綜采工作面厚層頂板兩巷支護(hù)技術(shù)研究

摘 要：本文以某煤礦1311（1）工作面兩巷為例，開(kāi)展新型錨桿強(qiáng)化支護(hù)體系的應(yīng)用研究，采用超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力組合錨桿及工字鋼對(duì)棚支護(hù)技術(shù)，通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度及各種補(bǔ)強(qiáng)措施，充分調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力，有效的控制了巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了巷道的穩(wěn)定，為工作面正常安全回采創(chuàng)造了條件，并為綜采工作面兩巷頂板支護(hù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：工作面；厚層頂板；錨桿

一、前言

某煤礦第一水平-826m，屬于典型的深部礦井，目前東翼主采的11號(hào)煤層頂?shù)装鍨楹駥訝钌百|(zhì)泥巖，兩巷支護(hù)難度極大。某煤礦1311（1）工作面是東部第二采區(qū)首采面，位于DF162–1斷層以南，F(xiàn)117斷層以北，F(xiàn)83斷層以西，西到設(shè)計(jì)的采區(qū)大巷，周圍及上下煤層均未開(kāi)采。該面煤層穩(wěn)定，煤層局部變薄，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，下部一般含一層泥巖夾矸，厚0.4～0.8m；受地質(zhì)構(gòu)造及沉積環(huán)境影響，煤厚沉積缺失0～2.8m，平均煤厚2.2m。東段發(fā)育三處變薄帶，煤厚沉積缺失0～2.4m，向西煤層穩(wěn)定，煤厚1.2～2.8m。沿順槽方向，煤層底板起伏不大，自西向東煤層底板逐漸上升，切眼傾角較大，局部8°～10°，煤層產(chǎn)狀傾向90～205°，傾角0～10°。工作面11-2直接頂為砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，垂向裂隙發(fā)育，滑面發(fā)育，較致密，富含植物化石碎片，11-2煤和11-3煤間距3.52～8.52m，平均5.96m；直接底以泥巖及11-1煤為主，灰色，其次為砂質(zhì)泥巖，頂?shù)装逑嘧兙^大。

二、巷道頂板維護(hù)特點(diǎn)及壓力顯現(xiàn)

1.維護(hù)特點(diǎn)

（1）該煤層局部變薄，局部下部一般含一層泥巖夾矸，煤層賦存整體壓力較大，幫部煤層自身強(qiáng)度較低，控制難度加大。

（2）巷道埋深大，某煤礦屬于典型的深部礦井，東部巷道圍巖比較脆，地質(zhì)條件復(fù)雜，支護(hù)問(wèn)題日益突出，成為制約安全生產(chǎn)的一大難點(diǎn)。

（3）巷道走向距離較長(zhǎng)，要求服務(wù)和維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)支護(hù)強(qiáng)度及維護(hù)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性有較高的要求。

（4）松軟復(fù)合底板在近乎無(wú)約束狀態(tài)將發(fā)生強(qiáng)烈破壞，但目前尚無(wú)簡(jiǎn)潔有效的底板控制技術(shù)，只能通過(guò)加強(qiáng)兩幫及底角支護(hù)來(lái)減緩底鼓，不能從根本上有效控制底板巖層離層鼓起失穩(wěn)。

2.壓力顯現(xiàn)

（1）頂板出現(xiàn)局部離層掉渣，在金屬網(wǎng)上形成網(wǎng)兜，嚴(yán)重時(shí)造成頂部錨桿失效。（2）巷道兩幫突出，頂板下沉，原有錨桿、鋼帶、槽鋼支護(hù)斷裂，破壞。（3）巷道底板鼓起，軌道變形，嚴(yán)重影響巷道斷面。（4）頂板離層加劇，錨索托盤變形，出現(xiàn)放射狀絞理，嚴(yán)重時(shí)錨索斷開(kāi)失效。

三、深部巷道錨桿及工字鋼支護(hù)機(jī)理認(rèn)識(shí)

高強(qiáng)度錨桿索支護(hù)在淺部礦井巷道支護(hù)中效果好，但在深部礦井高地壓巷道出現(xiàn)一系列問(wèn)題：錨桿預(yù)應(yīng)力過(guò)低，強(qiáng)度不足，抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效；錨索直徑小、強(qiáng)度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，出現(xiàn)錨索拉斷或整體滑動(dòng)；鋼帶強(qiáng)度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護(hù)頂效果差；錨桿、錨索強(qiáng)度和剛度偏低，單位面積錨桿數(shù)量多，間排距小，支護(hù)密度大，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度，造成采掘接替緊張。這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響錨桿支護(hù)效果和安全程度。深部巷道支護(hù)問(wèn)題，已經(jīng)成為制約深部煤炭資源安全、高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，急需得到有效解決。

錨桿、錨索及工字鋼對(duì)棚支護(hù)是錨桿、錨索、工字鋼對(duì)棚聯(lián)合支護(hù)，共同支撐煤巷頂板的一種混合支護(hù)技術(shù)，它的作用原理就是利用錨、網(wǎng)、索、工字鋼支護(hù)強(qiáng)化和提高巷道頂板一定范圍巖層的抗剪壓能力，形成強(qiáng)化承壓拱，抵抗巷道圍巖變形，達(dá)到支撐維護(hù)巷道的目的。其具體作用就是通過(guò)對(duì)頂錨桿在一定預(yù)緊力作用下進(jìn)行端錨，使端錨范圍內(nèi)的復(fù)合巖層在錨桿的彈性壓縮下形成組合梁，同時(shí)利用工字鋼對(duì)棚對(duì)組合梁進(jìn)一步增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

理論研究表明，高強(qiáng)度錨桿可以提供圍壓0.25～0.4MPa，因圍壓增加的煤巖體強(qiáng)度為1～2MPa。對(duì)于中等強(qiáng)度以上巖石（30MPa），錨桿支護(hù)在巖石破壞前對(duì)其強(qiáng)度影響不大；對(duì)于強(qiáng)度低煤體（小于15MPa），錨桿在煤體破壞前對(duì)其強(qiáng)度有比較明顯的影響。

1.深部巷道應(yīng)用錨桿支護(hù)的核心技術(shù)及支護(hù)參數(shù)

錨桿支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力都有不同程度的影響，經(jīng)理論分析、數(shù)值模擬與井下試驗(yàn)得出，由于深部巷道圍巖變形主要表現(xiàn)為圍巖受水平力剪切作用所產(chǎn)生的形狀（結(jié)構(gòu)）變形和受軸向力作用所產(chǎn)生的體積膨脹所產(chǎn)生的擴(kuò)容變形，且以擴(kuò)容變形為主。因此提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的高度至關(guān)重要。提高支護(hù)剛度的途徑主要有兩方面，特別是錨桿預(yù)應(yīng)力在支護(hù)系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用：（1）錨桿施加較大預(yù)應(yīng)力，并通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散；（2）采用加長(zhǎng)錨固或全長(zhǎng)錨固，使桿體對(duì)圍巖離層、錯(cuò)動(dòng)非常敏感，能及時(shí)抑制離層與錯(cuò)動(dòng)。

巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的精髓就是高預(yù)緊力，從一開(kāi)始就對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)有力的作用，消除圍巖的初期松動(dòng)和變形，調(diào)動(dòng)圍巖整體承載能力，而不是等待圍巖產(chǎn)生松動(dòng)變形后再去懸吊松垮的圍巖。在錨桿支護(hù)初期就給錨桿施加一個(gè)較大的預(yù)拉力，從而對(duì)圍巖產(chǎn)生反作用性能的高預(yù)緊力，不僅可以消除巖層內(nèi)原始的裂縫空隙，也可以使各個(gè)巖層之間鎖緊為一個(gè)整體，提高錨固范圍內(nèi)巖層的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，巖層的整體承載性能得到提高。圍巖的擴(kuò)容變形與錨桿的初始支護(hù)強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)性關(guān)系，錨桿的初始支護(hù)強(qiáng)度越小，圍巖的松散變形越大；錨桿的初始支護(hù)強(qiáng)度越大，圍巖的松散變形越小。而且變形量隨初始支護(hù)強(qiáng)度的增大表現(xiàn)出不同速率的下降趨勢(shì)。

四、支護(hù)效果及礦壓結(jié)果分析

1311（1）工作面運(yùn)順掘進(jìn)之初，設(shè)計(jì)比鄰DF162-1大斷層掘進(jìn)，由于地質(zhì)勘探結(jié)果不夠詳細(xì)導(dǎo)致所留保護(hù)煤柱較小，工作面開(kāi)采至附近時(shí)，頂板下沉近1.5m，再加上底板為泥巖比較松軟，巷道底鼓，致使轉(zhuǎn)載機(jī)及破碎機(jī)被壓，挪移不出，工作面不能正常推進(jìn)。使用工字鋼對(duì)棚支護(hù)后，對(duì)巷道受力情況進(jìn)行了觀測(cè)，頂?shù)装遄畲笠平繛?80mm，兩幫最大移近量為200mm，頂板最大離層量為57mm。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為：采用錨桿索加工字鋼對(duì)棚支護(hù)有效抑制了厚層頂板的離層下沉，巷道維護(hù)狀況良好，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果。

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作者簡(jiǎn)介：馬少東，男，現(xiàn)工作于寧夏寧魯煤電有限責(zé)任公司任家莊煤礦。