近距離頂煤開采下部巷道加固措施研究

李洪剛

摘要：以巷道變形特征著手，由表及里揭示變形因素，然后依據(jù)變形因素研究分析變形機(jī)理，依據(jù)現(xiàn)代力學(xué)理論與原理，研究變形的控制機(jī)理及控制措施。通過控制措施，對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，變形量得到抑制并控制在所要求的范圍內(nèi)，可以保證巷道的正常使用。

關(guān)鍵詞：近距離；變形機(jī)理；控制措施；補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

近距離頂煤開采對(duì)下部巷道的影響主要表現(xiàn)在工作面推進(jìn)過程中，因煤層開挖導(dǎo)致的地應(yīng)力重新分布，在工作面前方一定范圍內(nèi)發(fā)生的的應(yīng)力集中現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)通常稱之為采動(dòng)壓力顯現(xiàn)，距離越近，動(dòng)壓顯現(xiàn)越突出。

1 1131（3）工作面下方軌道大巷概況

1131（3）工作面下方-650m東翼軌道大巷巷道目前破壞較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在：拱部炸皮開裂、局部拱頂巖體破碎、兩幫內(nèi)收、底臌、U型棚拱部彎折、跪腿等?？紤]到即將開采的厚度達(dá)6m的上覆11-3煤層相距很近，開采過程中產(chǎn)生的較大的集中應(yīng)力和動(dòng)壓會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力急劇、大幅上升，為了避免后期巷道發(fā)生更為嚴(yán)重的變形與破壞，保證其正常的使用，決定對(duì)-650m東翼軌道大巷進(jìn)行加固。

1.1 巷道前期破壞因素

依據(jù)對(duì)巷道所處地理環(huán)境、圍巖性質(zhì)、工作面布置與開采情況的了解與分析，巷道前期破壞的主要因素可概括為如下3個(gè)方面：

（1）目前巷道上方煤層的右翼工作面已經(jīng)開采完畢，該工作面邊緣距巷道的水平向距離約130m左右，該工作面的開采已使得包括巷道在內(nèi)區(qū)域的地應(yīng)力重新分布，重新分布后的水平地應(yīng)力較工作面開挖前發(fā)生了較大的增加。

（2）巷道所處圍巖內(nèi)部具有較大的構(gòu)造應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力使得巷道發(fā)生了極為明顯的非對(duì)稱變形。

（3）軌道大巷與回風(fēng)大巷相距很近，只有25m左右，兩條巷道開挖產(chǎn)生的次生地應(yīng)力互相影響。

由于上述因素的影響，巷道目前破壞十分嚴(yán)重，且反復(fù)修復(fù)后并無明顯效果。

1.2 巷道后期破壞因素

距巷道正上方20m-35m處有5m-6m厚的煤層待采，正上方1131（3）工作面的開采將形成非常大的動(dòng)壓影響，這一影響對(duì)巷道的破壞程度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巷道前期的破壞程度，使得巷道處于更為惡劣的應(yīng)力環(huán)境中。

2 補(bǔ)強(qiáng)加固基本方案

1131（3）工作面下方-650m東翼軌道大巷原支護(hù)方案為錨網(wǎng)噴支護(hù)方案，因破壞較為嚴(yán)重，初步進(jìn)行的修復(fù)方案為在巷道內(nèi)側(cè)套架29U型金屬棚。

初期修復(fù)采用的棚間距800mm，巷道的加固需在目前架棚的基礎(chǔ)之上進(jìn)行。針對(duì)此種情況，經(jīng)反復(fù)研究、討論，最后形成如下的補(bǔ)強(qiáng)加固方案。

2.1 加固工藝

先布置錨桿（索），后注漿；由下向上安裝幫部錨桿（索）→安裝拱腰部位錨桿（索）→安裝頂部錨桿（索）→安裝底角錨桿（索）→混凝土噴層→注漿。

2.2 基本加固參數(shù)設(shè)計(jì)

底角錨桿（索）：錨桿（索）采用Φ24mm×3000mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索），錨桿（索）托盤為10×150×150 mm的蝶形鋼板。錨桿（索）與水平呈400—450角度布置，底角錨桿（索）孔必須鉆在幫底交界處，托盤下必須用混凝土填實(shí)，托盤與底角錨桿（索）必須呈垂直關(guān)系，排距800mm。

幫部錨索：錨索采用Φ22mm×5000mm的高強(qiáng)錨索。幫部補(bǔ)強(qiáng)錨索共兩排，具體方式與布置位置見圖1所示。

拱腰部錨桿（索）：錨桿（索）采用Φ24mm×3300mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索），錨桿（索）托盤為10×150×150 mm的蝶形鋼板。拱腰部錨桿（索）處于拱腰部位，錨桿（索）與水平呈450角。

頂部錨桿（索）：錨桿（索）采用Φ24mm×3300mm20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索），錨桿（索）托盤為10×150×150 mm的蝶形鋼板。錨桿（索）處于拱頂中部。

箱梁：用舊29U型棚截割制作而成。每垮箱梁長度1000mm，共約束2架棚腿。箱梁中開設(shè)直徑26mm的圓孔作為錨桿（索）的穿孔。拱腰部位和頂部的箱梁必須用卡攬與U型棚緊密拴在一起，以防錨桿（索）斷裂箱梁下落傷人。

2.3 注漿施工參數(shù)

噴砼：巷道全斷面噴厚100mm，強(qiáng)度為C20，采用P.O32.5水泥，水泥：黃沙：瓜子片按重量配比為1：2：2，水灰比為0.45：1，速凝劑為水泥重量的3%。

注漿孔布置

淺孔排距為3.6m，孔深為2.0m。每排5孔，正頂布置一個(gè)，兩側(cè)肩窩、底角各布置一個(gè)，孔口管規(guī)格均為26.75×3.25×800mm。

注漿材料、漿液類型及注漿量

注漿采用單液水泥漿，水泥選用P.0.42.5普通硅酸鹽水泥。水灰比為1：1，注漿量以實(shí)際發(fā)生量為準(zhǔn)。

注漿壓力

淺孔注漿設(shè)計(jì)終壓為2.0Mpa。

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力，并穩(wěn)壓達(dá)10分鐘以上。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原理

3.1關(guān)鍵加固點(diǎn)加固機(jī)理

所謂關(guān)鍵加固點(diǎn)，是指具有“制一點(diǎn)而固全身”的特殊點(diǎn)位。

準(zhǔn)確地找出關(guān)鍵加固點(diǎn)，不僅可以有效的控制圍巖的變形，而且可以節(jié)省大量的支護(hù)材料，做到有的放矢。

作為關(guān)鍵加固點(diǎn)，在此加固之后，應(yīng)表現(xiàn)出特殊的功效，這種特殊的功效主要反映在如下幾個(gè)方面：

（1）加固點(diǎn)本身變形動(dòng)因較小，加固材料本身不容易破壞，從而保證能夠長期的發(fā)揮作用；

（2）加固點(diǎn)實(shí)施特殊加固，可以大大削弱圍巖其它部位的地應(yīng)力或因巷道開挖產(chǎn)生的破壞應(yīng)力大幅增大現(xiàn)象，發(fā)揮系統(tǒng)效應(yīng)；

（3）能夠充分發(fā)揮加固材料（錨桿（索）、錨索）的某種特殊能力，將本應(yīng)由圍巖承擔(dān)的地應(yīng)力，轉(zhuǎn)化成由支護(hù)體來承擔(dān)，一方面充分利用了支護(hù)材料固有特性，同時(shí)也使得圍巖的變形動(dòng)因（圍巖應(yīng)力）大為削弱；

（4）能夠?qū)鷰r自承載能力發(fā)揮到較大的程度。

3.2 金屬支架的承載能力增強(qiáng)機(jī)理

根據(jù)松動(dòng)圈控制機(jī)理的分析，巷道支護(hù)的主要對(duì)象是圍巖松動(dòng)圈內(nèi)部的碎脹力，只有碎脹力提高到能夠給予外圍穩(wěn)定巖體一個(gè)足夠大的徑向力的時(shí)候，松動(dòng)圈的擴(kuò)展才可以得到抑制，松動(dòng)圈才能夠穩(wěn)定下來，只有松動(dòng)圈穩(wěn)定了，巷道的變形才能夠停止。

在上述松動(dòng)圈穩(wěn)定的過程中，有一點(diǎn)是十分重要的，即支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度抵抗碎脹力的增長，且直至松動(dòng)圈穩(wěn)定時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)仍處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)中。如若在松動(dòng)圈趨向穩(wěn)定的過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)抵御不住碎脹力的作用而發(fā)生較大變形，這會(huì)導(dǎo)致松動(dòng)圈內(nèi)碎脹力的迅速降低，使得松動(dòng)圈與外圍穩(wěn)定巖體之間的作用力大幅下降，最終結(jié)果是松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)張。為此，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力是穩(wěn)定松動(dòng)圈最有效的手段。對(duì)于初步修復(fù)方案中單純地U型棚支護(hù)，經(jīng)“箱梁+錨桿（索）（索）”補(bǔ)強(qiáng)后，承載能力可提高8倍以上，這不僅對(duì)抵御目前的構(gòu)造應(yīng)力、次生地壓有顯著效用，對(duì)后期近距離頂煤開采所形成的動(dòng)壓同樣效果顯著。

支護(hù)強(qiáng)度的大幅提升，保證了松動(dòng)圈內(nèi)碎脹力的迅速升高，從而快速抑制松動(dòng)圈的擴(kuò)展。

4 結(jié)論

經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)方案對(duì)巷道加固，現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)1131（3）工作面開采期間巷道變形量進(jìn)行觀測(cè)，雖然無論是腰線、頂?shù)走€是頂板，變形量觀測(cè)數(shù)據(jù)都很離散，但是每日變形量均呈下降趨勢(shì)。變形速度隨著1131（3）工作面開采與測(cè)點(diǎn)的距離而逐漸遞減，最后達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值，可以得出變形量與1131（3）工作面推進(jìn)之間有一定的聯(lián)系，巷道進(jìn)行過加固補(bǔ)償，變形量都在可控制范圍內(nèi)。由此可以初步得到以下結(jié)論：雖然-650m東翼軌道大巷受到1131（3）工作量開采所引起的動(dòng)壓影響，產(chǎn)生一定的變形量。但是經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)加固，變形量得到抑制并控制在所要求的范圍內(nèi)，可以保證-650m東翼軌道大巷的正常使用。

（作者單位：淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二礦潘四東井）