大斷面復(fù)合頂板支護技術(shù)實踐

王東剛

摘 要：在分析西坡煤業(yè)2502工作面巷道支護過程存在的難題，結(jié)合西坡煤業(yè)礦井地質(zhì)結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，對原支護技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化后的桁架錨索復(fù)合支護技術(shù)，并對支護后的效果進行對比分析，通過監(jiān)測結(jié)果表明，采用聯(lián)合支護技術(shù)方案后巷道的圍巖應(yīng)力變化得到有效控制，保障煤礦的安全高效開采。

關(guān)鍵詞：錨桿錨索;高預(yù)應(yīng)力;組合支護;圍巖應(yīng)力

0 前言

科學(xué)合理的巷道支護技術(shù)是保證礦井安全生產(chǎn)的重要因素，隨著礦井采掘深度的不斷延伸，開采強度的增加，傳統(tǒng)的支護方式難以保證復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。桁架錨索復(fù)合支護技術(shù)為復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道的支護提供新的解決方案，諸多學(xué)者對此展開相關(guān)研究，張農(nóng)，袁亮，基于預(yù)應(yīng)力支護結(jié)構(gòu)的理論分析，提出錨索復(fù)合支護技術(shù)，提高了巷道支護的安全可靠性。

為此，本文以西坡煤業(yè)2502工作面皮帶巷為基礎(chǔ)，開展高預(yù)應(yīng)力錨桿索組合支護工藝研究及效果分析，為西坡煤業(yè)綜采工作面巷道支護提供指導(dǎo)與參考。

1 礦井概況

西坡煤業(yè)公司位于山西河?xùn)|煤田中段，井田面積為44.53km2，設(shè)計生產(chǎn)能力120Mt/a，主要開采2#、4#和5#煤層。現(xiàn)主要開采2#煤層厚度在4.68～6.96m之間，平均厚度為5.6m。煤層裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，屬于典型復(fù)合頂板煤層類型，初掘期間巷道穩(wěn)定性較高，但后期巷道變形量大，支護難度大。2502運輸皮帶巷沿2#煤層底板掘進，斷面形狀為矩形，尺寸為巷道寬5.6m，高3.5m，掘進斷面積23m2，在掘進過程中可能揭露6m左右的斷層，構(gòu)造帶地段巷道圍巖易出現(xiàn)節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，需加強支護。

2 巷道圍巖應(yīng)力測試與研究

2.1 圍巖結(jié)構(gòu)與強度

利用鉆孔窺視儀對煤層頂板圍巖的結(jié)構(gòu)進行觀察，掌握頂板巖層的結(jié)構(gòu)面特征，同時，對頂板10m范圍內(nèi)圍巖強度進行測試，根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)窺視和圍巖強度測試結(jié)果，可知：

①頂板上方0-7.3m范圍為泥巖，巖層強度平均值為45.7MPa;7.2-8.9m范圍為細粒砂巖，巖層強度平均值為67.05MPa;9.3-10.2m范圍為泥巖，巖層強度平均值為39.6MPa;

②受巖層中節(jié)理的影響，在0-6m范圍內(nèi)，最低強度僅為26MPa，而最高強度達到了45MPa，特別是開口處，圍巖的強度很低，說明2# 煤直接頂易風(fēng)化。

2.2 地應(yīng)力

西坡煤業(yè)2#煤層所測區(qū)域地應(yīng)力分布具有以下特征：

①所測區(qū)域最大水平主應(yīng)力為11.54MPa，根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30MPa為高應(yīng)力區(qū);大于30MPa為超高應(yīng)力區(qū)。西坡煤業(yè)8#煤層所測區(qū)域地應(yīng)力在量值上屬于中等偏低應(yīng)力值區(qū)域;

②測試結(jié)果顯示垂直應(yīng)力>最大水平主應(yīng)力>最小水平主應(yīng)力，由此可判斷所測區(qū)域應(yīng)力場類型為σV>σH>σh型應(yīng)力場，自重應(yīng)力占絕對優(yōu)勢;

③2502皮帶巷沿正北向布置，最大水平主應(yīng)力方向為N35.4°W，由此判斷，靠近巷道下幫的位置，頂、底及幫部受到的影響最大，這些部位是應(yīng)力集中，需加強支護。

3 巷道支護技術(shù)難點分析

①2#煤層頂板巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，因巷道使用年限較長，加之井下環(huán)境潮濕，巷道表面易發(fā)生風(fēng)化、脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致支護系統(tǒng)失效，在礦山壓力作用下造成巷道頂板離層和下沉，埋下冒頂?shù)碾[患;

②針對易風(fēng)化復(fù)合頂板的控制，西坡礦也采用噴漿的方法封閉圍巖，起到了一定效果，但是施工工藝較為繁瑣、成本高，且由于巷道上部02#煤層中賦含瓦斯，在2#煤層巷道進行噴漿處理后，封閉瓦斯溢出通道，容易導(dǎo)致回采期間采空區(qū)瓦斯超限問題;

③2502皮帶巷自重應(yīng)力高，而巷道兩幫煤體強度遠小于頂?shù)装鍘r層強度，也是最薄弱部位，支撐力差。地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巷道頂板兩幫圍巖應(yīng)力所引起的形變直接影響巷道頂板的整體穩(wěn)定性，兩壁煤幫在位移變化后，無法支撐巷道頂板，使巷道頂板跨度加大，導(dǎo)致巷道復(fù)合頂板的冒頂、離層，頂板巖層承載能力逐步減弱，直至巷道頂板垮落。

4 桁架錨索復(fù)合支護技術(shù)參數(shù)

基于西坡煤業(yè)礦井地質(zhì)結(jié)構(gòu)和工程實踐，經(jīng)研究采用桁架錨索復(fù)合支護技術(shù)對2502工作面巷道進行加強支護，選用托板和鋼帶等構(gòu)件將巷道圍巖應(yīng)力減弱并擴散出去，提高圍巖預(yù)應(yīng)力的作用區(qū)域。巷道支護布置如圖1所示，巷道聯(lián)合支護技術(shù)參數(shù)如下：

4.1 錨桿支護

選取直徑為22mm的左旋無縱筋螺紋鋼桿體（鋼號400#，長度2.4m，桿尾螺紋為M24），垂直巷道頂板打入，兩邊角錨桿與頂板垂直方向最大角度不超過100°;錨桿排距1000mm，每排7根錨桿，間距900mm，預(yù)緊力矩大于300N·m;采用兩支MSZ2360錨固劑進行加長錨固，錨固長度1525mm。采用尺寸為5600mm×250mm×3mm的W鋼帶進行護頂。

4.2 錨索支護

錨索尺寸為φ21.6mm×5300mm，鉆孔直徑30mm，采用1支MSZ2360錨固劑進行錨固，錨固長度2200mm;采用“三二三”布置，間距1800mm，排距2000mm，錨索張拉鎖定后的預(yù)緊力大于200kN。

4.3 工作面面幫支護

工作面幫采用直徑φ20mm的全螺紋玻璃纖維錨桿（長度2.1m，配專用托板），垂直面幫打入，兩頂?shù)捉清^桿與巷幫垂直方向角度不超過100;錨桿排距1000mm，每排3根錨桿，間距1000mm，最上一根距頂板300mm，預(yù)緊力矩大于300N·m;采用1支MSZ2360錨固劑進行錨固，錨固長度634m。采用尺寸為400mm×280mm×3mm的W鋼護板進行護幫。

5 巷道支護效果分析

西坡煤業(yè)為驗證桁架錨索復(fù)合支護技術(shù)的效果，在2502皮帶巷內(nèi)設(shè)置6個觀測點，對采動引起的圍巖變形情況進行監(jiān)測。實施支護后30d內(nèi)，圍巖位移快速增加至100～150mm;30～70d內(nèi)，頂板和巷幫圍巖受力基本處于平衡狀態(tài)，變形很小，頂板下沉變形量穩(wěn)定在110mm左右，將巷道兩幫的形變量有效控制在170mm的范圍內(nèi);自第80天后，在采動影響下，巷道圍巖受力平衡狀態(tài)被打破，圍巖累計變形量快速增大，但直至第150天，最大變形量也僅為400mm，頂板和兩幫支護效果良好，巷道底板未發(fā)生底鼓現(xiàn)象。監(jiān)測期間，未發(fā)生變形、破壞，取得良好效果。

6 結(jié)論

為解決巷道支護難題，西坡煤業(yè)采用桁架錨索復(fù)合支護技術(shù)對2502工作面巷道進行加強支護，并對支護后的效果進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明該支護技術(shù)促進了錨桿索與圍巖之間的有效耦合，使巷道圍巖應(yīng)力得到有效控制，從整體上保證巷道圍巖的安全穩(wěn)定性。