辛置煤礦10-430運輸巷支護方案優(yōu)化研究與應(yīng)用

李 朝

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤集團公司辛置煤礦的10-430B綜采工作面位于東四左翼采區(qū)，工作面位于東四采區(qū)左翼皮帶巷左側(cè)，西部為10-428A工作面（正在回采），南部緊鄰東四左翼軌道巷，北部為10-430B2巷。10-430B1巷是為滿足10-430B回采工作面的出煤、進風(fēng)、行人而設(shè)計的。10-430B1（下文中統(tǒng)稱為10-430運輸巷）巷及切巷設(shè)計長度為826m，服務(wù)期限為3a，開口位置位于10-430A1巷29#導(dǎo)線點44m處的右?guī)?，?3°07′方位角，沿煤掘進826m至設(shè)計位置，其頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。10-430B工作面開采10#煤層，煤層厚度為1.95～2.78m，平均厚2.62m，煤層傾角1～5°，平均傾角2°，工作面平均埋深約350m。10-430運輸巷掘進初期，巷道圍巖變形較為嚴重，需對其治理措施展開研究。

表1 頂?shù)装鍘r層特征表

2 10-430運輸巷變形破壞特征和原因分析

2.1 原有支護方案

10-430運輸巷斷面為矩形，斷面尺寸寬×高=5600×3400mm，10-430運輸巷采用錨網(wǎng)、索支護。錨桿采用Φ20×2000mm左旋高強錨桿，頂部每排6根，間排距1000×900mm，配合H型鋼帶橫向連接，錨桿每孔選用一條CK2360和一條Z2388樹脂錨固劑；幫部每排每幫4根，間排距為1000×900mm，每孔選用1條Z2388樹脂錨固劑，配合一根長度3200mm的H型鋼帶，靠近肩窩處的錨桿向上傾斜15°安裝，靠近底角的錨桿安裝俯角為15°，錨桿安裝時預(yù)緊力為20kN，扭矩為150N·m；錨索采用Φ17.8×6200mm的鋼絞線，“二0二”布置，采用W型鋼帶沿巷道軸向連接，間排距為2000×1800mm，每孔選用2條Z2388樹脂錨固劑，預(yù)緊力為40kN，全斷面鋪設(shè)12#鐵絲菱形網(wǎng)。巷道表面采用雙層網(wǎng)，內(nèi)層為鋼筋網(wǎng)，外層為塑料網(wǎng)，網(wǎng)片間搭接長度為0.1m。10-430運輸巷支護斷面如圖1所示。

圖1 原有錨網(wǎng)索支護示意圖

2.2 巷道圍巖破壞現(xiàn)狀及原因分析

為具體了解10-430B運輸巷掘進初期圍巖變形破壞的特點，在井下進行了現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)現(xiàn)場圍巖的破壞情況總結(jié)其變形特征及原因。根據(jù)現(xiàn)場圍巖的破壞情況整理得到表2所示結(jié)果。

表2 圍巖破壞情況現(xiàn)場考察結(jié)果

10-430運輸巷圍巖的變形特征主要為：（1）巷道斷面收斂嚴重，且左幫變形量明顯大于右?guī)?；?）表面圍巖較破碎，存在大量網(wǎng)兜；（3）煤柱幫肩窩處和底腳內(nèi)移嚴重。

為準確了解10-430運輸巷圍巖特性，在現(xiàn)場取樣進行了煤巖體物力力學(xué)實驗室測定，得到煤幫煤樣的堅固系數(shù)為0.6135，頂板巖樣的抗壓強度為23.23MPa，底板巖樣的抗壓強度為17.69MPa，圍巖的強度較低，屬于典型的“三軟”煤巷，巷道圍巖在采掘影響下容易破碎，變形控制困難。

根據(jù)以上研究分析，10-430運輸巷圍巖失穩(wěn)破壞的主要原因為：（1）巷道受到上區(qū)段工作面回采和巷道自身開挖的雙重影響，煤柱側(cè)支撐強度不足，上覆巖層對巷道的不均勻載荷導(dǎo)致圍巖內(nèi)產(chǎn)生過多的剪應(yīng)力和切應(yīng)力；（2）巷道屬于三軟煤巷，圍巖破碎較嚴重，原本強度較低，且具有一定的流變性；（3）原有支護方案支護強度和剛度不合理，初期支護強度過低導(dǎo)致圍巖的完整性和自承能力受到破壞，當圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)變形時再提高支護剛度，已無法控制圍巖的進一步破壞。

3 “三軟”煤層巷道支護技術(shù)研究

辛置煤礦10-430運輸巷圍巖失穩(wěn)變形的主要原因為巷道圍巖強度低，支護參數(shù)選擇不合理，支護體系的初始剛度過小，導(dǎo)致巷道淺部煤巖體在高應(yīng)力條件下，內(nèi)部裂隙和節(jié)理持續(xù)發(fā)育，直至巷道的整體性失穩(wěn)。為有效控制10-450運輸巷在“三軟”圍巖條件下的變形，本次研究合理設(shè)置錨桿錨索的預(yù)緊力，給予圍巖合理的支護剛度，適當增加錨桿錨索的數(shù)量來提高支護結(jié)構(gòu)的強度。

安裝錨桿時施加合理的預(yù)緊力，對于防止巷道淺部圍巖出現(xiàn)離層、強度弱化等現(xiàn)象具有重要作用。根據(jù)相關(guān)研究成果可知，錨桿預(yù)應(yīng)力為桿體破壞極限的30%～50%較為合理，10-430運輸巷采用Φ20mm的BHRB335鋼錨桿，屈服載荷為105.2kN。由此可知合理的預(yù)緊力為31.6～52.6kN，安裝錨桿的預(yù)緊力大小為[1-2]：

式中：

p0-錨桿預(yù)緊力，kN；

M-安裝錨桿螺母時的預(yù)緊力距，N·m；

s-螺紋導(dǎo)程，s=nt，mm；

n-螺紋頭數(shù)，個；

t-螺距，mm；

d2-螺紋直徑，mm；

f0、f1-螺母和錨桿、墊圈間摩擦系數(shù)；

d0-墊片內(nèi)徑，mm；

D1-螺母與墊片有效接觸面積邊緣的直徑，mm。

假設(shè)：

則錨桿預(yù)緊力：

錨桿預(yù)緊力在特定型號的錨桿條件下，僅可通過調(diào)節(jié)安裝時螺母的力矩來調(diào)節(jié)，原有支護方案錨桿預(yù)緊力為20kN，為提高其支護剛度，設(shè)計將錨桿預(yù)緊力提升至40kN，需將安裝時的預(yù)緊力距增至300N·m。

同理，辛置煤礦頂板支護所用的Φ17.8×6200mm鋼絞線的破斷載荷為342kN，計算可得合理的安裝預(yù)緊力為102.6～171kN。根據(jù)現(xiàn)有研究成果[3-4]，錨桿錨索協(xié)調(diào)變形時錨桿錨索的預(yù)緊力關(guān)系為：

式中：

Ps-錨索預(yù)緊力，kN；

P0-錨桿預(yù)緊力，kN。

不考慮安裝時的應(yīng)力損失，當錨桿預(yù)緊力為40kN時，錨索預(yù)緊力應(yīng)為125kN。

4 10-430運輸巷圍巖控制技術(shù)及應(yīng)用效果分析

4.1 10-430運輸巷優(yōu)化支護方案

錨桿錨索安裝時的預(yù)緊力可以提高巷道支護的剛度。為提高錨網(wǎng)索支護的強度，設(shè)計將錨桿型號改為Φ20×2400mm，間排距調(diào)整為800×800mm，每排7根，最外側(cè)的錨桿距離幫部400mm，頂板兩側(cè)錨桿與豎直方向夾角為15°。頂板錨索采用Φ17.8×6200mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“三二三”布置，間排距為1100（2200）×800mm，所有錨索垂直頂板安裝。兩幫錨桿規(guī)格與頂板相同，間排距為800×800mm，每排5根，較近底板和頂板的錨桿安裝時分別向下和向上傾斜15°。所有錨桿安裝時預(yù)緊力為40kN，錨索安裝時預(yù)緊力為125kN。具體的支護參數(shù)如圖2所示。

4.2 支護效果分析

為考察10-430運輸巷采用優(yōu)化后的支護方案的圍巖控制效果，在巷道掘進期間采用“十字布點法”進行圍巖位移觀測，結(jié)果如圖3所示。圍巖的位移可分為三個階段：劇烈期（成巷5d內(nèi)）、緩慢期（成巷5～15d）、平穩(wěn)期（成巷15d后）。最終巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?23mm，變形速度穩(wěn)定在0.3mm/d，兩幫最大移近量為182mm，變形速度穩(wěn)定在0.4mm/d。由此可知，巷道的變形量和變形速度得到有效的控制，圍巖控制效果明顯。

圖2 錨網(wǎng)索支護詳情

5 結(jié)論

通過對辛置煤礦10-430運輸巷圍巖破壞情況的現(xiàn)場調(diào)研、煤巖體實驗室物理力學(xué)試驗、理論分析計算等方法研究表明，10-430運輸巷屬于典型的“三軟”煤巷，巷道變形嚴重主要因素為原有支護方案的強度和剛度不足，研究確定錨桿安裝的預(yù)緊力為40kN，錨索的安裝預(yù)緊力為125kN，并適當?shù)卣{(diào)整支護參數(shù)來提高支護強度?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中，圍巖位移監(jiān)測表明，頂?shù)装遄畲笠平繛?23mm，兩幫最大移近量為182mm，變形速度穩(wěn)定在0.4mm/d，圍巖控制效果明顯。

圖3 10-430運輸巷掘進期間圍巖位移監(jiān)測結(jié)果