泥巖頂?shù)装寤夭上锏雷冃翁卣骷爸ёo(hù)技術(shù)

張振國

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

綜合機(jī)械化走向長壁工作面為現(xiàn)今最普遍運用的采煤方式，該開采方式要求掘進(jìn)三條巷道，巷道圍巖穩(wěn)定是保證井工開采正常生產(chǎn)的技術(shù)保障。由于煤層所處層位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂?shù)装鍘r性的條件千差萬別，地質(zhì)構(gòu)造、頂板淋水、風(fēng)化帶、火成巖侵入、巖性軟弱等惡劣的地質(zhì)條件均會導(dǎo)致巷道支護(hù)困難且變形量大，需反復(fù)維修。木瓜煤礦10-102 工作面煤層頂?shù)装寰鶠檐浫跄鄮r，掘進(jìn)和回采過程中巷道兩幫鼓出、頂?shù)装逡平茸冃螄?yán)重，需要反復(fù)維修，工程量大，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)[1-4]。

1 概況

霍州煤電呂梁公司木瓜煤礦10-102 工作面位于一采區(qū)，地面標(biāo)高+1125～ +1335 m，井下標(biāo)高+927～ +988 m，所采煤層為10 號煤。該煤層屬于半亮型焦煤，均厚2.95 m，厚度變化較小，煤層傾角4°～8°，平均6°。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 33423 工作面頂?shù)装鍘r性

10-1021 巷為運輸巷，巷道斷面為矩形，規(guī)格為4.8 m×3.1 m（寬×高），采用錨網(wǎng)支護(hù)，原支護(hù)方案如圖2。

圖2 原回采巷道支護(hù)設(shè)計

2 軟巖巷道變形特征及原因

2.1 變形特征分析

（1）巷道變形量大

成巷后的一段觀測周期內(nèi)，巷道的表面位移包括頂板下沉、底鼓和兩幫收斂等都相對較大，部分地段巷道頂板離層嚴(yán)重，觀測到的最大離層量達(dá)290 mm，底鼓達(dá)到350 mm。巷道兩幫收斂量與頂?shù)装逡平繋缀跸嗤?/p>

（2）巷道變形具有階段性

對臨近工作面回采巷道進(jìn)行巷道表面位移觀測顯示，成巷后的不同時期巷道的變形不同。開挖初期，巷道變形速率較高，監(jiān)測顯示，成巷卸荷后頂?shù)装宓囊平俣茸畲罂蛇_(dá)10 mm/d。隨后巷道變形速率逐漸降低，最后保持一定的速度流變，持續(xù)時間較長。進(jìn)入工作面超前支承壓力影響范圍之后，又有一次較大的增長。

（3）錨桿索破壞失效嚴(yán)重

由于巷道變形嚴(yán)重，頂部及兩幫的錨桿索等均發(fā)生破壞。局部地段頂板下沉量大，錨桿被拉出，托盤出現(xiàn)明顯外翻，菱形網(wǎng)嚴(yán)重變形，網(wǎng)絲斷裂失去作用；巷道兩幫的梯子梁由于巷道鼓幫嚴(yán)重發(fā)生破斷。如圖3。

圖3 錨桿索破斷圖

2.2 原因分析

分析認(rèn)為，10-1021 巷變形嚴(yán)重的原因主要有以下幾個方面：

（1）圍巖力學(xué)性質(zhì)差

巷道的直接頂和直接底均為泥巖，并且基本底為砂質(zhì)泥巖或者泥巖，力學(xué)性質(zhì)較差，巖石內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，抗壓強(qiáng)度低，承載能力差，難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。

（2）幫錨桿選材不合理

10-1021 巷幫錨桿采用Ф16 mm×1500 mm 的圓鋼麻花錨桿，不適用于大變形的軟巖巷道。

（3）頂錨桿索角度設(shè)置不合理

所有的頂錨桿和錨索均是垂直巷道頂板布置，頂板發(fā)生離層之后，錨桿索同步下沉變形，容易拉斷或者失效。

2.3 改進(jìn)方向

（1）改進(jìn)支護(hù)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的錨桿索支護(hù)采用的是懸吊理論，一般錨索都是單體錨索布置，作用機(jī)理是將下方巖石懸吊在上方穩(wěn)定的巖層中，但該方法對軟巖巷道不適用。

（2）采用高強(qiáng)度錨桿索

（3）加固頂角等關(guān)鍵部位

目前我國巷道支護(hù)缺少對兩幫與頂板交角處的控制，通過巷道角部的控制，可以有效提高破碎區(qū)圍巖的強(qiáng)度，阻止塑性區(qū)向深部發(fā)展，有利于維護(hù)巷道穩(wěn)定。

3 軟巖巷道變形控制技術(shù)

3.1 桁架錨索支護(hù)原理

針對10-1021 泥巖頂?shù)装寤夭上锏乐谐霈F(xiàn)的問題，為提高支護(hù)效果，保證巷道的穩(wěn)定性，需改變支護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度的錨桿索，同時對頂角等關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)。為此，決定采用錨索桁架對泥巖巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖4[5]。

圖4 錨索桁架支護(hù)原理

與之前采用的單體錨索相比，錨索桁架具有以下優(yōu)點。

（1）與單體錨索與頂板的點接觸不同，該系統(tǒng)與頂板的接觸為線接觸，作用區(qū)域更大，對松散破碎頂板具有良好的支護(hù)效果。

（2）連接到一起的兩根錨索可以對巷道直接頂施加水平預(yù)拉力，從而改善巷道頂板的受力狀態(tài)，避免了巷道中下部由于頂板彎曲下沉產(chǎn)生的拉應(yīng)力區(qū)，可以大大減輕巷道的破壞程度。

（3）由于該系統(tǒng)錨固到了巷道煤幫上方的穩(wěn)定巖層中，當(dāng)頂板壓力大于錨索桁架的承受能力時，隨著頂板的下沉，深部錨固點向巷道上方移動，兩個錨索形成閉鎖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計

在數(shù)值模擬和工程類比的基礎(chǔ)上，確定10-1021 巷泥巖頂?shù)装寤夭上锏赖腻^索桁架支護(hù)方案如圖5。

(1)劃分關(guān)注區(qū)域(AOI)。按照綜合五人熱點圖的結(jié)果，頁面12選取其中標(biāo)題、中間位置的零件照片、中間位置零件的電路符號周圍一小圈的三個封閉區(qū)域作為關(guān)注區(qū)域，見圖1(a)；頁面14選取其中標(biāo)題、電器元件三維圖、左側(cè)電路中開關(guān)符號、卡通形象周圍一小圈的四個封閉區(qū)域作為關(guān)注區(qū)域，見圖1(b)。

圖 5 錨索桁架支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)

頂板采用Ф20 mm×2800 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，抗拉強(qiáng)度不低于450 MPa，支護(hù)強(qiáng)度不低于0.24 MPa，錨桿間排距為800 mm×1100 mm，每根錨桿配兩卷Z2360 樹脂錨固劑加長錨固，靠近巷道兩幫的錨桿向兩幫方向傾斜20°，每排錨桿用W鋼帶連接，鋼帶的規(guī)格為4400 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）。

（2）錨索支護(hù)

采用錨索桁架支護(hù)，兩根Ф18.9 mm×7700 mm 的錨索通過專用連接器連接到一起，錨索間排距為2200 mm×2200 mm。每根錨索配三根Z2360樹脂藥卷錨固。錨索桁架要求錨固點為巷道頂板上方堅硬穩(wěn)定的巖層，為此錨索角度為向巷道兩幫傾斜20°。

（3）幫錨桿

非回采幫采用Φ18 mm×2000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配一卷Z2360 樹脂錨固劑，預(yù)緊扭矩不低于120 N·m，每排三根，間排距為1100 mm×1100 mm。

3.3 應(yīng)用效果

掘巷之后，在巷道內(nèi)設(shè)置測站對10-1021 巷的巷道表面位移和頂板離層進(jìn)行監(jiān)測，其中三號測站的頂板下沉量和兩幫移近量的監(jiān)測結(jié)果如圖6。

圖6 三號測站巷道表面位移觀測結(jié)果

由監(jiān)測結(jié)果可知，與原巷道支護(hù)方案相比，加強(qiáng)支護(hù)后的巷道表面位移也分為三個階段，但變形速率和變形量有大幅減少，最大變形速率為2 m/d，集中在成巷后的7 d 之內(nèi)，巷道穩(wěn)定后的頂板下沉量為115 mm，兩幫移近量為95 mm，完全能夠滿足工作面正常回采的需要。

另安設(shè)的巷道頂板離層儀的觀測表明，深部最大離層值為10 mm，淺部最大離層值為4 mm，且頂板無冒頂，頂板網(wǎng)兜數(shù)量也大幅減小。

4 結(jié)論

（1）10-1021 巷泥巖頂?shù)装逑锏赖淖冃尉哂须A段性，變形量大，錨桿索發(fā)生破斷，主要原因是圍巖軟弱以及支護(hù)設(shè)計不合理。

（2）錨索桁架可以顯著改變巷道頂板圍巖的受力狀態(tài)，錨固點穩(wěn)定，適用于大變形軟巖巷道。

（3）木瓜礦10-1021 巷的支護(hù)實踐表明，錨索桁架對泥巖頂?shù)装逑锏谰哂休^好的控制效果，可為類似工作面的巷道支護(hù)提供參考。