高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)輸大巷中的應(yīng)用*

秦海忠

（晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西省晉城市，048000）

高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)輸大巷中的應(yīng)用*

秦海忠

（晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西省晉城市，048000）

結(jié)合成莊礦運(yùn)輸大巷工程地質(zhì)條件，分析了運(yùn)輸大巷失穩(wěn)破壞機(jī)理。根據(jù)破壞機(jī)理，采用數(shù)值模擬和工程類比方法，提出了運(yùn)輸大巷采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)大幅度可提高圍巖初期的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)剛度，使圍巖保持完整性和整體性，有效抑制圍巖的不連續(xù)變形，從而提高了圍巖自身的承載能力，在大幅度提高巷道掘進(jìn)速度的同時(shí)，也降低了巷道支護(hù)成本。

運(yùn)輸大巷 高預(yù)應(yīng)力 巷道支護(hù) 強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)

隨著煤礦巷道埋深的增加，大量難支護(hù)困難巷道開(kāi)始涌現(xiàn)，如千米深井巷道、膨脹軟巖巷道、沖擊地壓巷道、動(dòng)壓影響巷道及多巷布置的巷道群等，這些巷道具有的共同特點(diǎn)為巷道變形大、破壞嚴(yán)重，即使采取多次返修，仍不能有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象，不能實(shí)現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)。

針對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)，部分學(xué)者提出了聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，聯(lián)合支護(hù)技術(shù)主要采用先柔性支護(hù)，使圍巖具有一定的變形量，然后再提高支護(hù)剛度，最終保持巷道圍巖穩(wěn)定。但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，初期的柔性支護(hù)不能有效控制圍巖變形，變形破壞后的圍巖自承載能力弱，整體性差，即使后期采取高剛度支護(hù)方法也不能有效控制巷道變形。針對(duì)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)存在的問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者提出了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)，通過(guò)采用高強(qiáng)錨索、高強(qiáng)錨桿并匹配合理的護(hù)表構(gòu)件，錨網(wǎng)索安裝初期施加較大的預(yù)應(yīng)力，大幅度提高圍巖初期的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)剛度，使圍巖保持完整性和整體性，從而提高圍巖自身的承載能力，以控制圍巖的有害變形。

本文以成莊礦15#煤層運(yùn)輸大巷為實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)支護(hù)后的巷道變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析巷道變形量，驗(yàn)證高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)在成莊礦15#煤層運(yùn)輸大巷中應(yīng)用的可行性。

1　高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)原理

康紅普、侯朝炯等提出了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論，通過(guò)提高錨桿支護(hù)初期的預(yù)緊力，有效強(qiáng)化煤巖體弱面和各種裂隙，提高巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，對(duì)圍巖具有很好的強(qiáng)化作用，該支護(hù)原理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）巷道開(kāi)挖初期，圍巖主要以裂隙張開(kāi)、錯(cuò)動(dòng)和滑移等不連續(xù)變形為主，通過(guò)采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)，及時(shí)主動(dòng)控制圍巖不連續(xù)變形的發(fā)展，從而大大提高圍巖的自承載能力。

（2）巷道圍巖具有臨界支護(hù)剛度和支護(hù)強(qiáng)度。只有支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)剛度和強(qiáng)度大于圍巖的臨界值時(shí)，圍巖才能保持穩(wěn)定，采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索和高預(yù)緊力可以大大提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度，從而可以有效控制巷道圍巖的變形。

（3）高預(yù)緊力強(qiáng)力錨索將錨桿加固的淺層圍巖和深部圍巖結(jié)合起來(lái)，從而提高加固圍巖的厚度和強(qiáng)度，使深部圍巖和淺部圍巖共同承載。

（4）巷道圍巖控制堅(jiān)持一次支護(hù)原則，如圍巖多次返修和支護(hù)易造成圍巖不連續(xù)變形的增加，使圍巖整體性和完整性進(jìn)一步弱化，增加了巷道支護(hù)難度。

2　工程應(yīng)用

2.1工程地質(zhì)條件

工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)為成莊礦15#煤層運(yùn)輸大巷，成莊礦15#煤層位于太原組一段上部，上距K2石灰?guī)r0～2.5 m，下距K1砂巖0～25.80 m。煤層穩(wěn)定，厚度較大，煤厚1.29～5.63 m，平均3.68 m，一般在3.00 m以上，中部及西北部較厚。煤層含夾矸0～7層，一般1～4層，夾矸厚0.10～0.30 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其厚度變異系數(shù)為16%，可采性指數(shù)為1，屬全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層。頂板為K2石灰?guī)r，個(gè)別地段為泥巖或含鈣泥巖。底板為泥巖，局部為粉砂巖。

15#煤層屬于高瓦斯煤層，上距3#煤層約84 m，最大埋深684.27 m。15#煤層北翼盤(pán)區(qū)大巷基本與上部3#煤層三盤(pán)區(qū)巷道上下重疊，15#煤層一盤(pán)區(qū)帶式輸送機(jī)巷與相鄰的一盤(pán)區(qū)軌道巷、一盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷之間的煤柱帶中-中為30 m，均沿15#煤層布置，巷道沿15#煤層頂板掘進(jìn)，巷道頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖。

在運(yùn)輸大巷掘進(jìn)的過(guò)程中，巷道變形嚴(yán)重，尤其是幫部出現(xiàn)大量網(wǎng)兜，大量噴層開(kāi)裂，底板鼓起，巷道變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)運(yùn)輸。

2.2運(yùn)輸大巷失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

（1）多條大巷相互影響。運(yùn)輸大巷與軌道大巷、回風(fēng)大巷之間的煤柱為30 m。掘進(jìn)過(guò)程中，大巷之間由于受相互采動(dòng)影響，所以巷道之間的集中應(yīng)力較大。地應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，最大水平主應(yīng)力在8.75～10.44 MPa之間，最小水平主應(yīng)力在4.65～5.54 MPa之間，垂直應(yīng)力在8.49～8.55 MPa之間，地應(yīng)力整體屬于中等應(yīng)力偏低區(qū)，但由于大巷之間相互影響，導(dǎo)致巷道之間的垂直集中應(yīng)力可以達(dá)到25 MPa以上，屬于高集中應(yīng)力，高集中應(yīng)力增加了巷道支護(hù)難度。

（2）頂板強(qiáng)度高，幫部強(qiáng)度較低。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)窺視和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，15#煤層頂板巖層為石灰?guī)r，強(qiáng)度較大，平均單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到110 MPa左右，而幫部煤體的強(qiáng)度較低，僅12.89 MPa，且煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，風(fēng)化后煤體更加破碎，再由于大巷斷面較大，巷道幫部極不穩(wěn)定，巷幫變形嚴(yán)重。

（3）原有支護(hù)方式不科學(xué)。原來(lái)的大巷支護(hù)強(qiáng)度較低，且只注重巷道頂板支護(hù)，不重視巷道幫部支護(hù)，15#煤層頂板為石灰?guī)r，所以其頂板變形通常較小，而幫部煤體強(qiáng)度低，必須加強(qiáng)幫部支護(hù)。而原有的支護(hù)構(gòu)件不匹配，如沒(méi)有采用減磨墊片、調(diào)心球墊，護(hù)表構(gòu)件與圍巖接觸面積小，不能有效施加高預(yù)緊力。

3　運(yùn)輸大巷支護(hù)方案及效果評(píng)價(jià)

3.1支護(hù)設(shè)計(jì)方法

目前，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要采用動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法，動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法主要分兩步，首先，對(duì)運(yùn)輸大巷試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，在地質(zhì)力學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方法和工程類比設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，確定運(yùn)輸大巷初始設(shè)計(jì)；其次，按照初始設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，并對(duì)施工過(guò)程中的質(zhì)量進(jìn)行控制，對(duì)試驗(yàn)巷道的礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，通過(guò)礦壓數(shù)據(jù)信息來(lái)反饋初始設(shè)計(jì)，最后對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，從而形成最終設(shè)計(jì)。

3.2支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，確定運(yùn)輸大巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案如下:

巷道頂板采用規(guī)格為?22 mm×2400 mm、屈服強(qiáng)度為500 MPa的高強(qiáng)錨桿，采用K2335和Z2360樹(shù)脂錨固劑錨固，錨固長(zhǎng)度1200 mm，頂板錨桿間排距1200 mm×1100 mm，每排5根錨桿，護(hù)表構(gòu)件采用金屬網(wǎng)配合鋼筋托梁，網(wǎng)孔為50 mm ×50mm，聯(lián)網(wǎng)處孔孔相連，每排打設(shè)兩根錨索，錨索間排距2400 mm×2200 mm，錨索規(guī)格?22 mm×7300 mm，樹(shù)脂藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度1970 mm。

幫部錨桿與頂幫錨桿相同，幫部錨桿間排距950 mm×1000 mm，每排布置4根錨桿。

錨桿均使用匹配的減磨墊片、調(diào)心球墊及拱形托板，錨桿預(yù)緊扭矩均為200 N·m，錨索預(yù)緊力150 k N。

3.3支護(hù)效果分析

對(duì)運(yùn)輸大巷試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了表面位移監(jiān)測(cè)，采用十字布點(diǎn)法在距運(yùn)輸大巷與軌道大巷聯(lián)絡(luò)巷50 m和100 m處的運(yùn)輸大巷中各安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)站1和測(cè)站2，測(cè)站1的頂?shù)装甯靼苍O(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩幫各安設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭臀灰屏?。測(cè)站1處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明頂板下沉量較小，幾乎為0，兩幫收縮量也不大，最大僅90 mm，巷道掘進(jìn)后20 d左右圍巖已經(jīng)保持穩(wěn)定。測(cè)站2的表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與測(cè)站1的基本相同，頂板下沉量同樣較小，僅25 mm，兩幫收縮量80 mm。

由于采用高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)方案，錨桿的支護(hù)密度降低，預(yù)緊力提高，運(yùn)輸大巷平均掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到500 m/月，與采用原支護(hù)大巷平均掘進(jìn)進(jìn)尺370 m/月相比，掘進(jìn)速度提高了35.1%。對(duì)優(yōu)化前后的支護(hù)方案的支護(hù)成本進(jìn)行了核算對(duì)比可知，原支護(hù)方案支護(hù)總成本（包括人工、機(jī)械和材料費(fèi)用）為13486元/m，優(yōu)化后的支護(hù)總成本為9673元/m，巷道成本節(jié)省了3813元/m，節(jié)約巷道支護(hù)成本28.27%。

采用高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)降低了巷道的變形量，提高了錨桿支護(hù)的可靠性，取得了明顯支護(hù)效果。從巷道支護(hù)材料、巷道維護(hù)費(fèi)用和人工費(fèi)用三方面降低了支護(hù)成本，提高了巷道掘進(jìn)速度，經(jīng)濟(jì)效益得到提高。新支護(hù)方案及時(shí)抑制了圍巖早期變形，保證了服務(wù)期間巷道的穩(wěn)定和安全，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)是一種安全、有效和經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式。

4　結(jié)論

（1）測(cè)定了成莊礦下組煤地應(yīng)力大小、方向和運(yùn)輸大巷頂、幫煤巖體強(qiáng)度，確定了運(yùn)輸大巷失穩(wěn)破壞的主要原因?yàn)槎鄺l大巷相互影響、頂板強(qiáng)度高、幫部強(qiáng)度較低及原有支護(hù)方式不科學(xué)。

（2）針對(duì)成莊礦運(yùn)輸大巷失穩(wěn)破壞機(jī)理，提出了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，及時(shí)控制圍巖的不連續(xù)變形。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)下的巷道變形量小，在降低支護(hù)成本的同時(shí)，也大大提高了掘進(jìn)速度，是一種安全、有效和經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式。

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Application of strong support system with high prestress force in main haulageway

Qin Haizhong
（Chengzhuang Coal Mine，Jincheng Blue Flame Coal Industry Co.，Ltd.，Jincheng，Shanxi 048000，China）

Based on the engineering geological conditions of main haulageway in Chengzhuang Coal Mine，the unstable failure mechanism of main haulageway was analyzed.According to the failure mechanism，the design scheme that the main haulageway adopted strong support system with high prestress force was put forward by using numerical simulation and engineering analogy method，and the test with the design scheme was conducted.The results showed that the support system greatly raised the supporting intensity and supporting stiffness of surrounding rock at the initial stage，kept the surrounding rock unbroken and integral，and effectively suppressed the deformation of the surrounding rock，so improved the bearing capacity，which greatly raised the roadway excavation speed and reduced the costs of roadway support.

main haulageway，high prestress force，roadway support，strong support system

TD353

A

秦海忠（1971-），男，碩士，工程師，山西高平人，現(xiàn)任晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦副總工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)與管理。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1261211），國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAB13B02），科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目（2014 MS037）