耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)在蠕動(dòng)變形頂板中應(yīng)用

范 進(jìn)

（大同煤礦集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037001）

巷道掘進(jìn)期間受斷層、采空區(qū)、陷落柱等應(yīng)力影響，巷道頂板出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板彎曲變形、頂板下沉、頂板破碎等現(xiàn)象，而傳統(tǒng)頂板采用的錨桿（索）主動(dòng)支護(hù)，在蠕動(dòng)變形頂板中無法有效發(fā)揮與頂板同步耦合支護(hù)作用，最終導(dǎo)致頂板錨桿（索）支護(hù)失效現(xiàn)象，威脅著應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)安全。所以對于應(yīng)力影響下蠕動(dòng)變形頂板采取合理有效的支護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體耦合讓壓支護(hù)作用，對提高頂板支護(hù)質(zhì)量，控制頂板蠕動(dòng)變形量具有重要意義。本文以馬脊梁礦5127 巷掘進(jìn)為例，對巷道應(yīng)力區(qū)蠕動(dòng)變形頂板采取了耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)，確保變形頂板控制與維護(hù)。

1 概況

大同煤礦集團(tuán)馬脊梁礦5127 巷位于井田一盤區(qū)，北東為馬脊梁礦與同忻礦礦界，南東為馬脊梁礦與同忻礦礦界及8220 工作面采空區(qū)，北西為盤區(qū)大巷及實(shí)煤區(qū)，南西為盤區(qū)大巷。5127 巷設(shè)計(jì)長度為2456 m，巷道斷面寬×高=5.4 m×3.7 m。巷道掘進(jìn)煤層為石炭系3#煤層，煤層厚度5.08～8.31 m，平均6.78 m，煤層傾角1°～3°，平均2°，純煤厚5.62 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸3～7 層，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥，局部有煌斑巖侵入，屬近水平煤層。3#煤層直接頂主要為含礫粗砂巖，平均厚度為10.9 m；基本頂主要以中粒粗砂巖為主，平均厚度為4.5 m。5127巷采用機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至2020年2月13日，巷道已掘進(jìn)870 m。

2 原支護(hù)設(shè)計(jì)及支護(hù)現(xiàn)狀

2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）5127 巷原支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板每排布置7 根長度為2.5 m、直徑為22 mm 左旋無縱筋錨桿，錨桿間距為0.8 m，排距為1.0 m，肩角處錨桿與頂板的夾角為80°。錨桿采用加長錨固方式，錨固長度為1.1 m。

（2）頂板每排施工5 根長度為5.3 m、直徑為17.8 mm 預(yù)應(yīng)力錨索，每排布置4 根，間距為1.0 m，排距為2.0 m，角錨索每排2 根，與同排最近錨索間距為1.15 m。

2.2 支護(hù)失效狀況

5127 巷掘進(jìn)至881 m 處揭露一條正斷層F2，斷層落差為1.2 m，傾角為54°。5127 巷掘進(jìn)至865 m 處進(jìn)入F2 斷層應(yīng)力影響區(qū)，巷道在應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)過程中同時(shí)受8220 采空區(qū)影響，巷道頂板出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，巷道頂板錨桿、錨索錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重，失效率達(dá)11%，部分支護(hù)承載件（鋼帶）在應(yīng)力作用下出現(xiàn)斷裂、變形現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)頂板維護(hù)控制效果差，頂板局部破碎嚴(yán)重，頂板最大下沉量達(dá)0.44 m，原頂板支護(hù)不能滿足應(yīng)力區(qū)巷道高效掘進(jìn)要求。

2.3 頂板支護(hù)失效原因分析

由于5127 巷應(yīng)力區(qū)頂板蠕動(dòng)變形嚴(yán)重，特別是頂煤區(qū)段出現(xiàn)蠕動(dòng)變形現(xiàn)象后，頂板承載能力降低，造成頂板下沉、離層、斷裂現(xiàn)象，而原頂板采用的錨桿（索）支護(hù)體延展性較低，對于小應(yīng)力區(qū)及蠕動(dòng)變形小的頂板采用該類支護(hù)效果相對較好，但對于5127 巷應(yīng)力區(qū)蠕動(dòng)變形較大的頂板，錨桿（索）支護(hù)在應(yīng)力作用下變形無法與頂板變形相耦合，隨著頂板蠕動(dòng)變形持續(xù)作用，最終導(dǎo)致錨桿（索）斷裂。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，5127 巷應(yīng)力區(qū)錨桿常在絲扣部、錨索常在距錨索托盤安裝部位0.5～1.2 m處發(fā)生斷裂。

3 耦合讓壓支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 耦合讓壓支護(hù)技術(shù)原理

對于軟巖巷道掘進(jìn)后巷道頂板煤巖體產(chǎn)生蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，且隨著時(shí)間推移逐漸趨于穩(wěn)定，頂板在蠕動(dòng)變形期間頂板圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，頂板承載梁穩(wěn)定性降低，若在蠕動(dòng)變形期間采用鋼性支護(hù)進(jìn)行控制時(shí)，由于鋼性支護(hù)體延展性低、耦合讓壓效果差，導(dǎo)致隨著頂板蠕動(dòng)變形量增加，支護(hù)體屈服壓力增大，當(dāng)屈服壓力大于支護(hù)體屈服強(qiáng)度時(shí)支護(hù)出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

耦合讓壓支護(hù)技術(shù)是在不改變支護(hù)體長度、直徑、強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)下，在支護(hù)體上安裝讓壓構(gòu)件，安裝讓壓構(gòu)件的支護(hù)體在支護(hù)時(shí)讓壓構(gòu)件能夠隨著頂板蠕動(dòng)變形進(jìn)行相適應(yīng)讓壓作用，在讓壓期間支護(hù)體受壓控制在屈服強(qiáng)度極限內(nèi)，從而達(dá)到耦合讓壓支護(hù)目的。

3.2 耦合讓均勻支護(hù)施工

為了降低支護(hù)勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度以及支護(hù)成本費(fèi)用，決定對5127 巷斷層應(yīng)力區(qū)頂板采用“讓壓蛇形錨桿+讓壓鳥窩恒阻錨索”聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)。5117巷蠕動(dòng)變形頂板耦合讓壓錨桿（索）支護(hù)斷面、平面示意圖如圖1。

3.2.1 支護(hù)體參數(shù)

為了增加錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度，頂板讓壓錨桿采用長度為3.5 m、直徑為28 mm 碳鋼材質(zhì)的左旋無縱筋錨桿，錨桿屈服強(qiáng)度為225 MPa，延展率為5%，抗剪切應(yīng)力為655 kN。讓壓錨索采用長度為8.0 m、直徑為21.8 mm 恒阻錨索，錨索抗拉強(qiáng)度為455 MPa，延展率為11%。

3.2.2 讓壓構(gòu)件基本參數(shù)

錨桿采用10～12TB 型單泡蛇形讓壓管，讓壓最大承載作用力520 kN，最大讓壓距離0.35 m，讓壓管安裝在距錨桿錨固1.5 m 處。錨索采用24～30TB 型雙泡鳥窩讓壓管，讓壓最大承載作用力為870 kN，最大讓壓距離為0.62 m。

3.2.3 讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）由于5127 巷3#煤層穩(wěn)定性差，在應(yīng)力區(qū)處頂煤破壞嚴(yán)重，為了降低鉆孔施工時(shí)對頂板產(chǎn)生擾動(dòng)破壞，優(yōu)化后應(yīng)力區(qū)頂板每排布置5 根讓壓蛇形錨桿，所有錨桿垂直頂板布置，間距為1.2 m，排距為1.0 m，讓壓錨桿采用加長錨固方式，錨固長度為1.2 m。

（2）為了進(jìn)一步提高承載件承壓強(qiáng)度，增加承載件支護(hù)截面積，在同一排讓壓錨桿外露端安裝一根“JW”型鋼梁，鋼梁長度為5.2 m，寬度為0.38 m，厚度為4 mm，鋼梁單位面積承載強(qiáng)度為372 MPa。

（3）原頂板錨索全部更換為讓壓鳥窩錨索，每排布置3 根，錨索排距為3.0 m，間距為2.0 m，同一排錨索外露端安裝一根長度為4.2 m、寬度為0.15 m 槽鋼。

（4）為了進(jìn)一步提高支護(hù)承載能力，將原頂板14#鉛絲編制的鋼制經(jīng)緯網(wǎng)更換為柔性纖維網(wǎng)，每片網(wǎng)長度為10 m，寬度為5.5 m，柔性纖維網(wǎng)承載能力為120 MPa。與傳統(tǒng)鋼制網(wǎng)相比，柔性纖維網(wǎng)具有柔性好、頂板維護(hù)效果好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可適用于高應(yīng)力圍巖中。

圖1 5117 巷蠕動(dòng)變形頂板耦合讓壓錨桿（索）支護(hù)斷面、平面示意圖

3.3 應(yīng)用效果分析

為了監(jiān)測耦合讓壓支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果，分別從頂板下沉量以及讓壓錨桿（索）兩方面進(jìn)行觀察分析。

（1）頂板下沉量觀察分析。5127 巷蠕動(dòng)變形區(qū)頂板施工讓壓錨桿（索）后，選取了三個(gè)觀測點(diǎn)（1#～3#），觀測點(diǎn)間距為15 m，每個(gè)觀測點(diǎn)處安裝一個(gè)YHW300 型電子頂板離層儀。通過對三個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行15 d 觀測發(fā)現(xiàn)，在0～7 d 范圍內(nèi)頂板蠕動(dòng)下沉量最大，平均下沉量為0.32 m；在7～12 d 范圍內(nèi)蠕動(dòng)變形量逐漸減?。辉?2～15 d 范圍內(nèi)頂板讓壓錨桿（索）與蠕動(dòng)變形頂板達(dá)到最佳耦合支護(hù)作用，頂板蠕動(dòng)變形量趨于零，在此期間頂板處于完整狀態(tài)，未見破碎、斷裂現(xiàn)象。

（2）讓壓錨桿（索）受力狀態(tài)分析。為了檢測應(yīng)力區(qū)讓壓錨桿（索）受壓情況，在1#、2#、3#三個(gè)測點(diǎn)各取一根讓壓錨索和讓壓錨桿，并在其外露端安裝一個(gè)YL-803Z 軸向智能數(shù)顯壓力器。通過30 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在前15 d 內(nèi)受頂板蠕動(dòng)變形影響，錨桿、錨索受力成遞增趨勢，如圖2；15 d 后頂板讓壓錨桿（索）與蠕動(dòng)變形頂板達(dá)到耦合支護(hù)最佳狀態(tài)，頂板下沉量得到控制，錨桿（索）受力趨于穩(wěn)定，錨桿平均受力值為117 kN，錨索平均受力值133 kN，且全部未達(dá)到錨桿（索）屈服強(qiáng)度值，錨桿（索）未出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，支護(hù)良好。

圖2 5117 巷蠕動(dòng)變形頂板讓壓錨桿（索）受力曲線圖

4 結(jié)束語

通過對5127 巷應(yīng)力區(qū)蠕動(dòng)變形頂板采取耦合均讓壓支護(hù)技術(shù)后，解決了蠕動(dòng)變形頂板采用傳統(tǒng)鋼性支護(hù)體延展率低、讓壓效果差、起不到耦合支護(hù)作用等技術(shù)難題，避免了鋼性支護(hù)體在應(yīng)力作用下出現(xiàn)破斷、變形現(xiàn)象，提高了蠕動(dòng)變形頂板整體支護(hù)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了支護(hù)體與變形頂板耦合支護(hù)作用，為類似地質(zhì)條件的采掘工作面圍巖控制提供了借鑒依據(jù)，取得了顯著應(yīng)用成效。