高應(yīng)力千米埋深綜掘煤巷全錨索支護(hù)技術(shù)研究

房萬偉 李 洋 陳業(yè)強(qiáng)

(內(nèi)蒙古福城礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014217)

隨著巷道埋深超過1000m，原有支護(hù)方式無法滿足現(xiàn)場支護(hù)強(qiáng)度需求。為減少巷道變形，確保后期安全開采，2018年8月份長城二礦開始對1907S運(yùn)輸巷進(jìn)行支護(hù)改革。通過初始設(shè)計—實施設(shè)計—礦壓觀測—修改初始設(shè)計四個步驟，確定了合理的支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)巷道頂板管理，提高巷道支護(hù)強(qiáng)度。經(jīng)過1030m的支護(hù)試驗，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤鶟M足設(shè)計要求，實現(xiàn)了安全、快速、高效掘進(jìn)。

1 工程概況

1907S運(yùn)輸巷設(shè)計長度1010m，巷道對應(yīng)地面標(biāo)高為+1252～ +1257m，底板標(biāo)高為+240～+320m，巷道埋深約937m～1012m。采用EBZ-230綜掘機(jī)沿9上煤頂板掘進(jìn)。

掘進(jìn)巷道位于9層煤內(nèi)，9層煤分上下分層，分層夾矸為粉砂巖，厚0.18～1.4m，實際揭露平均厚度0.68m。其中9上煤，厚1.3m～0.9m，平均1.10m；9下煤，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2～3層夾矸，厚2.45m。9上煤頂板為灰?guī)r，9上煤頂板實際施工過程中近600m存在泥巖偽頂，平均厚度0.45m，其上灰?guī)r實際揭露厚度1.1～1.7m；再上為砂質(zhì)泥巖，實際揭露0.5～1.7m；再上為粉砂巖，厚9.35m。9層煤底板為細(xì)砂巖，厚4.2m；再下為10煤，厚0.66m。

2 支護(hù)設(shè)計

2.1 巷道斷面及支護(hù)方式

巷道凈寬×中凈高=4.5×3.5m，S荒=16.9m2，S凈=15.7m2。

巷道采用前探梁臨時支護(hù)，頂板采用錨索帶網(wǎng)支護(hù)，兩幫采用錨帶網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。具體如下：頂板錨索采用1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線制作，規(guī)格為Φ17.8mm×L4200mm，配“W”鋼帶及鋼塑復(fù)合網(wǎng)支護(hù)，錨索間排距1200mm×1500mm。兩幫采用MSGLD-600(X)等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿（Φ22mm×L2400mm）配“W”鋼帶及雙向拉伸塑料網(wǎng)支護(hù)，上幫錨桿間排距1300mm×1200mm，下幫錨桿間排距1000mm×1200mm；錨桿托盤規(guī)格145mm×145mm×10mm。

2.2 支護(hù)參數(shù)選取依據(jù)

2.2.1 錨索的長度計算

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：

L-錨索總長度，m；

La-錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取1.5m；

Lb-需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，掘進(jìn)中不穩(wěn)定巖層最厚為2.2m；

Lc-上托盤及錨具的厚度，取0.15m；

Ld-需要外露的張拉長度，取0.2m。

L=La+Lb+Lc+Ld=1.5+2.2+0.15+0.2=4.05m

考慮一定的安全系數(shù)，且根據(jù)計算取頂板錨索長度L=4.2m。

2.2.2 錨索排距計算

B=n×Q/（K×S×Y）

式中：

B-錨索排距，m；

n-每排錨索的根數(shù)，取4；

Q-錨索的極限承載力，取379×0.8=303kN；

K-安全系數(shù)，取1.5；

S-頂板冒落的面積，m2；

S=0.5×h×H（其中h為潛在冒高，H為巷道寬度，h=1.5H=1.5×4.7=7.05m）

Y-煤巖體容重，取25kN/m3。

得：B=1.95m＞1.5m

結(jié)合計算，類比鄰近巷道，并考慮一定的安全系數(shù)，確定支護(hù)設(shè)計為頂板錨索采用1×19結(jié)構(gòu)鋼絞線制作，規(guī)格為Φ17.8mm×L4200mm，錨索間排距1500mm×1500mm以內(nèi)均符合要求。具體支護(hù)設(shè)計圖見圖1。

3 全錨索支護(hù)配套的五項實用技術(shù)

3.1 臨時支護(hù)裝置優(yōu)化

巷道前期采用4寸圓管作為前探梁，因錨索外露150～250mm，導(dǎo)致吊環(huán)長度過長，前探梁無法接頂。為此設(shè)計使用M鋼帶桁架梁代替吊環(huán)。每根前探梁使用M鋼帶桁架梁懸掛在頂板錨索上，桁架梁全長1.5m，按照錨索間距割眼并加工擋塊，防止前探梁管子滾動。通過錨索錨具將桁架梁固定在錨索上，拖住前探梁，吊掛牢固，確保臨時支護(hù)接頂有效可靠[1]。新型全錨索臨時支護(hù)前探梁固定圖如圖2所示。

圖1 巷道全錨索支護(hù)設(shè)計圖

圖2 新型全錨索臨時支護(hù)前探梁固定圖

3.2 頂板鋼帶尺寸及外露長度優(yōu)化

前期頂板使用“W”鋼帶規(guī)格為4300×280×3mm， 孔 距 1300mm， 端 部預(yù)留200mm?，F(xiàn)場施工時，使用規(guī)格為300mm×300mm×16mm的錨索托盤后，托盤超出鋼帶端部，在漲緊過程中，因直接接觸頂板鋼塑復(fù)合網(wǎng)，導(dǎo)致頂板網(wǎng)破壞。為此把鋼帶端部預(yù)留長度由200mm更改為350mm，確保了頂板鋼帶對網(wǎng)的保護(hù)，杜絕了肩窩網(wǎng)兜的產(chǎn)生，同時增加了有效支護(hù)面積。

3.3 錨索托盤尺寸優(yōu)化

通過試驗進(jìn)一步優(yōu)化錨索托盤尺寸，把原有規(guī)格為300mm×300mm×16mm（單價85.13元/個）調(diào)整為規(guī)格為200mm×200mm×12mm（單價36.33元/個）。在確保支護(hù)強(qiáng)度的前提下每個托盤節(jié)約了支護(hù)成本48.3元。

3.4 試驗注漿錨索對頂板進(jìn)行注漿加固

因1907S運(yùn)輸巷后期沿空留巷，為此設(shè)計把巷道頂板靠上幫的Ф17.8×4200mm錨索調(diào)整為Ф21.6×6200mm注漿錨索（預(yù)計11月下旬試驗）。嚴(yán)格按照沿空留巷設(shè)計位置、角度打設(shè)，確保切縫后仍能夠滿足支護(hù)注漿要求。待爆破切縫后通過頂板注漿，把破碎離層頂板重新膠結(jié)成整體，增加懸臂梁結(jié)構(gòu)頂板的自承力和完整性[2]。

3.5 設(shè)計綜掘機(jī)液壓系統(tǒng)漲緊錨索

為提高錨索漲緊速度，前期使用風(fēng)動錨索漲拉器，后期研究從綜掘機(jī)液壓系統(tǒng)接入錨索漲拉器，通過綜掘機(jī)液壓系統(tǒng)實現(xiàn)錨索快速漲緊。

4 支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)效果分析

4.1 支護(hù)效果分析

為對比全錨索支護(hù)的效果，在錨桿支護(hù)及不同支護(hù)參數(shù)的全錨索支護(hù)巷道，分別設(shè)立一組圍巖觀測點，每個觀測點5組測點，采用十字布點法進(jìn)行布設(shè)，在頂板安設(shè)離層儀、兩幫各安設(shè)3個錨桿測力計。每隔10d進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集分析，通過線性回歸，選取在誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)繪制變化曲線[3]。

4.1.1 前期錨桿支護(hù)情況分析

采用錨桿支護(hù)頂板時，巷道變形大。110d內(nèi)頂?shù)装逑鲁亮砍示€性增長，120d后趨于平穩(wěn)，頂?shù)装逑鲁亮科骄畲筮_(dá)到127mm。0～80d內(nèi)巷道兩幫移量近呈線性增長，80d后兩幫移量平均達(dá)到95mm后開始趨于穩(wěn)定，最大變化量99mm。0～60d內(nèi)巷道底鼓量近呈線性增長，60d后底鼓量平均達(dá)到45mm，最大底鼓量49mm。具體變化曲線見圖3。

圖3 全錨桿支護(hù)巷道頂?shù)讕鸵平孔兓€

4.1.2 頂板全錨索支護(hù)情況分析

采用不同間排距的頂板全錨索支護(hù)頂板時，巷道變形較小。50d內(nèi)頂?shù)装逑鲁亮?、兩幫移近呈線性增長，50～60d內(nèi)趨于平穩(wěn)，此時處于錨索伸縮預(yù)應(yīng)力階段，60～80d后趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逑鲁亮科骄畲筮_(dá)到77mm。40d內(nèi)巷道兩幫移量近呈線性增長，60～70d內(nèi)趨于平穩(wěn)，此時處于頂幫受力重新分布階段，100d后趨于穩(wěn)定，兩幫移量平均達(dá)到64mm后開始趨于穩(wěn)定，最大66mm。70d內(nèi)巷道底鼓量近呈線性增長，70～100d內(nèi)趨于平穩(wěn)，此時處于頂幫受力重新分布階段，100d后趨于穩(wěn)定，底鼓量平均達(dá)到42mm。后開始趨于穩(wěn)定。具體變化曲線見圖4。

圖4 全錨索支護(hù)巷道頂?shù)讕鸵平孔兓€

通過對比分析，使用全錨索支護(hù)頂板比全錨桿支護(hù)頂板，頂?shù)装逑鲁亮繙p少65%，兩幫移近量減少50%，底鼓量減少16.7%。

4.1.3 不同支護(hù)參數(shù)的頂板全錨索支護(hù)設(shè)計分析

在保證巷道變形量最小的情況下，盡可能降低材料費(fèi)用投入及人工投入，為此進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，通過采取不同間排距全錨索支護(hù)頂板進(jìn)行對標(biāo)分析，最終確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)[4]。具體變化曲線見圖5。

圖5 頂?shù)装逑鲁亮孔兓€

通過對比分析，當(dāng)頂板錨索間排距為1.2×1.5m時，巷道頂?shù)装逑鲁亮孔钚?，?jīng)濟(jì)對比更合理。為此最終確定巷道全錨索支護(hù)參數(shù)為頂板錨索間排距為1.2×1.5m。

4.2 經(jīng)濟(jì)效果分析

（1）1907S運(yùn)輸巷通過支護(hù)設(shè)計優(yōu)化結(jié)合理論計算，頂板支護(hù)由高強(qiáng)錨桿間排距1000×1200mm，調(diào)整到錨索支護(hù)間排距1200×1500mm，延米材料費(fèi)用降低202.81元/m，巷道總體支護(hù)成本降低29.3萬元。

（2）與錨桿支護(hù)相比，錨索支護(hù)進(jìn)度未減少。因錨桿全部施工在灰?guī)r中，打眼速度明顯降低，錨索孔通過相同距離的灰?guī)r后進(jìn)入泥巖，打眼速度明顯提高。通過現(xiàn)場比對，頂板打安5棵錨桿與打安4棵錨索時間基本一致，從而確保了施工進(jìn)度。

5 結(jié)束語

在高應(yīng)力、大埋深條件下，采用頂板全錨索支護(hù)可以降低巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平考跋锏赖坠牧?，五項配套技術(shù)確保了巷道頂板錨桿支護(hù)向全錨索支護(hù)的順利過度。通過現(xiàn)場應(yīng)用及后期數(shù)據(jù)分析證明全錨索支護(hù)參數(shù)滿足順槽巷道在回采期間的安全，為相似條件下巷道施工提供了借鑒。