高應(yīng)力擾動回采巷道支護方案設(shè)計

劉闖榮

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

煤礦回采巷道為工作面直接服務(wù)，在承受礦山壓力顯現(xiàn)作用的最前沿，承受強烈、反復(fù)的應(yīng)力擾動，尤其是對于頂板條件差、巷道斷面大、服務(wù)期限長、應(yīng)力疊加復(fù)雜的回采巷道，選擇合理有效的支護方案，對于保障礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。新元煤礦歷來重視巷道的快速掘進和有效支護，在煤層巷道礦壓控制與錨桿支護技術(shù)方面得到了較快發(fā)展，基于該礦特殊的地質(zhì)生產(chǎn)條件，取得了很多支護成功的案例[1-3]。本文即對新元礦3#煤層?xùn)|四正巷的支護難點及支護方案進行研究，總結(jié)巷道支護的成功經(jīng)驗，從而推動煤礦支護技術(shù)的不斷向前發(fā)展。

1 工程概況及支護難點分析

新元礦位于壽陽中南部，3#煤層是該礦主采煤層，煤層平均厚度2.60 m，以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層偽頂為高嶺石泥巖，厚度0.3 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.53 m；基本頂為軟弱砂巖與泥巖互層，平均厚度2.38 m；底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.96 m。東四正巷為103 工作面與104 工作面的共用巷道，即為二次復(fù)用巷道，在103 工作面回采時作為進風(fēng)及輔助運輸巷道，在104 工作面回采時作為進風(fēng)及膠帶運輸巷道。東四正巷的支護難點分析如下：

（1）巷道服務(wù)期限長。巷道長度近1800 m，為兩個工作面所共用，承受工作面采動超前支承壓力和采后支承壓力的反復(fù)影響，需經(jīng)歷順槽掘進期、設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動劇烈影響期、二次采動影響期，巷道變形時間長。

（2）煤層及頂板條件差。3#煤層煤質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生離層破壞和垮落，且厚層泥巖頂板自穩(wěn)能力差，無穩(wěn)定的巖層供懸吊之用，不易形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，頂板局部有淋水，導(dǎo)致巖層膨脹變形，且影響錨固劑發(fā)揮錨固效果。

（3）巷道斷面大、頂板跨度大。巷道因跨度較大，頂板中部拉應(yīng)力集中，離層破壞范圍大，易導(dǎo)致冒頂，煤幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體位移、垮幫，巷道支護系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p毀或失效。

2 支護方案設(shè)計

2.1 新型錨索桁架控制系統(tǒng)支護原理

因巷道支護的特殊性及實際困難，為進行有效支護，與高校進行科研合作，引入錨索桁架控制系統(tǒng)這一新型支護技術(shù)。該技術(shù)的核心部件是專用桁架連接器，克服單體錨索的支護缺陷，對錨索進行組合及預(yù)緊力施加，進行巷道圍巖的深部支護，淺部支護依靠預(yù)應(yīng)力錨桿，形成整體的支護結(jié)構(gòu)。該技術(shù)尤其適用于采動劇烈影響巷道、軟弱頂板煤巷、大斷面巷道、懸頂面積大的交叉點等復(fù)雜條件下的巷道圍巖控制。技術(shù)原理如圖1 所示[4]。這一新型支護技術(shù)的應(yīng)用能對巷道頂板同時施加水平應(yīng)力和鉛垂應(yīng)力，對支護范圍內(nèi)的圍巖施加擠壓力，抵消巷道的下沉位移，能發(fā)揮高效的主動支護作用，尤其是巷道離層前的主動支護，對于抑制巷道變形非常關(guān)鍵，且與巷道圍巖協(xié)同作用，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)。

圖1 新型錨索桁架控制系統(tǒng)支護原理示意圖

2.2 支護方案設(shè)計及參數(shù)分析

基于新型錨索桁架控制系統(tǒng)，針對東四正巷的具體地質(zhì)及生產(chǎn)條件，綜合考慮支護難點和支護薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計并優(yōu)化后的支護方案如圖2 所示。

圖2 新型錨索桁架支護方案示意圖

（1）頂板錨桿支護。選用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ20 mm×2400 mm，單根錨桿錨固長度800 mm，使用一支Φ23 mm×800 mm 中速錨固劑進行端錨，錨固力不低于100 kN；錨桿間排距800 mm×800 mm，其中最外側(cè)兩根錨桿間距500 mm，且斜向外10°打設(shè)，其余錨桿垂直頂板打設(shè)；配合錨桿托盤、鋼筋梯子梁及金屬菱網(wǎng)打設(shè)。

（2）頂板錨索支護。錨索支護為單體錨索、桁架錨索交替配合使用。單體錨索：選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，規(guī)格為Φ17.8 mm×9300 mm，使用一支Φ23 mm×1200 mm 雙速錨固劑進行端錨，錨固力控制不低于160 kN；單體錨索每排兩根，間排距為1600 mm×800 mm；配合W 形鋼帶打設(shè)。桁架錨索：預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，規(guī)格Φ15.24 mm×8500 mm，使用一支Φ23 mm×1200 mm中速錨固劑進行端錨；桁架錨索每排兩根，間排距2100 mm×1600 mm；桁架錨索斜向外側(cè)打設(shè)，與鉛垂方向夾角20°，每排兩根錨索伸出鉆孔并使用配套的鎖具及桁架錨索連接器連接好，張拉預(yù)緊后錨固力控制不低于140 kN。

（3）巷幫支護。選用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ20 mm×2400 mm，單根錨桿錨固長度800 mm，使用一支Φ23 mm×800 mm 中速錨固劑進行端錨，錨固力不低于70 kN；錨桿間排距1000 mm×800 mm，其中最上部錨桿斜向上10°打設(shè)，其余錨桿垂直巷幫打設(shè)；配合錨桿托盤及金屬菱網(wǎng)打設(shè)。

（4）非常規(guī)時期支護方式[5]。巷道掘進過程中遇過斷層、頂板漏冒、壓力異常等情況時，及時編制專項安全技術(shù)措施，采用注漿、架棚、噴漿等加強支護措施。

3 應(yīng)用效果分析

巷道支護試驗段長度為200 m，對掘進支護后一個時期內(nèi)的巷道圍巖變形進行觀測，測站布置如圖3 所示。在近150 d 的觀測期，發(fā)現(xiàn)如下圍巖變形規(guī)律（各測站觀測平均值）：巷道掘進后20 d 內(nèi)為圍巖變形快速發(fā)展期，約30 d 后逐漸穩(wěn)定，頂板總下沉量近90 mm，兩幫移近量控制在120 mm以內(nèi)，頂板離層控制效果較好；50～120 d 期間，受103 工作面回采影響，圍巖受二次擾動，圍巖變形又經(jīng)歷一個快速發(fā)展期，頂板總下沉量達到300 mm，兩幫移近量達到410 mm，頂板離層值最大發(fā)展至15 mm，總體可控，后趨于穩(wěn)定。

東四正巷及其他兩條回采巷道中采用的新型錨索桁架支護方案，取得了顯著的綜合經(jīng)濟效益，累計節(jié)約材料費、人工費、維修費等1200 余萬元，提高了掘進速度，減少了巷道維護工作量，有效緩解了采掘接替緊張的局面。更重要的是可以降低安全隱患，提高安全系數(shù)，在施工中沒有出現(xiàn)原來普通錨桿錨索支護時的冒頂事故，頂板沒有發(fā)生大的離層，巷道圍巖穩(wěn)定，安全生產(chǎn)得到保障。

圖3 圍巖觀測測站布置示意圖

4 結(jié) 語

巷道支護方案設(shè)計及圍巖有效支護是保障煤礦采掘作業(yè)及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，錨索桁架控制系統(tǒng)為新元礦回采巷道提供了新型支護技術(shù)。基于該系統(tǒng)及東四正巷的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，設(shè)計一套新型錨索桁架支護方案。該方案能在水平和鉛垂方向提供有效支護力，且斜穿過煤幫上方附近頂板最大剪應(yīng)力區(qū)，與巷道圍巖形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，能發(fā)揮高效的主動支護作用。經(jīng)過200 m 巷道試驗段的支護及礦壓觀測驗證，巷道圍巖控制效果良好，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著，有效保障了礦井安全生產(chǎn)。