碎頂巷道架棚支護(hù)向新型錨網(wǎng)索支護(hù)轉(zhuǎn)換的研究

張經(jīng)緯

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

引言

井工煤礦采掘頂板支護(hù)主要包括采煤工作面頂板支護(hù)及巷道支護(hù)兩部分，采煤工作面的頂板支護(hù)隨著綜采液壓支架的不斷發(fā)展，其支護(hù)工藝及支護(hù)效率已取得較大進(jìn)步。巷道支護(hù)處于地質(zhì)軟巖、裂隙發(fā)育、破碎頂板、頂板淋水等特殊條件下的巷道，其巷道的快速掘進(jìn)及有效支護(hù)仍面臨諸多困難[1-2]。本文針對(duì)某礦10110工作面運(yùn)輸順槽的頂板支護(hù)展開(kāi)研究，對(duì)傳統(tǒng)工字鋼架棚支護(hù)工藝進(jìn)行革新及優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)并實(shí)踐應(yīng)用新型錨網(wǎng)索支護(hù)工藝，以達(dá)到對(duì)其淋水破碎頂板的有效支護(hù)。

1 工程概況

該礦10110工作面開(kāi)采太原組10號(hào)煤層，煤層厚度范圍1.8～3.4m，平均2.7m，煤層傾角范圍2°～9°，平均5°，賦存較為穩(wěn)定。10號(hào)煤層直接頂為粉砂巖，局部為泥巖，水平層理發(fā)育，厚度范圍1.4～3.2 m，平均2.2 m，其上部為平均厚度僅1 m的9號(hào)煤層；煤層老頂為深灰色石灰?guī)r，厚度范圍3～15 m，平均為9 m，為致密塊狀，巖性較堅(jiān)硬，裂隙中充填方解石脈；直接底為粉砂巖，平均厚度約4 m，局部為泥巖。10110工作面運(yùn)輸順槽初始設(shè)計(jì)為梯形斷面，采用11號(hào)礦用工字鋼架棚支護(hù)，棚梁上凈寬3m，下凈寬3.8 m，凈高2.5 m，棚距0.8 m，頂梁背頂串桿6根均勻布置，兩幫背幫串桿各4根均勻布置，頂部鋪設(shè)金屬網(wǎng)，巷道沿10號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。

2 工字鋼架棚支護(hù)現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐調(diào)研，10110運(yùn)輸順槽的巷道圍巖支護(hù)主要存在以下特點(diǎn)及難點(diǎn)：該巷道直接頂為裂隙較發(fā)育的粉砂巖，經(jīng)巷道掘進(jìn)時(shí)期的應(yīng)力擾動(dòng)，頂板較為破碎，承載能力及自穩(wěn)能力差，加之局部直接頂為泥巖，在頂板水的作用下膨脹弱化，使頂板的完整性及強(qiáng)度降低；由于本巷道老頂為富水性較強(qiáng)的K2石灰?guī)r，頂板水沿裂隙涌入，頂板水對(duì)裂隙及泥巖的侵蝕，加劇了頂板的膨脹及破碎；由于特定的頂板厚度及巖性分析，如采用常規(guī)錨桿支護(hù)，無(wú)穩(wěn)定巖層進(jìn)行懸吊錨固，其層理發(fā)育的直接頂及9號(hào)煤層易發(fā)生離層甚至失穩(wěn)垮冒。

而初始設(shè)計(jì)的工字鋼架棚支護(hù)，在施工及使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其主要存在以下缺陷。工字鋼架棚支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù)，不能及時(shí)給圍巖施加主動(dòng)支護(hù)力，增阻速度慢且工作阻力小；工字鋼架棚支護(hù)的實(shí)際支護(hù)狀態(tài)與理想狀態(tài)差距較大，如圖1所示，工字鋼棚與頂、幫往往不是全面接實(shí)，而是呈現(xiàn)點(diǎn)接實(shí)或局部接實(shí)，因而難以發(fā)揮出其強(qiáng)度和承載能力；淋水頂板變形較大，容易造成棚梁中部等區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，棚梁變形，并導(dǎo)致頂板離層，于圍巖控制不利；掘進(jìn)支護(hù)期間速度慢，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，材料成本高，掘進(jìn)斷面利用率低[3-4]；前期支護(hù)效果監(jiān)測(cè)表明，掘進(jìn)后1個(gè)月內(nèi)工字鋼棚變形，頂板平均下沉量達(dá)50mm，受臨近工作面動(dòng)壓影響后的下沉量達(dá)200～300mm，造成棚梁彎沉、扭轉(zhuǎn)、支護(hù)失效，陷入前方掘進(jìn)、后方維修的不利局面。

圖1 工字鋼架棚支護(hù)示意圖

綜上所述，基于10110運(yùn)輸順槽的地質(zhì)生產(chǎn)條件及前期支護(hù)實(shí)踐，工字鋼架棚支護(hù)對(duì)該巷道的淋水、破碎頂板支護(hù)效果不佳，巷道掘進(jìn)速度慢，后期維護(hù)成本高，無(wú)法保證采掘工作的高產(chǎn)高效。

3 錨網(wǎng)索新型支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)原則

錨桿索支護(hù)技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的金屬支架支護(hù)，其具有承載力強(qiáng)、主動(dòng)預(yù)緊力高、圍巖自穩(wěn)性高、施工快、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于本礦10110運(yùn)輸順槽，若采用錨桿索配合掛網(wǎng)支護(hù)，應(yīng)掌握以下原則。第一，充分利用錨桿索支護(hù)的主動(dòng)性，將錨固范圍內(nèi)的圍巖形成一個(gè)整體，提高圍巖的自穩(wěn)能力及承載能力；第二，考慮到普通錨桿支護(hù)無(wú)穩(wěn)定巖層進(jìn)行錨固，可充分借助錨索支護(hù)的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)，將錨固區(qū)延伸至頂板上位穩(wěn)定巖層中，從而將錨桿錨固形成的淺部圍巖與錨索錨固形成的深部圍巖連接成一個(gè)穩(wěn)定的大錨固體，即根據(jù)直接頂平均厚3.5 m，錨索錨固點(diǎn)應(yīng)深入穩(wěn)定巖層中至少1 m原則，頂板單體錨索長(zhǎng)度應(yīng)大于4.5 m；第三，針對(duì)淋水型頂板，應(yīng)使用防水性錨固劑進(jìn)行錨固，并采取加長(zhǎng)錨固、打泄水孔等措施，將淋水對(duì)支護(hù)的影響降至最低；第四，針對(duì)煤矸破碎頂板，還應(yīng)加強(qiáng)金屬網(wǎng)的使用，對(duì)破碎頂板進(jìn)行包裹，防止煤矸墜落；第五，采用先進(jìn)可靠的錨桿索施工機(jī)具及可靠的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)頂板離層、圍巖位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保支護(hù)性能達(dá)標(biāo)[5-6]。

3.2 新型支護(hù)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)說(shuō)明

參考其他礦井類似成熟經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)密度對(duì)強(qiáng)度的模擬參數(shù)，設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)采用矩形斷面，采用新型防水錨固劑、高強(qiáng)度錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梯子梁、小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)總體方案，設(shè)計(jì)的支護(hù)方案如圖2所示。支護(hù)方案及參數(shù)說(shuō)明：頂錨桿每根使用CK2340、K2340（2支）樹(shù)脂藥卷，錨固長(zhǎng)度1200mm，預(yù)緊力矩不低于180 N·m，間排距850mm；頂錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，樹(shù)脂加長(zhǎng)防水錨固劑FSCK2340、FSK2340（3支），錨固長(zhǎng)度1600mm，預(yù)緊力不低于200 kN，排距1700mm；幫錨桿分別使用玻璃鋼及普通麻花錨桿，選用3800mm×1000mm菱形金屬網(wǎng)及Φ12mm的鋼筋焊接的鋼筋梯子梁；對(duì)于頂、幫淋水嚴(yán)重區(qū)域，錨桿也采用防水錨固劑。

4 應(yīng)用實(shí)踐分析

該礦暫停工字鋼架棚支護(hù)，在100 m的巷道試驗(yàn)段采用錨網(wǎng)索新型支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，對(duì)圍巖的離層值、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量的連續(xù)觀測(cè)80 d，頂板離層值錨索錨固區(qū)控制在5mm以內(nèi)，錨桿錨固區(qū)控制在6mm以內(nèi)；頂?shù)装逡平靠刂圃?50mm以內(nèi)，平均72mm；兩幫移近量控制在120mm以內(nèi)，平均58mm。圍巖變形控制效果良好，表明10110運(yùn)輸順槽的試驗(yàn)段采用錨網(wǎng)索新型支護(hù)方案取得了良好的支護(hù)效果。

圖2 錨網(wǎng)索新型支護(hù)方案布置圖（未標(biāo)單位：mm）

5 結(jié)論

10110運(yùn)輸順槽的掘進(jìn)支護(hù)面臨諸多困難，傳統(tǒng)的工字鋼架棚支護(hù)存在被動(dòng)支護(hù)、頂板離層、圍巖變形、棚梁變形、支護(hù)失效等缺陷，工字鋼架棚支護(hù)對(duì)該巷道的淋水、破碎頂板支護(hù)效果不佳。針對(duì)具體的工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)出采用新型防水錨固劑、高強(qiáng)度錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梯子梁、小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索的錨網(wǎng)索新型支護(hù)方案，通過(guò)防水錨固劑的使用及延長(zhǎng)錨固長(zhǎng)度，在100 m的巷道試驗(yàn)段內(nèi)取得了良好的圍巖控制及巷道支護(hù)效果，并在10110運(yùn)輸順槽的后期掘進(jìn)中得到了推廣應(yīng)用。