山西忻州窯礦軟巖巷道錨桿錨索聯(lián)合支護方案優(yōu)選

趙曉慧

(同煤集團忻州窯礦)

1　工程概況

忻州窯礦北二5#煤層膠帶輸送機下山(圖1)是5#煤層北二采區(qū)的準備巷道，服務(wù)年限長，是該采區(qū)生產(chǎn)的咽喉巷道[1-2]。北二5#煤層膠帶輸送機下山沿5#煤層直接頂掘進，5#煤層底板標(biāo)高167～191.5 m，平均深度為668.44 m，巷道沿270°方位角掘進。沿北二5#煤層膠帶輸送機下山方向北側(cè)為北二5#煤層軌道下山，現(xiàn)未掘進，后期沿5#煤層直接頂掘進，兩巷之間的保護煤柱寬約25 m。該輸送機下山后期還將受到上部3#煤層12305等工作面回采后形成的煤柱影響，長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，對該巷道維護影響較大。

圖1　北二5#煤層膠帶輸送機下山布置示意

北二5#煤層膠帶輸送機下山所處區(qū)域的5-1#煤層直接頂為粉砂巖，厚5～20 m，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；5-1#煤層偽頂為薄層狀泥巖，厚0.5～1 m，較破碎；5-1#煤層厚度為0.5～4.05 m，平均為3.45 m，煤層厚度變化較大，其中一般含有1～2層夾矸，厚0～3.8 m，平均為2.8 m；5-1#煤層底板為薄層狀粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度約8 m。3#煤層與5#煤層間距為25.68 m，3#煤層工作面尚未采完。北二5#煤層膠帶輸送機下山沿5#煤層直接頂掘進，煤層厚度變化較大，煤體強度低，該類因素給北二5#煤層膠帶輸送機下山支護帶來了較大難度。

2　試驗段支護方案

根據(jù)北二5#煤層膠帶輸送機下山的實際工程地質(zhì)條件，本研究采用高強度穩(wěn)定型錨桿錨索聯(lián)合支護方案進行巷道穩(wěn)定性控制[3-7]。在北二5#煤層膠帶輸送機下山與北二皮帶輸送機大巷交叉處沿北二5#煤層膠帶輸送機下山方向220 m處開始連續(xù)設(shè)立3個長為40 m的試驗段(試驗段1、2、3)，即北二5#煤層膠帶輸送機下山為新掘巷道，自北二5#煤層膠帶輸送機下山與北二膠帶運輸機大巷交叉處向內(nèi)220 m為傳統(tǒng)支護段，往內(nèi)220～260 m段為試驗段1，260～300 m為試驗段2、300～340 m為試驗段3。3個試驗段相應(yīng)支護方案(方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的錨桿(索)排距分別為1 000，800，600 mm。在支護施工后，對各試驗段巷道圍巖變形進行監(jiān)測，以便確定合理的錨網(wǎng)支護參數(shù)[8-9]。

2.1　試驗段1

試驗段1巷道頂部采用小孔徑高強度預(yù)應(yīng)力錨索，一方面可以確保頂板圍巖形成的組合梁具有良好的抗彎能力，提高巷道淺部巖體穩(wěn)定性；另一方面能夠有效發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的被動承載能力，有利于形成“剛性梁”結(jié)構(gòu)。

試驗段1選取的錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 000 mm，材質(zhì)為1860型鋼絞線，錨索間排距為1 100 mm× 1 000 mm。已有研究表明，頂角錨索能夠有效控制巷道頂板下沉，維護頂板錨網(wǎng)支護承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，頂角錨索向外扎角約15°，要求每個錨索孔使用1支K2370和1支Z2370樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不宜小于135 kN。幫部采用全長自旋錨桿進行支護，均采用φ22 mm×3 500 mm全長自旋錨桿，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，錨桿墊板規(guī)格為110 mm×300 mm(長×寬)鑄鐵托板，幫角錨桿向下扎角約15°。巷道頂部和幫部配合使用高強度護表構(gòu)件，采用高強度金屬網(wǎng)護表。較菱形網(wǎng)而言，金屬網(wǎng)不僅強度高，而且更易拉緊拉直，同時垂直于巷道軸向布置高強度W型鋼帶和槽鋼，有利于提高支護結(jié)構(gòu)的整體強度，充分發(fā)揮錨桿錨索聯(lián)合支護效果[10-11]。具體來講：①巷道頂部鋪設(shè)1 100 mm× 1 800 mm 冷拔絲網(wǎng)，幫部鋪設(shè)1 100 mm× 1 500 mm冷拔絲網(wǎng)，冷拔絲直徑0.55 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為45 mm×45 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每200 mm聯(lián)接一次，使用雙股14#鐵絲雙排聯(lián)接；②巷道頂部配合錨索使用4 500 mm 長W型鋼帶，幫部使用2 800 mm長14#槽鋼。

2.2　試驗段2

試驗段2巷道頂部采用的小孔徑高強度預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格、材質(zhì)與方案Ⅰ一致，錨索間排距為1 100 mm×800 mm，頂角錨索向外扎角約15°左右。各錨索孔使用1支K2370和1支Z2370樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不宜小于135 kN。巷道幫部采用規(guī)格為φ22 mm×3 500 mm全長自旋錨桿進行支護，錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨桿墊板規(guī)格、幫角錨桿向下扎角與方案Ⅰ一致。巷道頂部鋪設(shè)900 mm×1 800 mm冷拔絲網(wǎng)，幫部鋪設(shè)900 mm×1 500 mm 冷拔絲網(wǎng)，冷拔絲直徑為0.55 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每200 mm 聯(lián)接1次，使用雙股14#鐵絲雙排聯(lián)接[12-14]；巷道頂部配合錨索使用4 500 mm長高凸鋼帶，幫部使用2 800 mm長14#槽鋼。

2.3　試驗段3

試驗段3巷道頂部采用的小孔徑高強度預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格、材質(zhì)與方案Ⅰ、Ⅱ一致，錨索間排距為1 100 mm×600 mm，頂角錨桿向外扎角約15°，各錨索孔使用1支K2370和1支Z2370樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不宜小于135 kN。幫部采用規(guī)格為φ22 mm×3 500 mm全長自旋錨桿進行支護，錨桿間排距為800 mm×600 mm。錨桿墊板規(guī)格、幫角錨桿向下扎角與方案Ⅰ、Ⅱ一致。巷道頂部支護參數(shù)取值與方案Ⅱ一致。

3　巷道穩(wěn)定性監(jiān)測分析

本研究對試驗段1、試驗段2、試驗段3分別采用方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ進行支護。在試驗段1中設(shè)置了1#、2#測站，在試驗段2中設(shè)置了3#、4#測站，在試驗段3中設(shè)置了5#、6#測站。各測站設(shè)置1個觀測面，采用中腰線十字布點法[15-18]。垂直于圍巖表面鉆進φ42 mm、深350 mm孔，將φ42 mm、長400 mm 木樁打入孔中。頂部和上幫木樁端部打入鉤形測釘，下幫和底板木樁端部打入平頭測釘。

3.1　巷道表面位移

3.1.1試驗段1

試驗段1中1#、2#測站觀測的巷道表面位移如圖2所示。

圖2　試驗段1巷道表面位移變化特征

分析圖2可知：在監(jiān)測時間段內(nèi)，1#測站處巷道頂?shù)装逦窗l(fā)生位移，表明試驗段1頂?shù)装逯ёo方案及參數(shù)具有良好的適用性；1#測站處巷道兩幫位移量在巷道支護施工完畢后20 d(2017-08-28～2017-09-17)內(nèi)未發(fā)生變形，第21 d開始巷道兩幫突出量逐漸增加至20 mm，隨著觀測時間推移，巷道兩幫突出量增長速度放緩，最終達到22 mm并保持穩(wěn)定；2#測站處巷道兩幫在巷道支護施工后10 d(2017-08-28～2018-09-07)內(nèi)的位移量為0，隨后以0.38 mm/d 速度增加，13 d(2017-09-20)后逐漸達到最大位移量5 mm；2#測站處巷道頂?shù)装逦灰屏吭谙锏乐ёo施工完畢后20 d(2017-08-28～2017-09-17)內(nèi)的位移量為0，之后15 d(2017-09-17～2017-10-02)內(nèi)巷道頂?shù)装逦灰屏恐饾u增大至5 mm。綜合分析可知：當(dāng)錨桿(索)間排距為1 000 mm時，巷道圍巖應(yīng)力重新分布達到穩(wěn)定狀態(tài)約需3個月，之后巷道表面位移基本趨于穩(wěn)定。

3.1.2試驗段2

試驗段2中3#、4#測站觀測的巷道表面位移如圖3所示。

分析圖3可知：3#測站處巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏吭?5 d(2018-09-18～2018-10-03)內(nèi)呈增大趨勢，之后處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笪灰屏糠謩e為5，10 mm；4#測站處巷道兩幫位移量在15 d(2018-09-18～2018-10-03)內(nèi)逐漸增大至5 mm，巷道頂?shù)装逦灰屏吭黾铀俣认鄬τ趦蓭洼^慢，當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力達到穩(wěn)定狀態(tài)時，巷道頂?shù)装遄冃瘟恳仓饾u達到5 mm。

圖3　試驗段2巷道表面位移變化特征

進一步分析圖3可知：錨桿(索)排距為800 mm時，開挖巷道圍巖應(yīng)力重新分布達到穩(wěn)定狀態(tài)約需2個月，3#測站處巷道兩幫最大位移量(10 mm)大于頂?shù)装遄畲笪灰屏?5 mm)，4#測站處巷道穩(wěn)定時的兩幫最大位移量與頂?shù)鬃畲笪灰屏肯嗟?，即錨桿(索)排距由1 000 mm降為800 mm時，頂?shù)装逦灰屏吭黾? mm，反應(yīng)出錨桿(索)間排距對于巷道圍巖變形控制效果的影響較顯著。

3.1.3試驗段3

試驗段3中5#、6#測站觀測的巷道表面位移如圖4所示。分析圖4可知：監(jiān)測開始后14 d(2017-10-13～2017-10-26)內(nèi)，5#、6#測站處巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏坑?分別增大至5，10 mm。

圖4　試驗段3巷道表面位移變化特征

綜上所述，采用3種支護方案(錨桿(索)排距分別為1 000，800，600 mm時)均能夠有效控制巷道圍巖變形，但綜合考慮巷道變形持續(xù)時間及最大變形量等指標(biāo)后，本研究認為錨桿(索)排距設(shè)置為800 mm即可滿足支護需求。

3.2　巷道頂板離層

本研究通過對3個試驗段巷道頂板離層進行2個月的觀測，發(fā)現(xiàn)除了試驗段1頂板淺部3.8 m范圍內(nèi)在巷道支護施工完畢40 d后出現(xiàn)5 mm的位移外，其余試驗段頂板離層量均較小，說明3個試驗段的巷道頂板變形均得到了有效控制。考慮到北二5#煤層膠帶輸送機下山后期會受到北二5#煤層軌道下山掘進和上部3#煤層回采的影響，因此仍需進一步觀測該段巷道頂板離層。

3.3　錨桿受力分析

3個試驗段巷道幫部自旋錨桿受力監(jiān)測表明：①試驗段1中的錨桿所受軸力為0～3 t，平均達到1.83 t，錨桿桿體軸力均有所變化，錨桿所受軸力差別較大，但很快都趨于穩(wěn)定，是由于開挖巷道造成圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖體發(fā)生變形，但之后圍巖位移趨于穩(wěn)定；②試驗段2支護施工完畢15 d后，錨桿桿體受力均趨于穩(wěn)定，該試驗段錨桿所受軸力為0～3.5 t，平均達到2 t，錨桿所受軸力集中程度較好，可以有效避免同一巷道斷面上錨桿、錨索支護效果差異較大而導(dǎo)致圍巖承載結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)變；③試驗段3支護施工完畢1個月后，錨桿所受軸力趨于穩(wěn)定，該試驗段錨桿所受軸力為0～4 t，平均達到1.67 t，錨桿所受軸力差別大，同一巷道斷面上錨桿、錨索錨固效果差異性最大，加大了巷道圍巖支護系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)變的可能性。

4　結(jié)　語

對山西忻州窯礦北二5#煤層膠帶輸送機下山的3個試驗段設(shè)計了錨桿錨索聯(lián)合支護方案，并對相應(yīng)的支護參數(shù)取值進行了討論。通過對支護施工后各試驗段的巷道表面位移、頂板離層、錨桿受力進行監(jiān)測分析，可知當(dāng)錨桿(索)排距為800 mm時，采用本研究設(shè)計的錨桿錨索聯(lián)合支護方案可以有效控制巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形，降低巷道返修工作量，有助于進一步降低巷道開拓施工及支護成本。

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