強(qiáng)膨脹性圍巖回采巷道的支護(hù)參數(shù)研究

司海云

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)七一煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)七一煤業(yè)有限公司主采9號(hào)煤層，埋深80～150m，煤層厚度1.10～1.72m，平均1.51m左右，煤層傾角較小，平均4°，為近水平薄煤層，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法。其直接頂板為泥巖和粉砂巖，厚度為2.50～3.30m，單向抗拉強(qiáng)度平均為0.73MPa，抗壓強(qiáng)度平均為13.4MPa，該巖層遇水膨脹，力學(xué)性質(zhì)變低，易垮落；底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚度約2.6m，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為12.7MPa和0.68MPa，遇水膨脹，為不穩(wěn)定巖層；基本頂多為細(xì)粒砂巖或石灰?guī)r，力學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為38.6MPa和3.03MPa。9號(hào)煤層上方3號(hào)煤層已開(kāi)采，9號(hào)煤層上覆巖層不夠完整穩(wěn)定，再加上9號(hào)煤圍巖多為泥巖，遇水膨脹，強(qiáng)度大幅降低，傳統(tǒng)巷道支護(hù)很難維護(hù)，研究適宜的支護(hù)參數(shù)技術(shù)迫在眉睫[1-2]。

2 頂?shù)装迦珟r礦物成分分析

對(duì)9號(hào)煤回采巷道的圍巖進(jìn)行取樣，并對(duì)巖樣進(jìn)行礦物X射線分析。從衍射結(jié)果來(lái)看，9號(hào)煤頂?shù)装迥鄮r中含有大量的黏土礦物，頂板黏土礦物含量為48%，石英含量為52%，其中伊/蒙混層含量為17%，高嶺石含量為69%，底板黏土礦物含量為46%，石英含量為49%，剩余為少量的鉀長(zhǎng)石，其中伊/蒙混層含量為18%，高嶺石含量為64%。從全巖礦物成分中可以看出，頂?shù)装鍑鷰r遇水膨脹性較強(qiáng)，在巷道掘進(jìn)中，無(wú)論是空氣中水分以及其他工程用水對(duì)頂?shù)装鍑鷰r極為不利。

3 回采巷道錨桿錨索支護(hù)設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思路：以錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論、錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)理論為指導(dǎo)，采用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)[3-4]，合理確定錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)。

3.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

考慮該礦實(shí)際地質(zhì)條件，以9101工作面回采巷道為工程背景，首先研究錨桿材質(zhì)、直徑、長(zhǎng)度及支護(hù)間排距等關(guān)鍵參數(shù)[5]。

（1）錨桿材質(zhì)。結(jié)合材質(zhì)特點(diǎn)，可采用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，此錨桿采用專用錨桿鋼材，桿體屈服強(qiáng)度不低于335MPa，錨尾進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，桿尾螺紋規(guī)格M22，采用滾壓加工工藝成型，延伸率17%～20%。

（2）錨桿直徑。錨桿直徑大小直接影響錨桿支護(hù)阻力大小，且成一定線性增長(zhǎng)，直徑越大，支護(hù)體系剛度越大，對(duì)支護(hù)越有力，但錨桿直徑也應(yīng)考慮鉆孔直徑及經(jīng)濟(jì)成本。綜合考慮選擇直徑為20mm。

（3）錨桿長(zhǎng)度。錨桿長(zhǎng)度直接決定錨桿錨固圍巖強(qiáng)化圈的大小，結(jié)合圍巖多為泥巖的性質(zhì)，傳統(tǒng)的錨桿長(zhǎng)度不能滿足要求，參考相似地質(zhì)條件下錨桿長(zhǎng)度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，錨桿長(zhǎng)度不低于2.0m。

（4）錨桿支護(hù)排距。錨桿間排距對(duì)形成錨固圍巖的梁效應(yīng)、拱效應(yīng)、錨固體的整體性以及加固層效應(yīng)具有重要作用，確定錨桿排距在1100mm比較合理。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)

根據(jù)GB/T14370-2000國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鋼絞線-錨具組裝件靜載試驗(yàn)測(cè)定的錨具效率系數(shù)ηa應(yīng)滿足下式要求：

式中：

ηa-錨具效率系數(shù)；

Fapu-抗拉強(qiáng)度，kN；

ηp-鋼絞線協(xié)同作用系數(shù)，一般取0.99；

Fpm-平均極限拉力，kN。

抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足：

Fapu≥ 0.95ηpFpm

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巷道圍巖預(yù)應(yīng)力錨索的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該地質(zhì)條件下錨索的抗拉強(qiáng)度Fms應(yīng)滿足以下條件：

Fms≥ηsFapu

式中：

Fms-該地質(zhì)條件下的抗拉強(qiáng)度，kN；

ηs-工程條件影響系數(shù)，取值0.90；

Fapu-抗拉強(qiáng)度，kN。

故預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)滿足以下條件：

F≥ 0.95ηsηpFpm

式中：

ηs-工程條件影響系數(shù)，取值0.90；

ηp-鋼絞線協(xié)同作用系數(shù)，一般取0.99；

Fpm-平均極限拉力，kN。

直徑為17.8mm鋼絞線，F(xiàn)pm的國(guó)標(biāo)GB/T5224-2003的取值353kN，可計(jì)算出破斷力F1=0.95×0.90×0.99×353=299 kN。

又知巷道掘進(jìn)時(shí)冒落面積為 ：S=9.55m2

可計(jì)算出掘進(jìn)時(shí)冒落拱巖體載荷N0為：

N0=γS=26×9.55=248.4kN/m

式中：

γ- 容重，kg/cm3。

對(duì)照直徑17.8 mm錨索沿巷道頂板每米可承受載荷見(jiàn)表1，可確定當(dāng)錨索直徑為17.8mm時(shí)，錨索布置排距2.2m，每排2根。

表1 直徑17.8 mm錨索沿巷道頂板每米可承受載荷

3.3 綜合支護(hù)參數(shù)

頂板錨桿：使用屈服強(qiáng)度不低于335MPa的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為Ф20×2000mm，一排6根，間距900mm，使用高強(qiáng)的拱形托盤和螺母，頂板采用 Ф6.5mm的鋼筋網(wǎng)輔助支護(hù)，網(wǎng)格為100mm×100mm，錨桿預(yù)緊力不能小于30～40kN。

頂板錨索：使用直徑為17.8mm、7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制的錨索，錨索長(zhǎng)度大于6.3m，間距和排距均為2.2m，配250×250×15mm的高強(qiáng)球型托盤，錨索預(yù)緊力應(yīng)不小于150kN。

兩幫錨桿：采用屈服強(qiáng)度不低于335MPa左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為Ф20×1800mm，兩幫各3根，間距1000mm，預(yù)緊力應(yīng)大于20～30kN。

巷道支護(hù)布置如圖1所示。

4 支護(hù)效果

在9101工作面回采巷道布置三個(gè)圍巖變形觀測(cè)站，每組觀測(cè)站布置兩個(gè)頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)儀和一個(gè)激光測(cè)距儀，監(jiān)測(cè)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量。激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)正、副巷相對(duì)移近量，每個(gè)測(cè)站相距15m?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖2所示。

從圖2可以看出，隨著回采工作面的推進(jìn)，回采巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?1mm，兩幫移近量最大值為193mm?；夭上锏雷冃伪豢刂圃谝欢ǚ秶?，變形穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)未發(fā)生失穩(wěn)，未出現(xiàn)漏頂、冒頂現(xiàn)象，支護(hù)效果良好。

圖1 巷道支護(hù)布置圖

圖2 距工作面不同距離時(shí)圍巖變形量