采動(dòng)影響下松軟圍巖巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)機(jī)理及控制技術(shù)研究

趙 凱

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

霍州煤電龐龐塔礦5-202工作面位于5#煤二采區(qū)，工作面主采5#煤層，煤層均厚為6.1m，平均傾角為25°，煤層平均含兩層夾矸，夾矸總厚度約為1.3m，巖性多數(shù)為碳質(zhì)泥巖，局部有少量泥巖。煤層直接頂為泥巖，均厚1.4m，基本頂為砂質(zhì)泥巖，均厚2.8m，直接底為砂巖，均厚1.2m，基本底為泥巖，均厚2.1m。5-202工作面運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道為矩形斷面，巷道寬度5.2m，高度3.5m，采用錨網(wǎng)梁+單體錨索支護(hù)。頂部選用Ф20×2500mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，巷道頂板斷面內(nèi)布置錨桿6根，幫部選用Ф18×2000mm玻璃鋼錨桿，巷道斷面內(nèi)兩幫各布置錨桿3根，頂板及兩幫錨桿的間排距均為900mm×800mm。頂板布置2根Ф17.8mm×6.0m的錨索，間距為1800mm，排距為1800mm。運(yùn)輸巷原有支護(hù)的具體參數(shù)如圖1所示。

5-202工作面運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r層均較軟弱，且巷道在掘進(jìn)過程中受到三條斷層的影響，使得巷道圍巖松軟破碎。巷道圍巖在回采動(dòng)壓、工作面支承壓力等影響下，出現(xiàn)圍巖變形量大、頂板離層等現(xiàn)象，局部變形嚴(yán)重區(qū)域頂?shù)装逡平窟_(dá)1.2m，兩幫移近量達(dá)1m，且煤柱幫的變形量大于實(shí)體煤幫，需采取進(jìn)一步的支護(hù)手段對(duì)5-202工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

2 采動(dòng)影響下補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理及方案設(shè)計(jì)

2.1 補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理

5-202綜放工作面運(yùn)輸巷在回采動(dòng)壓及覆巖基本頂斷裂后回轉(zhuǎn)下沉對(duì)煤層的擾動(dòng)影響下，巷道頂板巖層的變形量主要取決于水平和垂直應(yīng)力的作用。通過對(duì)工作面頂板進(jìn)行鉆孔窺視能夠看出，巷道頂板巖層在應(yīng)力的作用下出現(xiàn)離層和水平錯(cuò)動(dòng)的情況，并且離層錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象基本出現(xiàn)在煤層和直接頂中。相關(guān)研究表明，影響頂板出現(xiàn)水平錯(cuò)動(dòng)的主要因素有頂煤的厚度、錨桿長(zhǎng)度和采掘關(guān)系，影響頂板離層的主要因素為頂煤強(qiáng)度、錨桿長(zhǎng)度和采掘關(guān)系。根據(jù)影響頂板巖層出現(xiàn)離層和水平錯(cuò)動(dòng)的主要因素，并結(jié)合5-202工作面運(yùn)輸巷圍巖較松軟、具有“離層錯(cuò)動(dòng)”等的特點(diǎn)，對(duì)于此類巷道需采取高預(yù)緊力的雙向控制支護(hù)技術(shù)，而普通的錨網(wǎng)支護(hù)不具備此特點(diǎn)，故綜合確定后擬采用在巷道頂板補(bǔ)設(shè)高預(yù)應(yīng)力桁架錨索的方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制。

圖1 5-202工作面運(yùn)輸巷原有支護(hù)斷面圖

高預(yù)應(yīng)力桁架錨索對(duì)采動(dòng)影響下回采巷道頂板巖層的垂直下沉和水平錯(cuò)動(dòng)的控制均有較好的作用。通過使用桁架錨索對(duì)回采巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，能夠保證在回采期間頂板巖層與桁架錨索始終貼合，提升巷道支護(hù)方案對(duì)圍巖變形的適應(yīng)性，頂板巖層與桁架結(jié)構(gòu)形成的組合承載體能夠有效地降低回采巷道受回采動(dòng)壓的影響程度。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)5-202工作面在原有支護(hù)下巷道圍巖的變形情況，并根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理對(duì)巷道圍巖的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，具體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如下：

（1）原有支護(hù)方案修復(fù)。將巷道原有支護(hù)下?lián)p壞失效的錨桿、錨索以及連接件等支護(hù)材料進(jìn)行全面的替換或整修，需確保原有支護(hù)下錨桿、錨索的支護(hù)能夠起到其自身所具備的作用。

（2）桁架錨索、單體錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在運(yùn)輸巷原支護(hù)基礎(chǔ)上，在頂板原有支護(hù)的每?jī)筛^桿的中部各布置1根Ф17.8mm×8.3m的錨索，共在頂板補(bǔ)設(shè)3根單體錨索，間距1800mm，排距1800mm。在巷道頂板原有兩排錨索中部增加安裝兩根Ф17.8mm×9.3m的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索，巷道頂板表面的桁架錨索孔口間的距離為2.1m，孔幫的距離為1.55m，排距為3.6m。單體錨索及桁架錨索的安裝位置及角度如圖2所示。在對(duì)桁架錨索進(jìn)行張拉時(shí)，起初先進(jìn)行桁架的鎖緊，在鎖緊的1h后進(jìn)行錨索的張拉作業(yè)，設(shè)置錨索的預(yù)緊力為140kN，桁架錨索與垂直方向呈15°安裝，桁架錨索在原本兩排錨索的中間位置打設(shè)，在增設(shè)錨索的位置處通過桁架連接器對(duì)已經(jīng)張拉達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力的錨索進(jìn)行連接。

（3）巷幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在巷道實(shí)體煤幫距離頂板2150mm、950mm的位置分別補(bǔ)打一根Ф20mm×2.0m的玻璃鋼錨桿；在煤柱幫距離頂板950m的位置處補(bǔ)打一根Ф18mm×2.0m的螺紋鋼錨桿，錨桿的預(yù)緊力大于100N·m；在距離底板1m的位置處補(bǔ)打一根Ф17.8mm×6.3m的單體錨索，錨索排距為2.7m，設(shè)置錨索的預(yù)緊力大于150kN，并采用直徑為10mm圓鋼焊接。兩端頭150mm、長(zhǎng)度3000mm的鋼筋梯子梁作為輔助配件配合錨桿、錨索支護(hù)。

（4）單體液壓支護(hù)。在距離兩側(cè)巷幫850mm的位置處采用DW35型單體液壓支柱配合Π型鋼梁對(duì)頂板進(jìn)行支撐，在巷道兩側(cè)Π型鋼梁端頭的150mm位置處布置一根單體液壓支柱，在中間布置兩根單體柱，形成一梁四柱的結(jié)構(gòu)，Π型鋼梁采用長(zhǎng)度為3000mm、強(qiáng)度及剛度滿足使用要求的鋼梁。

根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案所述具體的5-202工作面運(yùn)輸巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的支護(hù)方式如圖2所示。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案示意圖

3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果分析

3.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

為有效分析補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的合理性，根據(jù)5-202工作面運(yùn)輸巷的地質(zhì)條件，建立補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案下的數(shù)值模擬模型。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)工作面回采期間運(yùn)輸巷在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案下圍巖塑性區(qū)的分布狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)距離工作面前方10m和30m位置處巷道塑性區(qū)域的分布情況進(jìn)行出圖分析，具體如圖3所示。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案下運(yùn)輸巷圍巖塑性區(qū)分布

通過分析圖3可知，隨著巷道距回采工作面距離的減小，巷道圍巖塑性破壞區(qū)域的范圍會(huì)逐漸增大，且煤柱幫的變形程度大于實(shí)體煤幫的變形程度。由于工作面回采動(dòng)壓的影響，在超前工作面10～30m的范圍內(nèi)，實(shí)體煤錨桿的錨固深度均大于塑性區(qū)域的發(fā)育深度，煤柱幫塑性區(qū)域的發(fā)育深度已經(jīng)超過錨桿的錨固范圍，但后期在煤柱幫補(bǔ)強(qiáng)的錨桿對(duì)煤柱幫起到了有效的控制作用，巷道頂板在桁架錨索+錨桿+長(zhǎng)短錨索的支護(hù)下，塑性區(qū)域的發(fā)育深度基本與錨桿支護(hù)深度相同，錨索對(duì)頂板支護(hù)起到控制作用，且在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案下，巷道頂板塑性區(qū)的發(fā)育高度不會(huì)隨著距回采工作面距離的縮短而變化。

綜合上述模擬分析結(jié)果，5-202工作面運(yùn)輸巷在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案下巷道圍巖能夠得到有效控制，設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖的強(qiáng)化控制作用效果較為理想，為現(xiàn)場(chǎng)具體應(yīng)用該補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案提供依據(jù)。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)分析

在巷道表面布置測(cè)站，對(duì)巷道圍巖的頂?shù)装逡平?、兩幫移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過在超前工作面80m的位置處布置位移監(jiān)測(cè)站，對(duì)回采期間礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果得出圍巖變形量、變形速度與回采工作面距離之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

通過分析圖4能夠得出，在工作面回采期間，巷道圍巖的變形量及變形速率均隨著距回采工作面距離的增大而逐漸減小。超前支撐壓力的影響范圍大致為40m，在超前支撐壓力的影響范圍內(nèi)圍巖的變形速度較快，當(dāng)超出此范圍時(shí)圍巖的變形速率便保持平緩狀態(tài)。巷道在采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案后，在工作面超前支承壓力和側(cè)向支撐壓力的共同作用下，巷道頂板的最大下沉量為395mm，兩幫的最大移近量為685mm，滿足回采巷道的使用要求。

圖4 5-202工作面回采期間運(yùn)輸巷圍巖變形量與變形速率

4 結(jié)論

通過對(duì)采動(dòng)影響下5-202工作面運(yùn)輸巷在原有支護(hù)方式下巷道圍巖大的變形情況進(jìn)行具體分析，并結(jié)合補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理對(duì)巷道的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，提出在原有支護(hù)基礎(chǔ)上增設(shè)桁架錨索、單體錨索和單體液壓支柱的方式控制巷道圍巖變形。根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案實(shí)施后，頂板的最大下沉量為395mm，兩幫的最大移近量為685mm，有效控制了圍巖變形，保證了巷道在回采期間的正常使用。