四臺(tái)礦復(fù)合頂板錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

陳 磊

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037007）

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦81024工作面即將進(jìn)入準(zhǔn)備階段，文章以51024巷的掘進(jìn)為背景，51024巷自410盤區(qū)東回風(fēng)巷沿90°方位開口掘進(jìn)，南鄰410盤區(qū)81022面準(zhǔn)備回采，東部為高山煤業(yè)，北部為21024巷（81024工作面運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)巷），14#煤層410盤區(qū)51024巷為81024工作面運(yùn)料巷、回風(fēng)巷，81024工作面采掘工程平面見圖1。51024巷沿14#煤層掘進(jìn)，煤層總體中高、東西低，呈一背斜構(gòu)造，煤層中部薄，東西厚，煤層下部有0.1～0.6 m夾石。煤層最厚2.8 m，最薄2.2 m，平均結(jié)構(gòu)為：1.7（0.3）0.4 m，煤層傾角變化不大，平均3°。51024巷高度為3.2 m，寬度為4.6 m，沿頂起底掘進(jìn)。巷道頂?shù)装鍘r層特征見表1。

圖1 51024巷采掘工程平面

表1 頂?shù)装鍘r性特征

頂?shù)装迕Q 巖石名稱 厚度/m 巖性特征直接頂 砂質(zhì)泥巖 1.24-3.25 2.10灰色，具薄層狀斜波狀層理以石英為主，夾碳質(zhì)薄層，分選度較差直接底 泥巖 0.7-6.24 3.47灰色，塊狀，含少量植物化石

2 軟弱夾層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

為具體了解直接頂與老頂間軟弱夾層對(duì)于巷道穩(wěn)定性的影響，根據(jù)巷道實(shí)際地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立適當(dāng)?shù)臄?shù)值模型［1-2］，模擬分析軟弱夾層對(duì)于錨桿支護(hù)效果的影響。模擬14#煤層埋深為400 m，模型上部均布載荷P 為10 MPa，煤層厚度取2.8 m，51024巷高度為3.2 m，寬度為4.6 m，錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，錨固端長(zhǎng)度為0.6 m，綜合考慮邊界效應(yīng)、計(jì)算精準(zhǔn)度、速度等方面因素，設(shè)計(jì)模型尺寸為長(zhǎng)、寬、高分別為48 m、16 m、44 m，模型見圖2。

軟弱夾層位于直接頂和老頂之間，夾層的厚度取0.4 m，由于直接頂厚度變化，軟弱夾層與錨桿的相對(duì)位置可分為：①夾層位于錨桿錨固端和端頭之間，夾層距巷道頂板1.2 m，即頂板1.2～1.6 m范圍內(nèi)為軟弱夾層；②夾層位于錨桿錨固端，頂板2.0～2.4 m范圍內(nèi)為軟弱夾層；③夾層位于錨桿錨固范

圍外，頂板3.0～3.4 m范圍內(nèi)為軟弱夾層。

圖2 幾何模型

在不同頂板條件下進(jìn)行巷道的開挖，巷道的錨桿支護(hù)參數(shù)參照臨近工作面回采巷道的支護(hù)參數(shù)選取，頂板和兩幫錨桿間排距為700 mm×800 mm，記錄不同條件下圍巖位移情況的模擬結(jié)果，得到的結(jié)果見表2，并得到圍巖的塑性區(qū)分布見圖3。

圖3 模擬圍巖塑性區(qū)分布情況

根據(jù)圖3及表2結(jié)果可以看出，軟弱夾層位于1.2～1.6 m范圍內(nèi)時(shí)，由于夾層內(nèi)巖體強(qiáng)度較低，首先發(fā)生塑性破壞，軟弱夾層的塑性區(qū)與巷道頂板淺部圍巖產(chǎn)生的塑性區(qū)貫通，錨桿錨固在堅(jiān)硬巖層中，頂板巖層形成的塑性區(qū)呈上寬下窄的形式分布，巷道表面的位移主要表現(xiàn)為頂板下沉和兩幫內(nèi)移；軟弱夾層位于2.0～2.4 m范圍內(nèi)時(shí)，錨桿錨固在軟弱夾層內(nèi)，頂板巖層塑性破壞深度明顯增大，錨桿錨固區(qū)巖體全部塑性破壞，錨桿未能錨固在堅(jiān)硬巖層內(nèi)，大大削弱了錨桿的支護(hù)效果，頂板下沉量和兩幫內(nèi)移量顯著的增大；軟弱夾層位于3.0～3.4 m范圍內(nèi)時(shí)，軟弱夾層與頂板錨桿錨固段距離較大，頂板巖層的塑性破壞深度和范圍明顯的減小，巷道表面位移量相對(duì)于前兩種情況也明顯的減小，支護(hù)效果良好。綜上分析可知，當(dāng)頂板巖層內(nèi)的軟弱夾層位于2.0～2.4 m時(shí)（錨桿錨固段內(nèi)），對(duì)于頂板錨桿的支護(hù)效果造成很大影響，軟弱夾層位于錨桿錨桿錨固區(qū)以外時(shí)，對(duì)于錨桿支護(hù)效果影響較小，從而對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性影響也較小。

表2 圍巖位移量模擬結(jié)果

3 復(fù)合頂板巷道高強(qiáng)錨網(wǎng)索分類支護(hù)技術(shù)

根據(jù)以上模擬分析結(jié)果，結(jié)合四臺(tái)礦51024巷的圍巖條件，針對(duì)頂板內(nèi)軟弱夾層的分布層位采用分類支護(hù)的方式控制圍巖，設(shè)計(jì)51024巷的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)。根據(jù)軟弱夾層分布層位對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，將軟弱夾層的分布分為兩種情況分別設(shè)計(jì)其支護(hù)參數(shù)，情況一：軟弱夾層層位在1.6～3.0 m間（軟弱夾層對(duì)于頂板錨桿錨固段存在較大影響）；情況二：軟弱夾層層位在0～1.6 m間或者距巷道頂板3.0 m以外（軟弱夾層位于頂板錨桿錨固段范圍以外）；情況一條件下，頂板錨桿錨固在軟弱夾層內(nèi)，錨桿的支護(hù)效果較差，故增加錨索來保證支護(hù)強(qiáng)度，巷道詳細(xì)支護(hù)見圖4。

方案一支護(hù)詳情：頂板采用高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索支護(hù)，錨桿桿體為左旋無縱筋螺紋，直徑22 mm，長(zhǎng)度2400 mm，同排錨桿間距為700 mm，排距為800 mm，每排7根，靠近幫部的錨桿向兩幫傾斜15°安裝，其余5根垂直頂板安裝，每根錨桿錨固劑為K2335、Z2360樹脂藥卷各一支，安裝時(shí)預(yù)緊力距不小于150 N·m，錨桿配套采用M托盤，并采用配套的M鋼帶進(jìn)行同排錨桿的聯(lián)結(jié)。頂板錨索采用直徑17.8 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長(zhǎng)度為6300 mm，錨固劑為K2335樹脂藥卷一支和兩支Z2360樹脂藥卷，安裝時(shí)預(yù)應(yīng)力不小于100 kN，采用“五花布置”，間距為1500 mm，排距為800 mm，所有錨索垂直頂板施工，頂板采用雙層網(wǎng)護(hù)表，注塑網(wǎng)位于巷道內(nèi)部，鋼筋網(wǎng)位于外部，網(wǎng)片橫向搭接寬度為100 mm。兩幫支護(hù)所用錨桿和網(wǎng)片的規(guī)格與頂板相同，間排距為700 mm×800 mm，每排5根錨桿，靠近頂板和底板的錨桿安裝時(shí)分別設(shè)置15°的仰角和俯角，靠近巷道腰線的三根錨桿沿水平方向施工。

圖4 錨網(wǎng)索支護(hù)方案一

對(duì)于頂板軟弱夾層分布情況二條件下，軟弱夾層對(duì)于錨桿支護(hù)的影響較小，具體的支護(hù)方案為：頂板錨桿規(guī)格不變，間排距調(diào)整為1000 mm×800 mm，每排4根，均垂直頂板安裝，沿巷道中心線對(duì)稱分布。頂板錨索規(guī)格不變，錨索間排距調(diào)整1000 mm×800 mm，每排5根，沿巷道中心線對(duì)稱布置，最外側(cè)的錨索距離幫部300 mm，并且向幫部?jī)A斜15°施工，錨索間通過M型鋼帶聯(lián)結(jié)，兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)不變，其支護(hù)見圖5。

圖5 錨網(wǎng)索支護(hù)方案二

4 工程應(yīng)用效果

圖6 51024巷掘進(jìn)期間圍巖變形曲線

四臺(tái)礦51024巷采用上述支護(hù)方案掘進(jìn)期間，采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)圍巖的位移情況［3-4］，由于篇幅所限，給出兩種支護(hù)方案下較為典型的圍巖位移變化規(guī)律見圖6，對(duì)于軟弱夾層分布情況一條件下的巷道圍巖，成巷約一周后圍巖趨于穩(wěn)定，兩幫累計(jì)位移量穩(wěn)定在25.5 mm，頂?shù)装謇塾?jì)位移量穩(wěn)定在16.5 mm，巷道變形量很小，支護(hù)效果良好；對(duì)于軟弱夾層分布情況二條件下的巷道圍巖，成巷約10天后圍巖趨于穩(wěn)定，兩幫移近量穩(wěn)定在32.5 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在26.0 mm，圍巖位移量略大于情況一，但是巷道圍巖仍穩(wěn)定。綜上可知，本次設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能夠有效的控制51024巷的圍巖變形，支護(hù)效果顯著。

5 結(jié)語

采用FLAC3D建立適當(dāng)?shù)臄?shù)值模型，對(duì)四臺(tái)礦51024巷掘進(jìn)進(jìn)行模擬分析表明，巷道頂板巖層內(nèi)軟弱夾層的分布層位對(duì)于錨桿支護(hù)的效果存在很大影響，當(dāng)錨桿錨固在軟弱夾層內(nèi)時(shí)，錨桿的支護(hù)性能較差，據(jù)此對(duì)該條件下的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過加密頂板錨索解決錨桿支護(hù)性能差的問題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間的觀測(cè)結(jié)果表明，四臺(tái)礦51024巷采用優(yōu)化后的支護(hù)措施后，圍巖位移量小，支護(hù)效果良好。