讓壓支護(hù)技術(shù)在動(dòng)壓影響巷道中的應(yīng)用研究

辛衛(wèi)軍

（陽煤集團(tuán)山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

陽煤集團(tuán)新元煤業(yè)近幾年來隨著生產(chǎn)能力的提高，造成采掘接替緊張，為保證產(chǎn)量，在同一采區(qū)臨近工作面回采與掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，受回采動(dòng)壓影響，掘進(jìn)巷道礦山壓力顯現(xiàn)明顯變形嚴(yán)重，掘進(jìn)期間巷道頂板下沉量在80mm左右，兩幫移進(jìn)量在150～600mm不等，且靠近采空區(qū)一側(cè)的煤幫受工作面回采超前及側(cè)向支承壓力影響，巷道錨桿、錨索時(shí)常發(fā)生斷裂，需及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、臥底及刷幫等巷道維修工程，巷道維修量大，往往導(dǎo)致生產(chǎn)進(jìn)度滯緩、采掘接替緊張等局面，影響礦井安全生產(chǎn)。因此，必須對(duì)受回采動(dòng)壓影響巷道支護(hù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，確定合理的主動(dòng)支護(hù)參數(shù)，有效遏制巷道變形，保證掘進(jìn)工作面的正常推進(jìn)。

1 工作面概況

新元煤業(yè)8103回采工作面5103回風(fēng)順槽，距8102綜采工作面30m左右。5103回風(fēng)順槽主要是為8103回采采煤工作面回風(fēng)及行人、運(yùn)料、管線敷設(shè)等服務(wù)。本巷道布置在煤層中，類別屬于半煤巖巷、全煤巷。正常段沿煤層底板掘進(jìn)。5103回風(fēng)順槽斷面為距形，掘?qū)挕辆蚋撸?200mm×3900mm，采用一臺(tái)EBZ－318H型綜掘機(jī)掘進(jìn)。目前8102工作面正在回采中，距離停采線還有2300多米，5103回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過程中與8102綜采工作面形成對(duì)掘的局面，5103回風(fēng)順槽與8102綜采工作面的關(guān)系見圖1。由圖1可知：5103回風(fēng)順槽受8102工作面推進(jìn)造成的應(yīng)力變化，該巷道掘進(jìn)時(shí)的礦壓顯現(xiàn)情況可分為以下三個(gè)部分：①8102工作面尚未進(jìn)行回采，5103工作面回風(fēng)順槽在實(shí)體煤中進(jìn)行掘進(jìn)；②8102工作面已經(jīng)回采，8102工作面產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力處于劇烈活動(dòng)期，5103回風(fēng)順槽為受劇烈側(cè)向采動(dòng)影響的小煤柱沿空掘巷；③8102回采后，采動(dòng)引起的側(cè)向支撐壓力已經(jīng)處于穩(wěn)定階段，5103回風(fēng)順槽在應(yīng)力降低區(qū)進(jìn)行沿空掘進(jìn)。前兩處巷道掘進(jìn)段，受回采動(dòng)壓影響，尤其是工作面構(gòu)成，回采時(shí)巷道變形量大，支護(hù)效果不理想。

圖1 5103回風(fēng)順槽與8102綜采工作面的關(guān)系示意

2 巷道特點(diǎn)及變形原因分析

2.1 巷道特點(diǎn)

5103回風(fēng)順槽掘進(jìn)與普通的小煤柱沿空掘巷相比具有以下特點(diǎn)：（1）煤柱尺寸為30m左右；（2）巷道埋藏深度不大，在500m左右；（3）5103回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道上方有3m左右的頂煤，在掘進(jìn)期間經(jīng)常出現(xiàn)頂板煤體高冒現(xiàn)象；（4）5103回風(fēng)順槽在掘進(jìn)時(shí)，通過上面的介紹可以看出，掘進(jìn)的巷道根據(jù)受力狀況分為三部分，第一部分為巷道與8102綜采工作面碰頭前，第二部分為與工作面碰頭后的200m范圍內(nèi)，第三部分為一般意義上的留煤柱沿空掘進(jìn)。

2.2 變形原因分析

（1）5103回風(fēng)順槽巷道在8102綜采工作面回采前掘進(jìn)，此部分巷道所經(jīng)歷的應(yīng)力變化比一般沿空掘巷復(fù)雜，其特點(diǎn)是：a、巷道在原巖應(yīng)力影響下掘進(jìn)；b、巷道圍巖和支護(hù)系統(tǒng)將承受一定的附加應(yīng)力（8102工作面超前支承壓力）和產(chǎn)生附加變形；c、受8102綜采工作面回采產(chǎn)生側(cè)向支承壓力的影響，巷道圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的主要受力和變形主要集中在此階段；d、8103綜采工作面回采時(shí)超前支承壓力的影響：此過程和一般沿空掘巷類似，此階段巷道的變形會(huì)非常劇烈，在小煤柱沿空掘巷條件下尤其嚴(yán)重。

（2）8102綜采工作面回采后，采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力分布尚未趨于穩(wěn)定，5103回風(fēng)順槽為受采動(dòng)影響的沿空掘巷，其區(qū)別于第一部分的特點(diǎn)是巷道掘進(jìn)時(shí)是沿空掘巷，受到的壓力影響主要是第一部分巷道中c、d兩個(gè)階段。由于8102綜采工作面采空區(qū)應(yīng)力分布還不是很穩(wěn)定，還是要受到頂板巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巷道的影響，而且受到側(cè)向支承壓力的影響，巷道變形比較嚴(yán)重。

3 巷道支護(hù)參數(shù)分析

由于錨桿的受力變化要經(jīng)過3個(gè)階段，尤其是在巷道掘進(jìn)開始階段，頂板壓力釋放最劇烈并且變形量最大。根據(jù)井下巷道觀測(cè)，巷道的破壞形式為典型的留煤柱沿空掘巷巷道破壞顯現(xiàn)。對(duì)于此種巷道（以5103回風(fēng)順槽在8102綜采工作面回采前掘進(jìn)段為例）必須對(duì)圍巖應(yīng)力－變形關(guān)系進(jìn)行研究，以此設(shè)計(jì)合理的錨桿支護(hù)參數(shù)。

1）錨桿類型、長(zhǎng)度、直徑：鑒于巷道受交鋒雙次動(dòng)壓影響，采用整體耦合高位讓均壓應(yīng)力顯示錨桿。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)看，在破碎帶和超前壓力帶，頂板變形很大，大部分錨桿處于失效狀態(tài)，原因之一是錨桿的長(zhǎng)度不夠。5103回風(fēng)順槽經(jīng)過交鋒動(dòng)壓和超前壓力的兩次影響，其松散破碎圈范圍比皮帶順槽要大的多，所以，設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度為2500mm。

2）支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：考慮到巷道支護(hù)需承受兩次超前支承壓力及一次側(cè)向支承壓力影響，設(shè)計(jì)錨桿的預(yù)應(yīng)力應(yīng)小于錨桿桿體屈服強(qiáng)度的50%，由于錨桿受力不均及性質(zhì)不可預(yù)測(cè)的因素，設(shè)計(jì)中采用2倍的安全系數(shù)，錨桿的最小屈服強(qiáng)度為：〔4～6＋（4～6）×50%〕×2＝12～18（t），設(shè)計(jì)采用Q600號(hào)，直徑為20mm無縱筋左旋螺紋鋼，其屈服噸位為19t，最大抗拉強(qiáng)度為25t。

3）支護(hù)系統(tǒng)的安裝載荷（預(yù)應(yīng)力）：由于巷道頂板為為3m厚煤層，煤體強(qiáng)度較低，節(jié)理裂隙較發(fā)育，長(zhǎng)期支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和有限元分析表明，對(duì)于此種類型的頂板，錨桿的預(yù)應(yīng)力為4～6t，為了保證均勻的安裝應(yīng)力，錨桿上的應(yīng)力顯示泡設(shè)置為4～6t，安裝時(shí)必須壓扁。

4）支護(hù)系統(tǒng)的可變形性及讓壓性：由于對(duì)于不同的支護(hù)系統(tǒng)，圍巖的變形程度具有很大差別，為保證錨桿體上讓壓裝置的參數(shù)符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求，對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)散點(diǎn)做出的回歸擬和曲線見圖2。根據(jù)回歸擬和曲線圖，讓壓結(jié)構(gòu)的回歸曲線方程和實(shí)際參數(shù)如下：

根據(jù)參數(shù)公式得：讓壓點(diǎn)載荷為17t；讓壓穩(wěn)定系數(shù)W＝0.16t／mm；最大彈性讓壓距離為26mm。由R2＝0.91245可知：該讓壓裝置的參數(shù)可靠，裝置性能穩(wěn)定。

圖2 試驗(yàn)散點(diǎn)和回歸擬和曲線

綜上所述：以5103回風(fēng)順槽在8102綜采工作面回采前掘進(jìn)段，頂錨桿采用耦合讓壓應(yīng)力顯示錨桿，規(guī)格為Φ＝20mm，L＝2500mm；排間距1000mm×920mm；高強(qiáng)球型托盤為150mm×150mm×10mm；W型鋼帶為4900 mm×280mm×3mm；幫錨桿采用耦合讓壓應(yīng)力顯示錨桿，規(guī)格為Φ＝20mm，L＝2200mm；排間距1000mm×1000mm；高強(qiáng)球型托盤150mm×150mm×10mm；縱橫向雙向加強(qiáng)護(hù)幫板為450mm×280mm×4.75mm（支護(hù)斷面示意見圖3）。

圖3 支護(hù)斷面示意

4 支護(hù)效果分析

5103回風(fēng)順槽經(jīng)受8102工作面采動(dòng)影響，采用原支護(hù)方案時(shí)，在巷道施工中累計(jì)崩斷錨桿35根，且頂板下沉量大，巷道底鼓嚴(yán)重。采用新支護(hù)方案后，為了確保錨桿、錨索達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行錨桿的拉拔力試驗(yàn)，由于所做試驗(yàn)為非破壞性試驗(yàn)，故拉拔力達(dá)到錨桿的屈服強(qiáng)度后停止繼續(xù)給錨桿施加拉力（部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1）。從表中1可以看出，在不破壞錨桿本身性能的前提下，直徑20mm、屈服強(qiáng)度為600的蛇形錨桿拉拔力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因本次試驗(yàn)為非破斷性試驗(yàn)，安全起見，當(dāng)錨桿加載力接近桿體屈服強(qiáng)度時(shí)即停止加壓。由此亦可見錨固劑、鉆孔和桿體“三徑”匹配較好，錨固力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。頂板與兩幫最大移近量分別為50mm、90mm，巷道圍巖變形得到有效控制。

表1 5103回風(fēng)順槽錨桿拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

1）通過分析、采用規(guī)格為Φ20mm，L2500mm耦合讓壓應(yīng)力顯示錨桿后，未出現(xiàn)錨桿拉斷現(xiàn)象，頂板與兩幫最大移近量分別為50mm、90mm，巷道圍巖變形得到有效控制。

2）與原支護(hù)方案相比，該支護(hù)方案在進(jìn)一步提高支護(hù)效果的情況下，巷道的主要直接支護(hù)費(fèi)用由原來的2295.19元／m降低到1579.30元／m，每米支護(hù)直接費(fèi)用降低了715.89元，在保證巷道圍巖變形得到控制的同時(shí)，提高了礦井經(jīng)濟(jì)效益。