復(fù)雜應(yīng)力條件下盤(pán)區(qū)大巷支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

徐 路

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

礦井開(kāi)采深度逐漸增大，應(yīng)力環(huán)境逐漸復(fù)雜，巷道圍巖的變形、失穩(wěn)及破壞現(xiàn)象較淺部更加明顯，過(guò)去單一的支護(hù)方式將無(wú)法滿足深部及復(fù)雜應(yīng)力巷道支護(hù)的需要，因此采用組合支護(hù)形式已迫在眉睫。我國(guó)許多專家學(xué)者對(duì)組合支護(hù)形式進(jìn)行了研究。將耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于軟巖復(fù)合頂板突出煤層巷道，有效地解決了巷道的支護(hù)問(wèn)題[1]；康虹等[2]采取錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)解決深部松軟破碎煤層巷道支護(hù)問(wèn)題；牛福龍[3]將錨桿錨索變形匹配技術(shù)應(yīng)用于巷道支護(hù)；李書(shū)民等[4]將錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于深部回采巷道中；何宗禮等[5]用預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)技術(shù)解決這類高應(yīng)力破碎圍巖巷道的支護(hù)問(wèn)題；在錨桿-錨索支護(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，只有使錨索與錨桿協(xié)同配合，才能使協(xié)同支護(hù)的效果達(dá)到最優(yōu)[6]?；诖耍疚囊陨轿鲿x城煤業(yè)集團(tuán)公司寺河礦二號(hào)井97采區(qū)97102盤(pán)區(qū)大巷高強(qiáng)錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)為研究對(duì)象，以期達(dá)到提高巷道穩(wěn)定性，減少巷道圍巖變形量的目的。

1 工程概況

寺河礦二號(hào)井97采區(qū)開(kāi)采9#煤層。97102巷為97采區(qū)盤(pán)區(qū)大巷，巷道位置上部3#煤為小煤窯破壞區(qū)。97102巷斷面呈矩形；掘進(jìn)寬度為5.2m，高3.2m，掘進(jìn)斷面積為16.64m2。

9#煤層位于石炭系太原組中部，含夾矸0～2層，直接頂板為3.3m粉砂巖，局部地段為石灰?guī)r，基本頂為5.3m的細(xì)砂巖，底板為0.8m的石灰?guī)r。9#煤層頂部距3#煤層51m左右。9#煤層較穩(wěn)定，煤層厚度平均為1.42m，平均傾角為5°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 巷道原支護(hù)方式及巷道變形觀測(cè)

2.1 巷道原支護(hù)方式

97102巷主要采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，鋼筋托梁采用Φ12mm鋼筋焊接而成，寬度100mm，長(zhǎng)度2300mm、4700mm。

頂板：錨桿排距1200mm，間距1100mm/1200mm，每排5根錨桿；錨索排距為2400mm，間距為2400mm。

兩幫：錨桿排距1200mm，間距1100mm，錨桿距頂距離為500mm。

原支護(hù)方案圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)示意圖（單位：mm）

2.2 巷道變形觀測(cè)

為觀測(cè)巷道的變形規(guī)律，為下一步對(duì)巷道支護(hù)方式改進(jìn)提供依據(jù)，采用“十字”布點(diǎn)法觀測(cè)巷道表面變形。沿大巷掘進(jìn)方向每掘進(jìn)50m布置一個(gè)測(cè)試斷面。原支護(hù)方式巷道表面位移如圖2所示。

由圖2可以看出，原有支護(hù)方式下，巷道兩幫移近量為550mm，頂?shù)装逡平繛?01mm。巷道圍巖的變形量大，該巷道條件不能滿足礦井的正常生產(chǎn)作業(yè)。對(duì)原支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)，提高巷道的支護(hù)效果，降低巷道的維修成本是很有必要的。

圖2 原支護(hù)方式巷道表面位移

3 巷道圍巖變形分析

97102巷受到上覆3#煤層開(kāi)采時(shí)留下的殘留煤柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造以及回采動(dòng)壓等多重因素的影響，巷道礦壓顯現(xiàn)比較明顯。

巷道在受到上覆殘留煤柱的應(yīng)力集中影響后，應(yīng)力通過(guò)頂板傳送給巷道圍巖，通過(guò)巷道頂?shù)装寮皟蓭歪尫懦鰜?lái)，導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生變形，特別是巷道兩幫的變形量較大。

圍巖既是被支護(hù)的對(duì)象，又是支護(hù)體的一部分。錨桿支護(hù)必須把圍巖和錨桿系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮。合理的支護(hù)設(shè)計(jì)必須保證圍巖整體性的前提下具有一定的變形讓壓性能，從而保護(hù)支護(hù)體具有變形耦合和讓均壓能力。根據(jù)傳統(tǒng)理論，圍巖應(yīng)力-變形特性曲線如圖3所示。

圖3 圍巖應(yīng)力和變形特性曲線（單位：mm）

在靜壓力條件下，從圖3可以看出，從支護(hù)角度將曲線分為三個(gè)區(qū)：

A區(qū)：圍巖處于彈性變形階段，圍巖整體性較完好，變形量小。支護(hù)體的工況點(diǎn)應(yīng)設(shè)在低位(60t/m)，錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該具有最小讓壓距離20mm。

B區(qū)：圍巖基本處于彈塑性變形階段，基本保持穩(wěn)定，彈塑性變形區(qū)沒(méi)有超過(guò)錨桿的支護(hù)范圍，錨桿系統(tǒng)仍然起到支護(hù)作用。

C區(qū)：圍巖破壞，支護(hù)系統(tǒng)承受破碎巖石的靜載荷。若錨桿系統(tǒng)的支護(hù)范圍小于破壞范圍，則錨桿系統(tǒng)受力將變?yōu)?，徹底失去其支護(hù)作用，錨桿支護(hù)系統(tǒng)將與圍巖一起移動(dòng)。

支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到保證巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定性、適應(yīng)回采工作面的動(dòng)壓需求及地質(zhì)條件變化的要求的目的。因此要在原有巷道支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，特別是對(duì)錨桿、錨索進(jìn)行優(yōu)化，提高其抗變形、讓壓性能，可以提高對(duì)巷道的支護(hù)效果。

4 優(yōu)化支護(hù)方式及變形觀測(cè)

4.1 優(yōu)化支護(hù)方式

優(yōu)化后的巷道支護(hù)方式為：采用蛇形錨桿（圖4）、快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥(niǎo)窩”錨索（圖5）、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

圖4 蛇形錨桿示意圖

圖5 快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥(niǎo)窩”錨索

頂板：錨桿排距1200mm，間距1100mm，每排5根錨桿，150×150×8mm高強(qiáng)托盤(pán)；錨索采用“三花”布置，排距為2400mm，間距為2200mm，300×300×10mm高強(qiáng)托盤(pán)。

頂板：錨桿排距1200mm，間距1100mm，錨桿距頂距離為500mm，150×150×8mm高強(qiáng)托盤(pán)。

改進(jìn)后的支護(hù)方案如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的巷道支護(hù)示意圖（單位：mm）

4.2 巷道變形觀測(cè)

為觀測(cè)巷道的變形規(guī)律，確定改進(jìn)后的支護(hù)方式對(duì)巷道的支護(hù)效果，采用“十字”布點(diǎn)法觀測(cè)巷道表面變形。沿大巷掘進(jìn)方向每掘進(jìn)50m布置一個(gè)測(cè)試斷面。支護(hù)方式改進(jìn)后巷道表面位移如圖7所示。

圖7 支護(hù)方式改進(jìn)后巷道表面位移

由圖7可以看出，支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)后，巷道圍巖變形在之后工作面100m后趨于穩(wěn)定，巷道兩幫移近量為170mm，頂?shù)装逡平繛?0mm。巷道圍巖的變形量較原支護(hù)形式有大幅的降低，巷道兩幫移近量?jī)H為原支護(hù)方式的1/3，頂?shù)装逡平繛闉樵ёo(hù)方式的70%，取得了良好的支護(hù)效果。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力“鳥(niǎo)窩”錨索、蛇形錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，提高了支護(hù)系統(tǒng)對(duì)巷道圍巖的支護(hù)效果，巷道兩幫移近量?jī)H為原支護(hù)方式的1/3，頂?shù)装逡平繛樵ёo(hù)方式的70%，保證了巷道長(zhǎng)期正常安全使用的要求；該技術(shù)的采用，巷道圍巖的整體性及抗變形能力得到極大的提高，有效地解決了復(fù)雜應(yīng)力影響下巷道支護(hù)技術(shù)難題，并為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的依據(jù)。