黃陵二號煤礦巷道支護(hù)現(xiàn)狀及控制措施

華 軍

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

陜西黃陵二號煤礦采用盤區(qū)布置方式。當(dāng)前，隨著礦井四盤區(qū)兩翼開采工作面的不斷推進(jìn)，工作面長度的不斷增加，盤區(qū)內(nèi)開拓和回采巷道均受到不同程度的采動影響和地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，巷道圍巖出現(xiàn)顯著的失穩(wěn)破壞特征。巷道地應(yīng)力狀態(tài)和圍巖條件決定的礦井巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，與現(xiàn)有井巷支護(hù)形式及其支護(hù)強(qiáng)度之間的矛盾日益突出[1-3]。尤其在當(dāng)前高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)進(jìn)程中，對礦井開拓巷道服務(wù)年限以及回采巷道留設(shè)時間的要求進(jìn)一步增加，必須對黃陵二號煤礦井巷的支護(hù)形式和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。

因此，針對陜西黃陵二號煤礦不同類型巷道的支護(hù)形式和參數(shù)，分析現(xiàn)有巷道支護(hù)形式和強(qiáng)度條件下的圍巖失穩(wěn)破壞原因，計算不同類型巷道所需的支護(hù)強(qiáng)度，提出改進(jìn)和優(yōu)化措施，以期消除動壓和構(gòu)造對巷道破壞的影響，保證巷道的正常服務(wù)年限。

1 不同類型巷道原有支護(hù)形式及參數(shù)

1.1 開拓巷道

目前礦井開拓巷道均采用“鋼筋網(wǎng)片+錨桿+錨索+噴漿”的支護(hù)形式，錨桿采用φ20 mm×2 100 mm螺紋鋼錨桿，菱形布置，間排距800 mm×800 mm；錨索采用單托盤形式，規(guī)格為φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，托盤采用16b槽鋼加工，托盤長度400 mm；鋼筋網(wǎng)片采用φ6.5 mm圓鋼加工；噴射混凝土強(qiáng)度為C20，厚度100 mm。典型的開拓巷道支護(hù)形式及參數(shù)如圖1所示。在此支護(hù)形式中，各支護(hù)單元在形成的復(fù)合支護(hù)體系中存在的作用如下。

圖1 輔運大巷斷面支護(hù)圖

錨桿：依據(jù)錨桿的組合拱理論，錨桿一方面在由錨頭和緊固端為頂點的錐形體壓縮區(qū)產(chǎn)生應(yīng)壓力，增加節(jié)理裂隙面或巖塊間的摩擦阻力，防止巖塊轉(zhuǎn)動和滑動，亦增大了巖體的粘結(jié)力，提高了破碎巖體的殘余強(qiáng)度；另一方面，錨桿產(chǎn)生的應(yīng)壓力，改善了圍巖力狀態(tài)，使壓縮帶內(nèi)的巖石處于三向受力狀態(tài)，從而使巖體強(qiáng)度得到提高[4-5]。

鋼筋網(wǎng)片：一方面可以用來控制錨桿間的圍巖，防止由于錨桿間產(chǎn)生的拉應(yīng)力對巷道圍巖局部的破壞和掉塊；同時鋼筋網(wǎng)片也可作為噴射混凝土的配筋，提高噴層的整體性，改善噴層的抗拉性能。

噴射混凝土：①加固與防止風(fēng)化作用；②改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用，一方面將圍巖表面凹凸不平處填平，消除圍巖面不平引起的應(yīng)力集中體現(xiàn)；另一方面，將圍巖由雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向受力狀態(tài)，提高了圍巖的強(qiáng)度；③柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)作用，體現(xiàn)讓壓支護(hù)特性，使圍巖應(yīng)力得到一定程度的釋放，同時在圍巖應(yīng)力釋放的過程中產(chǎn)生愈來愈大的支護(hù)反力，抑制圍巖產(chǎn)生過大的變形，防止圍巖發(fā)生松動破碎。

錨索：根據(jù)錨索的懸吊理論，通過其錨固深度大的特點，可將下部不穩(wěn)定巖層或用錨桿支護(hù)形成的組合拱區(qū)域進(jìn)一步與巷道更加穩(wěn)定的巖層相結(jié)合，增加巷道支護(hù)的可靠性。

1.2 回采巷道

回采巷道采用“鐵絲網(wǎng)片+錨桿+錨索”的支護(hù)形式。以輔運巷為例，頂板錨桿采用φ20 mm×2 800 mm螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；煤柱側(cè)幫錨桿采用φ20 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm；采面?zhèn)葞湾^桿采用φ20 mm×2 600 mm樹脂錨桿；頂部和煤柱側(cè)幫錨桿后均壓設(shè)φ16圓鋼加工的鋼帶；頂板采用錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，錨索梁規(guī)格為“一梁五索”；錨索規(guī)格為φ21.8 mm×12 300 mm鋼絞線，錨索梁采用16b槽鋼加工，長度為4 400 mm；錨索的間排距為1 000 mm×1 600 mm；頂部網(wǎng)盤采用10#鐵絲網(wǎng)，幫部采用高強(qiáng)度復(fù)合網(wǎng)。斷面支護(hù)形式及參數(shù)如圖2所示。在此支護(hù)形式中，各支護(hù)單元在形成的復(fù)合支護(hù)體系中的作用如下。

圖2 輔運巷斷面支護(hù)圖

錨桿：鑒于巷道頂板壓力明顯大于幫部壓力，故錨桿支護(hù)單元需重點分析頂錨桿的作用，由于回采巷道斷面均為矩形，且巷道頂板圍巖多為層狀結(jié)構(gòu)，故在此錨桿作用不同于開拓巷道的組合拱理論，而是傾向于組合梁理論所闡述的作用，即一方面錨桿的錨固力增加了各巖層間的接觸壓力，避免各巖層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面增加了巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將作用范圍內(nèi)的幾個巖層錨固成一個較厚的組合梁，以增加抗彎曲應(yīng)變和承載應(yīng)力能力。

鋼帶：起強(qiáng)化錨桿支護(hù)整體性的作用，它將單根錨桿連接起來，組成一個整體承載結(jié)構(gòu)，從而提高錨桿支護(hù)的整體效果。

網(wǎng)片：不管是頂部的鐵絲網(wǎng)片還是幫部的復(fù)合網(wǎng)，在此支護(hù)形式中的作用均為維護(hù)錨桿間的圍巖，防止小塊松散圍巖掉落，同時，也起到聯(lián)系各錨桿組成支護(hù)整體的作用。

錨索梁：本支護(hù)形式的錨索梁支護(hù)機(jī)理與開拓巷道支護(hù)中的錨索支護(hù)機(jī)理相同，但本支護(hù)形式中將單錨索改為錨索梁，這樣可將錨索支護(hù)的整體性加強(qiáng)，將單錨索的點支護(hù)發(fā)展為線支護(hù)，同時也增加了本支護(hù)形式的可靠性。

2 巷道失穩(wěn)破壞類型與原因

2.1 破壞類型

通過對遭受破壞井巷的表象觀察，以及借助先進(jìn)的窺視儀器對巷道深部的內(nèi)窺成像，將巷道破壞類型歸類如下。

頂板失穩(wěn)：頂板失穩(wěn)主要通過表現(xiàn)較為激烈的頂板冒落，以及無外向表現(xiàn)但內(nèi)部破壞已十分嚴(yán)重的離層兩種情況，這兩種情況前者破壞大，而后者雖未造成破壞，但正是頂板受損的開始。①冒頂作為一種較為劇烈的頂板破壞形式，雖然發(fā)生頻率低，但存在破壞性較大，維護(hù)難度大，維護(hù)成本高，安全隱患大等特點，隨著礦井四盤區(qū)兩翼推采進(jìn)度的加大，以及工作面走向長度的加長，礦井開拓和回采巷道出現(xiàn)冒頂?shù)念l次也出現(xiàn)了增加，礦井的北二大巷及最近準(zhǔn)備的410和409工作面的回風(fēng)留巷均出現(xiàn)了不同程度的頂板冒落，冒落寬度寬窄不一，有的達(dá)整個巷道寬度，有的寬度僅有1 m左右，冒落高度有的高達(dá)3～5 m，冒落長度有的長近30 m，有的僅在5 m左右?，F(xiàn)場情況及冒落斷面簡圖如圖3所示；②頂板離層作為一種較為隱蔽的頂板破壞方式，從表象上會給人以完好的假象，但內(nèi)部的已經(jīng)產(chǎn)生不可逆的破壞，在此基礎(chǔ)上頂板只會進(jìn)一步破壞，直至頂板冒落，期間只是時間的長短而已，而隨著礦井單個工作面的走向長度不斷加大，工作面留巷的時間也會不斷加長，遭受的破壞程度也就越大，所以在同等的支護(hù)條件下，留巷時間更長的409回風(fēng)巷比410回風(fēng)巷的破壞程度要大。通過先進(jìn)的內(nèi)窺設(shè)備，可以對頂板中利用現(xiàn)有的頂板離層儀無法測得的頂板離層進(jìn)行直觀的窺視，真實的反應(yīng)出頂板的現(xiàn)狀，如203工作面膠帶巷的頂板看似完整，但通過內(nèi)窺設(shè)備觀察，頂板在0～2 m的深度內(nèi)出現(xiàn)了近10個離層，反應(yīng)了礦井井巷頂板在看似完整的情況下，已出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破壞，總結(jié)這10個離層，可以發(fā)現(xiàn)離層多發(fā)生于頂板中夾有的煤線，基于此判斷，巷道頂板中的煤線是頂板出現(xiàn)離層的一個重要的客觀因素，而在窺視中發(fā)現(xiàn)在據(jù)頂板表面5 m深的部位，仍然存在煤線，故頂板存在著進(jìn)一步加大離層深度的可能性。具體情況如圖4所示。

a-北二一號輔運大巷冒頂圖；b-409回風(fēng)巷冒頂示意圖圖3 頂板冒落型破壞特征

a-203膠帶巷完整頂板；b-203膠帶巷頂板離層；c-203膠帶巷頂板中煤線；d-北二一號輔運大巷頂板煤巖結(jié)合部離層圖4 頂板離層型破壞

幫部內(nèi)臌或片幫：由于開拓和回采巷道存在支護(hù)形式的不同，開拓巷道幫部以內(nèi)臌為主，回采巷道幫部以片幫為主，在北二受損大巷中幫部嚴(yán)重部位內(nèi)臌達(dá)近2 m，長度達(dá)到20 m以上，遍及整個巷道高度；同時北二區(qū)域的回采巷道幫部片幫現(xiàn)象很普遍，在掘進(jìn)過程中，巷道幫部就會發(fā)生不同程度的片幫，最大片幫量超過1 m，設(shè)計寬度為4.6 m的輔運巷，在片幫嚴(yán)重時，巷道寬度能達(dá)到6 m。內(nèi)臌和片幫使巷道幫部失去強(qiáng)度，加大了頂板跨度，使巷道頂板的承載強(qiáng)度變大，頂板來壓后，壓力向幫部縱深方向傳遞，加劇幫部內(nèi)臌和片幫，形成惡性循環(huán)。

底臌特征：底臌作為一種常見的礦壓表現(xiàn)形式，在二號煤礦是較為普遍的，受北二區(qū)域兩翼回采壓力影響，此次北二4條大巷底臌較為劇烈，幾乎遍及整個巷道，底臌量多達(dá)2 m以上，如圖5所示。從機(jī)理上說，在地質(zhì)條件不變，且巷道兩幫內(nèi)移量異常增大的情況下，本大巷的大量底臌主因為在兩幫巖層的擠壓下，使失去垂直方向上承載能力的底板巖層向巷道內(nèi)彎曲[6]，直至巖層穩(wěn)定。

a-北二三聯(lián)巷風(fēng)門底臌破壞特征;b-北二一號輔運大巷底臌特征圖5 巷道底臌破壞特征

2.2 巷道失穩(wěn)破壞原因

根據(jù)以上各破壞的類型以及表現(xiàn)形式，分析巷道破壞原因如下。

地質(zhì)構(gòu)造影響：作為一個影響礦井井巷破壞的重要客觀因素，地質(zhì)構(gòu)造一直是無法避免的，以本次北二4條大巷受損為例，根據(jù)礦井地質(zhì)圖可以發(fā)現(xiàn)，4條大巷損壞區(qū)域為礦井煤層最低處，呈旋回構(gòu)造，這也導(dǎo)致了兩側(cè)工作面回采結(jié)束后，區(qū)域頂板失穩(wěn)，形成水平側(cè)向力較大，對巷道幫部形成擠壓，使各巷均產(chǎn)生不同程度的內(nèi)移。

采動壓力影響：工作面開采完成后，在回采巷道是在留巷的一側(cè)形成采空區(qū)，而兩翼的四盤區(qū)是在北二大巷的兩側(cè)均形成采空區(qū)，這使得巷道上覆巖體應(yīng)力重新分布，巷道附近地層壓力增大，進(jìn)而增加作用在巷道兩幫煤(巖)體和支護(hù)體上的壓力，造成巷道片幫和內(nèi)臌，同時增大了的巷道頂壓使巷道兩幫沉入巷道底板，加之巷道兩幫的內(nèi)移，造成底臌。

支護(hù)強(qiáng)度不足：支護(hù)是作為保證巷道圍巖的穩(wěn)定，克服地質(zhì)構(gòu)造及采動礦壓的影響，是礦井實現(xiàn)正常生產(chǎn)的基本手段。巷道支護(hù)強(qiáng)度相對于地質(zhì)構(gòu)造和采動礦壓對巷道圍巖產(chǎn)生壓力的大小比較，決定著巷道圍巖的穩(wěn)定程度，從近期開拓和回采巷道遭受的破壞程度可以判斷出，當(dāng)前礦井井巷的支護(hù)強(qiáng)度明顯滿足不了需要，也就是支護(hù)強(qiáng)度不足。

3 支護(hù)強(qiáng)度分析及改進(jìn)措施

在上述巷道破壞原因分析中，地質(zhì)構(gòu)造和采動礦壓是不可改變的客觀因素，不能進(jìn)行改進(jìn)，而支護(hù)強(qiáng)度是可以根據(jù)圍巖承受壓力情況進(jìn)行改進(jìn)的主觀因素?，F(xiàn)就目前巷道中所使用的主要支護(hù)材料錨桿、錨索進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度分析。

3.1 錨桿支護(hù)強(qiáng)度分析

由于錨桿支護(hù)在開拓巷道中主要適用組合拱理論，而在回采巷道中適用組合梁理論，故將兩種巷道類型的錨桿強(qiáng)度分開分析。

開拓巷道：在開拓大巷的損壞中錨桿出現(xiàn)拉脫、拉斷或托盤拉穿的現(xiàn)象較少，說明巷道支護(hù)所用錨桿的錨固力、強(qiáng)度以及錨桿托盤的強(qiáng)度均能滿足圍巖穩(wěn)定需要。而根據(jù)窺視結(jié)果可發(fā)現(xiàn)巷道最大的破碎深度已達(dá)到2.2 m，不僅超過了支護(hù)錨桿2 m的錨固深度，同時根據(jù)組合拱理論，巷道中出現(xiàn)大面積的圍巖失穩(wěn)變形，說明錨桿支護(hù)形成的擠壓加固拱不能承壓載荷明顯小于圍巖壓力，加固拱的厚度需增加，根據(jù)加固拱厚度與錨桿長度和間距之間的關(guān)系公式

(1)

式中：b—加固拱厚度，m，取值大于2.2；L—錨桿的有效長度，m；α—錨桿在松散體中的控制角，以45°計；a—錨桿的間距，m，取值0.8。故由式(1)可以計算出L>3 m，故目前巷道中使用的2.1 m長的錨桿已達(dá)不到支護(hù)要求，與要求的3 m以上相差較大，需加強(qiáng)。

回采巷道：同樣根據(jù)現(xiàn)場巷道冒頂后錨桿破壞情況可以看出，錨桿的未被拉脫、拉斷，但錨桿托盤被拉穿，說明錨桿錨固力、錨固深度以及桿體的強(qiáng)度均能滿足巷道支護(hù)的需要，而錨桿托盤的強(qiáng)度達(dá)不到支護(hù)需要；同時在對203膠帶巷新掘巷道內(nèi)窺中，發(fā)現(xiàn)在巷道頂板看似完整情況下，在0～2 m的范圍內(nèi)仍有10個離層，頂板已被破壞，說明錨桿的預(yù)緊力不足，不能對頂板進(jìn)行有效的支護(hù)，同時也能說明錨桿錨固深度能滿足要求，需就錨桿托盤強(qiáng)度及錨桿預(yù)緊力進(jìn)行回采巷道的錨桿支護(hù)強(qiáng)度分析。

預(yù)緊力：根據(jù)相關(guān)研究，錨桿的預(yù)緊力與螺母的扭矩存在以下計算公式

(2)

式中：F—錨桿預(yù)緊力；α—錨桿螺紋相對上升角；k—螺母與錨桿絲扣間的摩擦系數(shù)；D1—螺母外接圓直徑；D2—螺母內(nèi)圓直徑；μ—螺母與托盤間的摩擦系數(shù)；M(φ)—螺母預(yù)緊力矩。根據(jù)目前礦井所用錨桿型號，可以設(shè)定：α，k，μ依次為12°，0.1，0.14；D1，D2，D分別為39.3，20.0，19.5 mm，可將式(2)簡化為

F=0.198M(φ)

(3)

同時，根據(jù)山巖壓力系數(shù)法頂壓計算公式

Pd=Sz·γ·2α

(4)

式中：γ—圍巖容重，t/m3，取值2.7；Sz—山巖壓力系數(shù)，取值0.5(圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、弱風(fēng)化狀態(tài))；α—巷道掘進(jìn)斷面跨度之半，m，取值2.3；由此可算得式(4)中，Pd=6.21 t/m2，同樣根據(jù)壓力計算公式

F=Pd×S

(5)

式中：S—錨桿有效支護(hù)面積，m2，取值0.64(頂錨桿間排距為800 mm×800 mm)。故可算出F=3.97 t，帶入式(3)中可得出M(φ)=201 N·M。而為了實現(xiàn)頂板的均衡支護(hù)，就需使錨桿的預(yù)緊力達(dá)到錨索的100 kN，此時根據(jù)公式預(yù)緊扭矩值為505 N·M。由此可見，不管是為了滿足頂板圍巖支護(hù)的需要，還是實現(xiàn)頂板的均衡支護(hù)需要的錨桿扭矩均大于設(shè)計值100 N·M，故錨桿的預(yù)緊扭矩存在嚴(yán)重不足。

托盤強(qiáng)度：礦井目前所用錨桿托盤是由Q235鋼板加工而來，根據(jù)受力分析，各錨桿托盤在支護(hù)中主要受到剪切方向的作用力，而各項標(biāo)準(zhǔn)中并未提供Q235鋼板抗剪強(qiáng)度，故暫無法通過計算托盤剪切強(qiáng)度的方式對巷道中錨桿托盤支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行分析。只能根據(jù)巷道破壞后對現(xiàn)場的觀察來確定，在對409回風(fēng)巷修復(fù)過程中，可以看出巷道中冒頂區(qū)域頂錨桿拉脫、拉斷很少，基本是錨桿托盤被拉脫，說明在支護(hù)中，錨桿托盤的強(qiáng)度不能滿足巷道受壓后的支護(hù)需要。

3.2 錨索支護(hù)強(qiáng)度分析

首先通過對出現(xiàn)破壞的巷道的錨索支護(hù)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)錨索未出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象，主要以拉斷、剪斷為主，同時也有錨索梁被拉穿的現(xiàn)象，類似于上節(jié)錨桿托盤強(qiáng)度，說明內(nèi)容一樣，暫無法通過數(shù)理表達(dá)方式給出錨索梁不足的依據(jù)，只能認(rèn)定其強(qiáng)度存在不足，而錨索被拉斷，可通過計算給出驗證，由于開拓和回采巷道中錨索作用相同，均是懸吊作用，所以本次以工作面輔運巷中錨索的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計算分析。

根據(jù)式(5)的計算公式，在錨索間排距為1 000 mm×1 600 mm，故S取值1.6，由此計算出單根錨索受力為9.94 t，而在對礦井所用的φ21.8 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行的力學(xué)性能實驗中，整根鋼絞線最大拉力大于452 kN，即超過45.2 t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨索的實際受力，故在巷道掘進(jìn)過程中，極少出現(xiàn)錨索損壞現(xiàn)象，也就是在此過程中錨索支護(hù)強(qiáng)度能滿足巷道支護(hù)需求。但在工作面回采后，作為留巷的輔運巷錨索出現(xiàn)破壞的情況較多，說明在工作面回采后，頂板錨索破壞較多，且以拉斷為主，說明現(xiàn)有錨索支護(hù)在經(jīng)過回采礦壓影響后，不能滿足頂板來壓需求，同時存在著受井下環(huán)境腐蝕，錨索自身強(qiáng)度降低，導(dǎo)致錨索支護(hù)強(qiáng)度不足。

3.3 巷道支護(hù)改進(jìn)措施

增加錨桿預(yù)緊扭矩：對錨桿進(jìn)行3次預(yù)緊，分別通過鉆機(jī)、加力扳手以及風(fēng)炮對錨桿進(jìn)行不同程度的預(yù)緊，最終實現(xiàn)錨桿的高預(yù)緊力，達(dá)到增加錨桿支護(hù)強(qiáng)度的目的。

增加托板厚度：將10 mm厚托板更換為12 mm厚，通過加厚錨桿托板，增加錨桿托板的抗剪強(qiáng)度，防止錨桿托盤被拉穿。

大巷錨桿：在大巷維護(hù)過程中采用φ22 mm×3 500 mm金屬錨桿代替φ20 mm×2 100 mm錨桿，加厚巷道組合拱厚度，增強(qiáng)巷道抗壓強(qiáng)度。

改7芯鋼絞線錨索為19芯防腐錨索：錨索的改變不僅增加了現(xiàn)有錨索支護(hù)的強(qiáng)度，同時也增加了錨索的防腐蝕能力，是錨索在經(jīng)歷長時間的井下環(huán)境腐蝕后，仍能具備較高強(qiáng)度，發(fā)揮應(yīng)有的支護(hù)作用。

4 結(jié)論

(1)礦井巷道圍巖破壞特征主要表現(xiàn)為頂板離層、冒落，幫部內(nèi)臌或片幫，以及強(qiáng)烈底臌為主，分析其主要因素可知，旋回地質(zhì)構(gòu)造、強(qiáng)烈采動影響和支護(hù)形式及支護(hù)強(qiáng)度不足是導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞的主要原因。

(2)巷道支護(hù)強(qiáng)度計算分析表明，錨桿長度短、錨桿預(yù)緊力小、錨桿托盤強(qiáng)度低、錨索索體易銹蝕和拉剪破壞是造成巷道圍巖難以有效控制的主要誘因。因此，提出了以錨桿實施3次預(yù)緊、增加托板厚度、增加錨桿直徑和長度、采用19芯防腐錨索等為主的優(yōu)化措施。