深井薄基巖區(qū)域高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護技術(shù)研究

余 飛 毛 東 李伯樂

（焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責(zé)任公司，河南 輝縣453634）

趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓。礦井西南距焦作市50km，東南距新鄉(xiāng)市39km，東北至輝縣市17km，行政區(qū)域隸屬河南省新鄉(xiāng)市輝縣市。井田含煤面積43.77km2，總資源儲量3.73 億t,可采儲量1.65 億t。礦井于2009 年5 月正式投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力240 萬噸，2015 年核定生產(chǎn)能力為300 萬噸。

趙固一礦主采煤層為二1 煤，煤層埋深641.2～643.1m，上覆第四系和新近系松散地層厚度為450.5～514.3m，平均482.4m；根據(jù)《河南省焦作煤田趙固一礦井田勘探報告》以及現(xiàn)場實際揭露的地質(zhì)、水文情況，頂板基巖厚度25.5～115.7m，平均44.81m，基巖厚度較薄。礦井屬低瓦斯礦井，煤層為Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性，水文地質(zhì)類型極復(fù)雜。

1 工程概況

1.1 巷道位置及煤層情況

巷道位置及四鄰采掘情況：16021 工作面上順槽位于礦井西北翼，所屬西六盤區(qū)，布置于二1 煤層，煤層厚度7.15～6.34m，平均為6.69m，煤（巖）層賦存穩(wěn)定，產(chǎn)狀為S30～50°W∠3°～7°，煤層結(jié)構(gòu)簡單。16021 工作面上順槽西為已回采結(jié)束的16011 工作面，東為16031 工作面（未掘進），南為16021 工作面聯(lián)絡(luò)巷、北翼三條大巷和F25斷層尖滅端。

1.2 工作面地質(zhì)條件

根據(jù)已回采16011 工作面、已掘進16021 工作面聯(lián)絡(luò)巷頂板基巖實際勘查、礦井三維地震及地面勘探鉆孔顯示：16021 工作面上順槽二1 煤層上覆第四系、新近系巨厚松散地層，厚度450.5～504.3m，平均厚度477.4m。根據(jù)實際勘探及地質(zhì)資料，預(yù)計該巷道頂板巖性為極易風(fēng)化的泥巖，基巖厚度為36.2～41.2m，平均厚度37.5m。

頂?shù)装宓刭|(zhì)情況：偽頂為泥巖，厚度0～3.5m，平均厚度1.3m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.0～7.6m，平均厚度4.3m；老頂為中粒砂巖，厚度4.9～18.6m，平均厚度11.9m。直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度14.2～16.2m，平均厚度15m；老底為L9灰?guī)r，厚度1.3～1.8m，平均厚度1.5m。

2 支護設(shè)計

2.1 支護設(shè)計理論選擇

礦井通過多年的生產(chǎn)實踐，形成了以錨桿、錨索支護為主、多種支護方式共存的巷道支護局面。但受深部開采、厚松散層地層及薄基巖擾動影響，圍巖應(yīng)力場復(fù)雜，地應(yīng)力高。在深井高地應(yīng)力的作用下，巷道圍巖體發(fā)生根本變化，圍巖蠕變明顯，擴容現(xiàn)象顯現(xiàn)突出，表現(xiàn)為圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂隙緩慢張開，新裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致圍巖體積增大，擴容膨脹。煤巖體的沖擊性表現(xiàn)劇烈，具有突然性，不是逐漸變化的。巷道收縮變形明顯，存在前掘后修局面，嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)。

目前國內(nèi)深部巷道圍巖控制理論主要有馮豫等提出的“聯(lián)合支護理論”；孫曉明等提出的“巷道耦合支護技術(shù)”；康紅普等提出的“高預(yù)緊力、強力支護理論和支護系統(tǒng)”；牛雙建等提出的“初期主動柔性支護、中期剛?cè)狁詈蟿討B(tài)加固技術(shù)”等，均在不同地質(zhì)條件下實現(xiàn)了深井錨網(wǎng)巷道圍巖的有效控制，并為本次工程設(shè)計提供理論借鑒。

本文結(jié)合趙固一礦厚松散層地層、薄基巖等復(fù)雜地質(zhì)條件，根據(jù)礦井實際測定的巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，分析高地壓巷道圍巖變形與破壞機理，支護系統(tǒng)控制圍巖變形的作用。依據(jù)高預(yù)緊力、強力支護理論和支護體系的基礎(chǔ)上，在原有巷道支護設(shè)計上進行優(yōu)化。著重提高支護系統(tǒng)的初期支護剛度與強度,保持圍巖的完整性,減少圍巖強度的降低，達到減小兩幫移進和底鼓，避免二次返修、擴刷，并應(yīng)用于工程實踐。高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論要點如下:

a.高預(yù)應(yīng)力一次性支護。巷道圍巖變形主要為不連續(xù)變形和連續(xù)變形，不連續(xù)變形表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面離層、滑動、裂隙擴容等；連續(xù)變形表現(xiàn)為巷道圍巖的彈性變形、錨桿（索）錨固區(qū)的整體變形等。由于煤巖體結(jié)構(gòu)面的強度一般比較低,因而巷道開口掘進后,圍巖結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)變形先于連續(xù)變形。因此大幅度提高錨網(wǎng)支護的初期預(yù)應(yīng)力參數(shù)、強度，能夠有效控制巷道圍巖變形離層，達到一次支護到位,最大限度地保持圍巖完整性,保障圍巖的穩(wěn)定性。

b.高預(yù)應(yīng)力的擴散原則。錨網(wǎng)支護體系中預(yù)應(yīng)力支護主要用于控制錨固區(qū)圍巖的離層、裂隙等變形、擴容。使巷道煤巖體處于受壓狀態(tài),抑制圍巖拉伸、剪切及彎曲變形的出現(xiàn),使圍巖成為承載的主要受力體。圍巖控制的時機是決定主動支護還是被動支護的參數(shù)。選用匹配的支護構(gòu)件，能夠?qū)崿F(xiàn)高預(yù)應(yīng)力的擴散性和及時性，擴大高預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨網(wǎng)支護的整體強度及完整性，最大限度地發(fā)揮整體支護作用。

根據(jù)以上支護理論原則，選擇相互匹配的支護構(gòu)件，升級錨桿（索）體、張拉機具及配套的拱形高強托板和W鋼護板，使得錨桿預(yù)緊扭矩由原有200N·m 提高至300N·m，錨索預(yù)緊力由原有200kN提高至300kN。

2.2 支護參數(shù)

根據(jù)高預(yù)應(yīng)力支護設(shè)計原則，采用錨網(wǎng)支護，具體支護設(shè)計參數(shù)如下：16021 工作面上順槽設(shè)計全長1150m，巷道為矩形斷面，寬度5200mm、高度3900mm，凈斷面積20.28m2。

圖1 巷道斷面支護圖

圖2 5m 及650m 觀測站變化圖

頂板采用錨網(wǎng)支護，錨桿采用MSGLW-500 型無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，規(guī)格φ20×2400mm，間排距800×800mm，每排7根(其中兩肩窩為φ17.8×4200mm 錨索，其余5 根為錨桿)，中間5根錨桿垂直于頂板打設(shè)，兩肩窩錨索外扎10°打設(shè)。錨桿螺母為M20 高強度螺母，配合使用減摩尼龍墊圈、高強拱形托板及可調(diào)節(jié)球型導(dǎo)向墊，高強拱形托板規(guī)格150×150×10mm，拱高不低于36mm，托盤承載能力不低于210kN。同時采用配套W鋼護板，規(guī)格450×280×5mm，勒高不低于25mm。每根高強錨桿使用2 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，扭矩不低于300N·m，錨固力不低于150kN，螺母外露長度10～50mm。每根錨索使用3 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力不低于200kN，錨索外露長度150～250mm。

除錨網(wǎng)支護外，采用槽鋼梁錨索與點錨索補強支護，錨索規(guī)格φ21.6×8300mm，每間隔1 排錨桿打1 排補強錨索，槽鋼梁錨索與點錨索交叉布置，槽鋼梁錨索每排4 根，點錨索每排3 根，呈“4-3”布置方式，間排距1400×1600mm；點錨索垂直頂板打設(shè)，槽鋼梁錨索兩側(cè)兩根外扎10°打設(shè)，中間兩根垂直頂板打設(shè)。點錨索墊板采用300×300×14mm高強度可調(diào)心托板及配套鎖具，高度不低于60mm，承載能力不低于550kN。每根錨索使用4 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力不低于300kN，錨索外露長度150～250mm。

幫部采用錨網(wǎng)支護，每排打設(shè)5 根錨索，錨索規(guī)格：φ17.8×4200mm，間排距900×800mm，中間部分錨索垂直巷道幫部煤體打設(shè)，肩窩及底腳錨索分別上扎、下扎10°。每根錨索使用3 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，預(yù)緊力不小于200kN，錨索外露長度150～250mm。

巷道全斷面鋪設(shè)鋼筋冷拔焊接網(wǎng)，金屬焊接網(wǎng)規(guī)格φ6×2100×1190mm，網(wǎng)孔尺寸70×70mm，網(wǎng)片搭接寬度不少于3 格，每間隔不大于2 格用14#鉛絲雙股雙排綁扎，鉛絲必須旋擰不得少于3 圈，擰緊擰牢，鉛絲頭指向煤（巖）體表面。支護設(shè)計圖如圖1 所示。

3 礦壓觀測

3.1 礦壓觀測方案

為監(jiān)測巷道圍巖穩(wěn)定性，主要進行頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟坑^測，間接分析巷道變形情況?，F(xiàn)場具體采用巷道表面位移觀測法及頂板離層指示儀進行觀測，觀測站建立要求如下：

3.1.1 表面位移觀測法。a.每個站建立四個觀測點（頂點一個、底點一個、兩幫各一個）。b.“頂點”建立在頂板中線位置，用鐵絲彎制掛鉤固定在頂板金屬網(wǎng)上；“底點”建立在頂點正下方，在底板上埋設(shè)木撅，并在木撅上釘鋼釘；“幫部點”建立在與頂、底點同一斷面內(nèi)的巷道幫部，距底板高度1.5～1.8m 位置，用鐵絲彎制掛鉤固定在幫部金屬網(wǎng)上（受設(shè)備等影響時測點位置可適當(dāng)調(diào)整）。

3.1.2 頂板離層儀觀測法。頂板離層儀觀測法選用WBY-13 指示型頂板離層儀，監(jiān)測深度分別為2m、6m、9m。

觀測站建立原則：巷道開口掘進后，開口5m 范圍內(nèi)必須建立1 個觀測站，之后觀測站按照50m 間距進行布置。如遇地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力異常區(qū)，新增設(shè)觀測站。觀測站進行掛牌管理，安裝前10 天內(nèi)每天觀測一次，10 天后每旬觀測一次。

3.2 礦壓顯現(xiàn)情況

通過礦壓觀測變化數(shù)據(jù)分析可知，巷道從開始掘進至工作面回采結(jié)束，頂板最大變化量110mm，平均變化量40mm；底板最大底鼓量350mm，平均底鼓量170mm；巷道兩幫收縮量最大200mm，平均收縮量103mm；巷道圍巖整體變形量較小，圍巖控制效果較好。（圖2）

4 結(jié)論

趙固一礦上覆巨厚松散地層，煤層埋深大，頂板基巖薄，巷道圍巖形變強烈，以往巷道支護設(shè)計難以滿足實際生產(chǎn)需要。實踐證明,在16021 工作面上順槽實施高強度、高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護設(shè)計，大幅度提高錨網(wǎng)支護的預(yù)應(yīng)力參數(shù)。有效的控制了巷道圍巖變形離層,避免了圍巖松動區(qū)的擴大,保障了圍巖的整體完整性與穩(wěn)定性，實現(xiàn)巷道自掘進至回采結(jié)束，無明顯形變的目標(biāo)。既滿足巷道支護的可靠性要求，又避免巷道二次返修，在實際施工中取得了新的突破，具有推廣應(yīng)用價值和借鑒意義。