高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索分段支護技術(shù)在回采巷道中的應(yīng)用

白世民，杜才溢,張玉江,3,4

(1.延安市禾草溝一號煤礦有限公司,陜西 延安 717300;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024; 3.山東能源臨沂礦業(yè)集團有限責任公司,山東 臨沂 276017;4.山東能源集團 博士后科研工作站,濟南 250014)

我國煤炭儲采比相對較低,給煤炭資源的可持續(xù)開發(fā)帶來嚴重挑戰(zhàn)[1]。井下圍巖環(huán)境復(fù)雜多變,如何維持回采巷道穩(wěn)定是確保工作面安全生產(chǎn),實現(xiàn)煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的影響因素之一[2]。錨網(wǎng)索支護作為主動支護的一種,可對巷道圍巖進行及時、有效支護,能實現(xiàn)對巷道圍巖變形的有效控制[3-6]?？导t普等[7-10]總結(jié)了多年來我國煤礦巷道支護技術(shù)所取得的研究成果,指出以往很多礦井僅限于普通錨網(wǎng)索支護研究和實踐,對預(yù)緊力錨網(wǎng)索支護認識不足,在井巷支護中多采用普通錨桿和錨索進行支護,在設(shè)計和施工過程中對預(yù)應(yīng)力未加以要求,錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力普遍較低,錨網(wǎng)索支護體系不能給予巷道圍巖體充分的支護作用,不利于調(diào)節(jié)和提高巷道圍巖的自身強度和穩(wěn)定性;金銀財?shù)萚11]針對某礦高瓦斯煤層巷道圍巖變形大、破壞范圍廣、易發(fā)生瓦斯突出等問題,提出高預(yù)應(yīng)力強力支護系統(tǒng),有效控制了巷道圍巖變形；張力生等[12]基于對淺埋高應(yīng)力巷道變形原因分析,提出采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)對棗泉礦11201回風(fēng)巷進行支護,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明,采用該支護技術(shù)后,巷道圍巖變形降低80%,有效地控制了圍巖變形。上述研究為采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)進行圍巖變形控制提供了理論依據(jù)。基于此,本文結(jié)合禾草溝一礦圍巖特性、地應(yīng)力等實際因素,決定在15207工作面回采巷道實施高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護技術(shù),以達到控制頂板離層、控制圍巖變形破壞和提高巷道穩(wěn)定性的目的。

1 工程概況

禾草溝一礦位于子長礦區(qū)西南部,礦井構(gòu)造為由東向西傾伏的單斜構(gòu)造,伴有波狀起伏,傾角1°～3°,無巖漿活動跡象,井田南部有一條東西走向的斷層,斷距較小,井田構(gòu)造屬簡單型。禾草溝一礦現(xiàn)主采5#煤層,平均埋深130 m,煤層厚度0.51～2.67 m,平均厚度1.9 m。煤層含1～3層夾矸,夾矸為粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖。5#煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal strata

目前,15209工作面正在回采,相鄰15207工作面需要準備,兩工作面區(qū)段煤柱留設(shè)凈寬度為20 m。15207工作面采用走向長壁后退式全部垮落的綜合機械化采煤方法,采用跟頂跟底開采。15207工作面由回風(fēng)順槽、運輸順槽及切眼構(gòu)成,回風(fēng)順槽分段情況如圖2所示,工作面兩順槽巷及切眼均采用矩形斷面,斷面尺寸為4.2 m×2.5 m。

圖2 回采順槽分段情況Fig.2 Segmented condition of mining gateway

2 原支護條件下巷道變形破壞分析

2.1 原有支護方案

5#煤層的15209和15211工作面已經(jīng)掘進完畢,順槽斷面為4.2 m×2.5 m,采用錨網(wǎng)索支護。15209回風(fēng)巷頂板及兩幫支護參數(shù)如表1所示。

表1 15209回風(fēng)順槽頂板及兩幫支護參數(shù)Table 1 Supporting parameters of roof and two sides of gateway of return airway in 15209 working face

表1(續(xù))

此外,若遇地質(zhì)變化或現(xiàn)有支護形式不能滿足需要時,可及時采取其他有效形式加強支護,并根據(jù)現(xiàn)場實際情況另行編制加強支護措施。錨桿錨固力不低于80 kN,頂錨桿初始預(yù)緊力矩不低于150 N·m,二次緊固后預(yù)緊力距不低于260 N·m。幫錨桿預(yù)緊力為40 kN,并按要求進行二次緊固,每根錨桿外露長度10～50 mm,每根錨索外露長度150～250 mm,錨索預(yù)緊力矩不低于130 N·m。錨固力不小于220 kN,錨索張拉為25～28 MPa,不得低于25 MPa。

2.2 巷道礦壓顯現(xiàn)分析

對15209運輸順槽現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用原支護時,該巷道1 125 m附近沿空側(cè)巷幫上部鼓出約300 mm,部分幫錨桿托盤被螺母壓穿,頂錨桿托盤切入頂板。在970～840 m處,由于受斷層影響,實體煤側(cè)巷幫沿夾矸交界面鼓出,且有碎塊掉落,破碎高度約1 m,深度約300 mm。該處玻璃鋼錨桿錨固范圍為鉆孔300～500 mm范圍內(nèi),由此可見錨桿無法起到預(yù)期的支護作用。另外,該段巷道還存在底臌和頂板下沉,底臌量約300 mm。對兩幫采取一定補強支護后,礦壓顯現(xiàn)劇烈程度至780 m處明顯減小。15209工作面運輸順槽在鄰近工作面巷道掘進、工作面采動以及超前支承壓力的影響下,巷道圍巖處于塑性狀態(tài),15209工作面超前支承壓力對其變形影響更敏感,因此需盡量減少巷道受采動影響的次數(shù)。

2.3 巷道變形破壞機理分析

基于對15209運輸順槽圍巖變形的現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果,對15207運輸順槽的圍巖變形破壞機理進行分析。15207運輸順槽頂板巖層為油頁巖、泥巖和鋁質(zhì)泥巖；底板巖層為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖,均為軟弱巖層,整體性較差,承載能力較弱。受鄰近工作面采動影響和本工作面回采及超前支撐壓力影響,巷道圍巖極易發(fā)生較大變形,巷道維護困難。

此外,由圖2可知,15207工作面需穿越F2斷層,在F2斷層影響區(qū)域(區(qū)域Ⅱ)內(nèi),巷道圍巖較為破碎,整體性更差,承載能力更弱。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)15207運輸順槽圍巖更易發(fā)生較大變形,產(chǎn)生底臌、片幫和冒頂?shù)裙こ虇栴},甚至?xí)斐擅簬r突出。因此,對區(qū)域Ⅱ內(nèi)15207運輸順槽需采取加強支護,以確保巷道圍巖穩(wěn)定,為工作面安全回采提供保障。

3 巷道支護方案優(yōu)化

3.1 區(qū)域I支護方案

由于區(qū)域I內(nèi)15209運輸順槽圍巖變形較大,因此基于15207運輸順槽頂?shù)装鍑鷰r條件,對區(qū)域I內(nèi)的15207運輸順槽支護方案進行優(yōu)化,優(yōu)化后的具體支護參數(shù)如下。

3.1.1錨桿支護系統(tǒng)

巷道頂板采用Φ20 mm×2 200 mm的Q335預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。非小煤柱沿空掘巷段實體幫采用Φ16 mm×1 800 mm的礦用螺紋鋼錨桿,小煤柱沿空掘巷段的實體幫則采用Φ18 mm×1 800 mm的礦用螺紋鋼錨桿;工作面?zhèn)葞筒捎忙?0 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿;幫錨桿3-2-3布置,間距1000 mm。配合使用K2360樹脂錨固劑。錨桿間排距誤差控制在±50 mm以內(nèi)。同時,配合使用金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)+鋼筋梯護表,其中頂板采用Φ10 mm鋼筋梯+Φ5.5 mm鋼筋網(wǎng),間隔一排布置;兩幫為塑料網(wǎng),實體側(cè)幫可在錨桿托盤下放置廢舊皮帶做成的墊防止切斷網(wǎng)片。

3.1.2錨索支護系統(tǒng)

采用Φ17.8 mm×7 300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,錨索采用“五花”隔排布置,間距1 800 mm,布置在兩排錨桿間。每孔用1卷CK2360和1卷K2360樹脂錨固劑。錨索托盤采用300 mm×300 mm×12 mm的碟型普強托盤。區(qū)域Ⅰ巷道支護斷面圖如圖3所示。

圖3 區(qū)域Ⅰ巷道支護斷面圖(mm)Fig.3 Cross-sectional diagram of roadway support in region Ⅰ

3.2 區(qū)域Ⅱ支護方案

相對于區(qū)域I而言,區(qū)域Ⅱ內(nèi)的15207運輸順槽因受F2斷層影響,巷道圍巖整體性更差、承載能力更低,因此需采取加強支護,優(yōu)化后的具體支護參數(shù)如下。

3.2.1錨桿支護系統(tǒng)

頂板采用Φ20 mm×2 400 mm的Q335預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿間排距為800 mm×900 mm。非小煤柱沿空掘巷段的實體幫采用Φ16 mm×1 800 mm的礦用螺紋鋼錨桿,小煤柱沿空掘巷段的實體幫則采用Φ18mm×1800 mm的礦用螺紋鋼錨桿;工作面?zhèn)葞筒捎忙?0 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿,幫錨桿3-2-3布置,間距1 000 mm。每孔用1卷K2360樹脂錨固劑。為確保錨固效果,錨桿間排距誤差控制在±50 mm以內(nèi)。同時,配合使用金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)+鋼筋梯護表,其中頂板采用Φ10 mm鋼筋梯+Φ5.5 mm鋼筋網(wǎng),兩幫為塑料網(wǎng),實體側(cè)幫可在錨桿托盤下放置廢舊皮帶做成的墊防止切斷網(wǎng)片。

3.2.2錨索支護系統(tǒng)

采用Φ17.8 mm×8 500 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線讓壓錨索,間距1 800 mm,采用“2-2-2”隔排布置,布置在兩排錨桿間,每孔采用1卷CK2360和1卷K2360的樹脂錨固劑。托盤采用300 mm×300 mm×12 mm的碟型普強托盤。采用讓壓管讓壓,讓壓距離為45 mm,讓壓點為150 kN左右。區(qū)域Ⅱ巷道支護斷面圖如圖4所示。

圖4 區(qū)域Ⅱ巷道支護斷面圖(mm)Fig.4 Cross-sectional diagram of roadway support in region Ⅱ

3.2.3預(yù)應(yīng)力設(shè)計

錨桿預(yù)應(yīng)力一般設(shè)計為桿體屈服強度的30%～50%。本方案中,頂板錨桿的預(yù)應(yīng)力在40～60 kN,玻璃鋼錨桿按照40～45 N·m施加,采空區(qū)側(cè)幫如采用Φ18 mm螺紋鋼錨桿，預(yù)應(yīng)力30～40 kN,采空區(qū)側(cè)幫如采用Φ16 mm螺紋鋼錨桿,預(yù)應(yīng)力25～33 kN,錨索的預(yù)應(yīng)力大于130 kN。

3.3 支護效果分析

為了解15207工作面回風(fēng)順槽在高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護及局部地段配合補強支護條件下的支護效果,在15207回風(fēng)順槽布置了十字觀測點,普通地段巷道圍巖變形情況如圖5所示。

圖5 圍巖表面位移變化與頂板離層位移變化Fig.5 Variation of surrounding rock surface displacement and roof separation displacement

由圖5可知,隨著距掘進工作面距離的增加,巷道圍巖位移量逐漸增加,巷道兩幫累計變形量為75 mm,頂板下沉量累計為25 mm,分別為設(shè)計斷面的5%和4%,相比于原支護條件下巷道收斂變形量明顯降低。

為了進一步掌握高預(yù)應(yīng)力支護對頂板離層的控制,對頂板巖層變化進行窺視,其結(jié)果如圖5所示。由圖5和現(xiàn)場觀測可知,15207工作面回風(fēng)順槽離層總量約為12 mm,其中深度小于3 m的淺部離層約為7.4 mm,深度超過3 m的深部離層約為4 mm,淺部離層量約占總離層量的65%,說明相比原支護頂板離層得到了明顯的控制。

對地質(zhì)構(gòu)造、淋水區(qū)等特殊地帶進行現(xiàn)場觀測可知,該特殊區(qū)域未見支護體系失效現(xiàn)象,未出現(xiàn)明顯的頂板下沉、幫臌和底臌,且“網(wǎng)兜”現(xiàn)象也得到了明顯的控制。由此認為,通過對支護方案進行優(yōu)化,采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護體系并配合局部地段補強支護的支護方式,可有效地控制15207工作面回風(fēng)順槽圍巖收斂變形和破壞,支護效果較原支護明顯提升,達到了預(yù)期的巷道圍巖控制目標。

4 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場調(diào)研禾草溝一礦5#煤層頂?shù)装鍑鷰r賦存特征,分析了原支護方案下巷道變形破壞的影響因素。

2)對15207工作面回風(fēng)順槽的支護進行優(yōu)化,提出了采用高預(yù)應(yīng)力分段錨網(wǎng)索的支護方案。高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護相比于普通錨網(wǎng)索支護，具有更大的支護剛度和強度,能夠給巷道圍巖及時有效的高強度支護,促使巷道圍巖發(fā)揮其自身承載能力,可有效抑制巷道在開挖初期的彎曲和拉伸變形,確保巷道圍巖的穩(wěn)定性和整體性。

3)實踐表明,采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護,同時配合補強支護措施可有效地控制巷道的收斂變形量,確保巷道成型尺寸,該巷道自施工完畢至工作面回采結(jié)束,整體狀況較好,達到了預(yù)期的支護效果。