“兩軟一硬”煤層巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

許進(jìn)軍

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030000)

煤炭在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右，2012年我國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到35多億t，其中大部分為井工開(kāi)采。井工開(kāi)采需要再地下開(kāi)挖大量的巷道，“兩軟一硬”煤層是指煤層比較堅(jiān)硬，但是頂板和底板比較軟，是一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。某礦7#煤層開(kāi)采過(guò)程中，周期來(lái)壓步距為12m，其工作面老頂屬于堅(jiān)硬頂板，底板屬于松軟巖層，屬于典型的“兩軟一硬”煤層?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)密度很高的情況下，開(kāi)采工程中仍然出現(xiàn)采面整體支護(hù)強(qiáng)度偏低的情況，給煤礦巷道掘進(jìn)安全生產(chǎn)帶來(lái)了很大的隱患，影響了采面的正常接替，是該礦當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

1 工程概況

某煤礦7#煤層位于-420m水平，煤層直接頂板多為厚而堅(jiān)硬的灰白色中粒巖屑石英砂巖(K1大占砂巖)，東北端及中部零星部位直接頂板為深灰色粉砂巖和砂質(zhì)泥巖；底板為深灰色砂質(zhì)泥巖，偽底為炭質(zhì)泥巖和灰色根土泥巖。煤厚0～11.57m，平均3.73m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬較穩(wěn)定偏不穩(wěn)定型厚煤層。煤層賦存標(biāo)高+250m～-430m，埋深90～755m。原采用Φ22mm×1800mm的錨桿全長(zhǎng)水泥藥卷錨固，間距0.4m，排距0.8m，特種加固措施為在頂部布置3根Φ14mm×6m的鋼絞線(xiàn)錨索，排距2.5m。該支護(hù)方式在巷道開(kāi)掘后60d就出現(xiàn)較大變形，難以維護(hù)。

表1 “兩軟一硬”煤層頂?shù)装鍘r層性質(zhì)

2 錨桿聯(lián)合支護(hù)機(jī)理

錨桿支護(hù)的形式主要有錨網(wǎng)、錨梁、錨鋼帶和錨網(wǎng)梁等等，是一種主動(dòng)支護(hù)方式。錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)涉及到支護(hù)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)施工、支護(hù)材料等多個(gè)方面，是一個(gè)系統(tǒng)工程。巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。井下的開(kāi)挖工程，破壞了巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，由靜水圍壓狀態(tài)變?yōu)榕R空自由面的法向受力，引起了巷道周邊的巖體產(chǎn)生法向位移，于是巷道進(jìn)入被持續(xù)破壞的過(guò)程，破壞首先是從巷道臨空自由面開(kāi)始向巷道內(nèi)層層剝落。巷道位移產(chǎn)生后，破碎巖體又產(chǎn)生反向彈性應(yīng)力，然后再次形成應(yīng)力平衡。要形成這種應(yīng)力平衡，就必須保證煤巖體的完整性。錨桿主動(dòng)支護(hù)效果恰恰是體現(xiàn)在錨桿的預(yù)應(yīng)力，當(dāng)錨桿置入圍巖體內(nèi)時(shí)，預(yù)應(yīng)力能夠使破碎巖體承受一定的彈性變形，形成具有支護(hù)作用的應(yīng)力拱。前人研究的組合梁理論、松動(dòng)圈理論、錨桿桁架理論的核心思想都是在失去穩(wěn)定的圍巖上，通過(guò)錨桿等施加一個(gè)約束力，結(jié)合錨梁網(wǎng)等整體提高破碎圍巖的抗剪切、抗壓強(qiáng)度。錨桿對(duì)圍巖體的約束作用主要體現(xiàn)在一下方面：①錨桿對(duì)圍巖體施加的預(yù)應(yīng)力，提高了圍巖的完整性，增加了圍巖的抗變形能力；②錨桿錨固于巖體深部，錨桿具有一定拉力，可以懸吊不穩(wěn)定巖層；③錨桿阻止了巖層間的相對(duì)滑動(dòng)，增加了破碎巖體之間摩擦力，形成組合梁。

3 “兩軟一硬”工作面順槽巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 工作面順槽支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)巷頂錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)：錨桿選擇：頂板錨桿桿材選用螺紋鋼等強(qiáng)預(yù)拉力錨桿，加M型鋼帶、金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為：M24-Φ22×2400mm?？紤]巷道寬度、圍巖巖性等，設(shè)計(jì)取錨桿間排距為900×800mm。錨桿預(yù)緊力不小于60kN，錨固力不低于120kN。

煤巷幫錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)：巷道兩幫采用螺紋鋼等強(qiáng)預(yù)拉力錨桿、金屬菱形網(wǎng)，錨桿規(guī)格：上幫 M24-Φ22×2400mm，下幫 M22-Φ20×1800mm，σb＝420MPa。 幫錨桿間排距為 900mm×800mm，加 π2 型鋼帶和金屬托盤(pán)，每根錨桿采用兩節(jié)Z2550型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨桿預(yù)緊力不小于30kN。錨固力不低于40kN。

錨索設(shè)計(jì)參數(shù)：錨索的長(zhǎng)度取為6.5m，錨索間距為2.2米，距巷道中心線(xiàn)1.1m各安設(shè)一根錨索，錨索排距與錨桿排距相同為800mm，見(jiàn)圖1。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2 回采期間的巷道支護(hù)效果

0114工作面機(jī)巷在回采期間的總體變形量較小，根據(jù)巷道內(nèi)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)，一般兩幫變形在300mm左右，底臌量一般在400mm左右。巷道各段變形量不一，根據(jù)巷道內(nèi)設(shè)的變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)，巷道U型棚支護(hù)段兩幫變形一般在1000mm，底臌量在600mm左右，頂板下沉量在300mm左右；巷道錨網(wǎng)支護(hù)段兩幫變形量在900mm左右，底臌量在600mm左右，頂板下沉量在200mm左右。礦壓觀(guān)測(cè)表明，采用錨網(wǎng)索支護(hù)有效的維護(hù)了巷道的穩(wěn)定，“兩軟一硬”煤層工作面順槽適于采用錨網(wǎng)索這一主動(dòng)支護(hù)方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)礦區(qū)的錨桿使用量達(dá)占到了巷道支護(hù)的90%以上。錨桿支護(hù)是我國(guó)煤礦支護(hù)方式中使用最為廣泛的支護(hù)方式，錨桿支護(hù)技術(shù)能夠顯著提高破碎圍巖的支護(hù)效果，同時(shí)能夠減輕工人的支護(hù)工作量，是一種高效、經(jīng)濟(jì)、安全的支護(hù)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明：錨網(wǎng)帶索聯(lián)合支護(hù)從技術(shù)和效益兩方面都明顯優(yōu)于單一支護(hù)，能夠滿(mǎn)足“兩軟一硬”煤層支護(hù)要求，控制了高地應(yīng)力復(fù)合頂板突出煤層巷道的強(qiáng)烈變形，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性，抑制了冒頂和片幫等情況的發(fā)生，保證了巷道安全性。

［1］馬念杰，賈明魁，趙慶彪，劉少偉.煤巷錨桿支護(hù)新技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［2］康紅普.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.