高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)在回采巷道中的應(yīng)用

張 銀

(洪洞陸成煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041600)

0 引言

煤礦巷道支護(hù)理論和實(shí)踐研究表明，錨網(wǎng)索支護(hù)可給予巷道圍巖以主動(dòng)支護(hù)作用，可有效提高巷道圍巖的整體性和強(qiáng)度，進(jìn)而確保巷道收斂變形符合相關(guān)要求[1-3]。山西某礦11#煤層回采巷道多采用普通錨網(wǎng)索支護(hù)，但是，孤島工作面回采過程中因受工作面超前支承壓力作用、采空區(qū)側(cè)向壓力影響等，巷道變形收斂嚴(yán)重，變形量可達(dá)設(shè)計(jì)斷面的20%以上，嚴(yán)重影響工作面安全回采。鑒于普通錨網(wǎng)索在孤島工作面巷道支護(hù)難以滿足要求，決定采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索進(jìn)行巷道支護(hù)，以期提高孤島工作面巷道支護(hù)效果。

1 工作面概況

8512工作面西部為8512-1工作面采空區(qū)，東部為8510工作面采空區(qū)，北部20 m為井田邊界，邊界向北為礦井開采遺留采空區(qū)。工作面所采煤層為11#煤層，煤層均厚2.6 m，煤層傾角平均為6.5°，屬于穩(wěn)定可采厚煤層工作面。8512工作面整體位于南北向斜構(gòu)造中，在掘進(jìn)中揭露落差超過1.5 m的斷層11個(gè)，受構(gòu)造影響局部為薄煤帶。工作面設(shè)計(jì)走向和傾向長(zhǎng)度分別為1 450 m和230 m，直接頂為均厚11 m的泥巖-砂質(zhì)泥巖-細(xì)砂巖，基本頂為均厚14.5 m的中粗粒砂巖，直接底為均厚2.1 m的泥巖。工作面水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，在采掘過程中可能出現(xiàn)小范圍淋水現(xiàn)象。工作面采用放頂煤開采，兩巷設(shè)計(jì)尺寸3 000 mm×5 000 mm(高×寬)，因巷道頂板泥巖-砂質(zhì)泥巖巖性較弱，且頂煤硬度較低，同時(shí)考慮到孤島工作面?zhèn)葔旱纫蛩氐挠绊慬4-7]，決定兩巷采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)。

2 原支護(hù)方案及效果分析

2.1 原支護(hù)方案

以往，礦井回采11#煤層孤島工作面，兩巷多采用普通錨網(wǎng)索支護(hù)，過斷層等構(gòu)造帶時(shí)輔以架設(shè)U型鋼棚支護(hù)。原支護(hù)方案中頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨索采用φ21.6 mm×5 800 mm的鋼絞繩，幫錨桿采用φ18 mm×2 000 mm的樹脂錨桿，幫錨索采用φ15.24 mm×4 500 mm的鋼絞繩，頂錨桿和幫錨桿間排距均為900 mm×900 mm，頂錨索和幫錨索間排距均為1 800 mm×1 800 mm，其中幫錨索僅布置在采空區(qū)側(cè)煤柱。頂板和兩幫鋪設(shè)的金屬網(wǎng)規(guī)格為2 400 mm×1 100 mm的菱形網(wǎng)。

2.2 原支護(hù)效果

根據(jù)回采經(jīng)驗(yàn)，11#煤層孤島工作面采用普通錨網(wǎng)索支護(hù)難以保證巷道回采所需斷面，兩幫收斂變形嚴(yán)重，尤其是斷層等構(gòu)造帶附近，巷道掉頂現(xiàn)象頻見，局部支護(hù)體系失效，嚴(yán)重影響工作面安全回采[8-11]。

巷道收斂變形：巷道收斂變形以兩幫收斂和底臌為主要形式，局部地帶出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象；在回采期間，兩巷收斂量累計(jì)可達(dá)1 056 mm，底臌量累計(jì)可達(dá)670 mm，兩幫和底臌量為巷道設(shè)計(jì)尺寸的21%和22%，且巷道收斂變形量75%以上發(fā)生在采場(chǎng)前方100 m范圍內(nèi)。整體來說，構(gòu)造帶附近網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重，根據(jù)頂板窺視可知，構(gòu)造帶附近頂板離層較明顯，離層多發(fā)生在煤層與頂板交界處和泥巖層范圍內(nèi)。

支護(hù)體系失效：巷道個(gè)別錨桿出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，錨桿和錨索托盤陷入煤體，網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯。為了解決支護(hù)體系失效，在巷道中心處打設(shè)木點(diǎn)柱，對(duì)于錨桿斷裂缺失處給予重新打錨桿和錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但難以有效控制巷道變形。

頂板冒漏傾向性大：由于巷道為全煤巷，頂煤較厚，且支護(hù)體系難以滿足巷道支護(hù)需求，同時(shí)受到上部含水層和斷層等構(gòu)造帶的影響，巷道容易出現(xiàn)頂板離層、頂煤垮落和頂板冒漏現(xiàn)象，輕則影響工作面正?；夭桑貏t會(huì)造成安全事故。

3 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)應(yīng)用

3.1 高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論

預(yù)應(yīng)力支護(hù)是指將錨索一端錨固在基巖內(nèi)，然后在自由端進(jìn)行張拉，對(duì)圍巖施加壓力對(duì)不穩(wěn)定巖層進(jìn)行錨固，高預(yù)應(yīng)力支護(hù)要求所施加的錨索預(yù)緊力不低于300 kN，屬于主動(dòng)支護(hù)。在高預(yù)應(yīng)力作用下，圍巖產(chǎn)生壓縮并形成“承載拱”，可大幅度提高圍巖的整體性和自承載能力，可有效降低巷道圍巖早期變形和頂板離層[12-16]。且預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)能夠促使支護(hù)體與圍巖形成復(fù)合體，提高被支護(hù)巖體的抗剪和抗拉能力，能有效降低采空區(qū)側(cè)向壓力對(duì)巷道圍巖的不利影響，進(jìn)而提高巷道的穩(wěn)定性。

3.2 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)方案

通過分析11#煤層原支護(hù)條件下巷道變形特點(diǎn)，認(rèn)為合理選擇支護(hù)方式是提高巷道穩(wěn)定性最直接、最有效途徑。同時(shí)考慮到8512工作面煤巖體特性、構(gòu)造影響、煤層厚度、巷道斷面需求等，決定在8512工作面兩巷采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)，現(xiàn)以工作面回風(fēng)巷為例進(jìn)行研究，8512工作面回風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)如圖1所示。

頂板支護(hù)：頂錨桿選用φ20 mm×2 000 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼托盤的規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，錨桿間排距為940 mm×900 mm，每根錨桿采用1支MSK2380型錨固劑進(jìn)行錨固，要求錨固力不低于95 kN；頂錨索選用φ21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線，鋼托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×15 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，錨索排距900 mm，每?jī)膳挪贾?根，分別按照2、4眼位和3、5眼位布置，眼位間距940 mm，每根錨索采用2支MSK23100的樹脂藥卷進(jìn)行錨固，預(yù)緊力不低于300 kN；頂網(wǎng)采用2 100 mm×1 000 mm鋼筋網(wǎng)，每排2片，橫向鋪設(shè)。

a-正視圖；b-俯視圖圖1 8512工作面回風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)示意圖

兩幫支護(hù)：幫錨桿選用φ20 mm×2 000 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，托盤規(guī)格與頂錨桿相同，錨桿間排距為800 mm×900 mm，其中頂角錨桿距頂板350 mm，與水平呈25° 角，錨固力不低于75 kN；幫錨索僅布置在采空區(qū)側(cè)，錨索選用φ21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線，托盤與頂錨索托盤規(guī)格相同，錨索間排距為900 mm×1 600 mm，錨固方式與頂錨索相同，預(yù)緊力不低于300 kN。幫網(wǎng)選用規(guī)格2 400 mm×1 000 mm的菱形網(wǎng)，每排每幫一片，豎向鋪設(shè)。

3.3 支護(hù)效果分析

圖2 巷道圍巖表面位移變化曲線

鑒于11#煤層孤島工作面兩巷收斂變形量75%以上出現(xiàn)在工作面回采超前段，故在8512工作面回風(fēng)巷距離采場(chǎng)100 m范圍內(nèi)布置“十字交叉”測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行巷道圍巖變形觀測(cè)，結(jié)果如圖2所示。由觀測(cè)結(jié)果可知，隨回采推進(jìn)，頂?shù)装謇塾?jì)收縮變形為228 mm，為設(shè)計(jì)高度的7.6%，且頂?shù)装迨諗孔冃沃饕l(fā)生在采場(chǎng)前方25 m范圍，約占總收斂變形量的83%；兩幫累計(jì)收斂變形量為546 mm，為設(shè)計(jì)尺寸的10.9%，且兩幫收斂變形主要發(fā)生在采場(chǎng)前方30 m范圍內(nèi)，約占總收斂變形量的79%。為了了解頂板里層情況，在采場(chǎng)前方50 m范圍內(nèi)向頂板打鉆孔進(jìn)行窺視，結(jié)果顯示，頂板離層多發(fā)生在頂煤與頂板交界處，離層量最大11 mm，平均為4.2 mm，離層不明顯。由此可知，通過高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)可以有效提高4#煤層8512巷道支護(hù)效果，巷道變形量和頂板離層量較小，能夠滿足工作面回采需求。

4 結(jié)語

高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)能夠給予圍巖強(qiáng)有力的主動(dòng)支護(hù)，可有效提高巷道圍巖的整體強(qiáng)度和自穩(wěn)性，可有效抑制巷道圍巖變形和頂板離層。8512工作面支護(hù)實(shí)踐表明，通過高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道收斂變形量不到巷道設(shè)計(jì)尺寸的10%，能夠保證工作面回采需求，支護(hù)效果較好，說明11#煤層孤島工作面回采巷道采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)是可行的，能夠達(dá)到預(yù)期支護(hù)目的。