完成，從2010年7月開(kāi)始到2011年3月，進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，煤體的整體性和穩(wěn)定性較好，頂煤平均下沉量度為22.0mm，兩幫相對(duì)移近量平均17.5mm，巷道斷面平均收縮率僅為2.5%。采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)全煤巷道，極大地控制了巷道圍巖的變形與破壞，保持了巷道圍巖的整體性和穩(wěn)定性，保證了103采區(qū)的運(yùn)輸、軌道上山巷道在整個(gè)服務(wù)期間內(nèi)不進(jìn)行任何維修，同時(shí)將錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)運(yùn)用到綜采工作面得運(yùn)輸、回風(fēng)平巷，使端頭支架的超前支護(hù)拆棚、替棚維護(hù)工序大為簡(jiǎn)化，改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)環(huán)境，為103采區(qū)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

通過(guò)礦壓連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在全煤巷道中，可以經(jīng)受回采時(shí)，動(dòng)壓對(duì)圍巖影響，保持巷道不受破壞。

全煤巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，不但具有顯著的技術(shù)成果，而且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，與傳統(tǒng)的工字鋼梯形支護(hù)費(fèi)用相比較，每米巷道可節(jié)約92元，整個(gè)工程共減少成本24萬(wàn)元。

[1]錢(qián)鳴高，劉昕成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

[2]岑傳鴻.采場(chǎng)頂板控制及監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[3]賈喜榮.礦山巖石力學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1997.