特厚煤層小煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

張世國，李中偉

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

隨著我國優(yōu)質(zhì)煤炭資源的減少、巷道圍巖控制技術(shù)的發(fā)展和降低巷道發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害概率的需要，越來越多的礦井采用小煤柱沿空掘巷的方式布置回采工作面巷道。一些專家學(xué)者對小煤柱巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究，付玉凱等[1]針對深部煤柱留巷圍巖控制難題，在分析煤柱留巷圍巖破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立煤柱留巷力學(xué)模型，分析支護(hù)力、采動應(yīng)力、煤巖體力學(xué)屬性與莫爾圓間的相互關(guān)系，提出深部煤柱留巷“卸-支-注”協(xié)同控制技術(shù)，有效改善了煤柱留巷的圍巖力學(xué)屬性和應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對王坡礦深部煤柱留巷圍巖穩(wěn)定的有效控制。李學(xué)華等[2]分析了6個礦井影響窄煤柱變形破壞的關(guān)鍵因素。柏建彪等[3]數(shù)值計算分析了綜放沿空掘巷圍巖變形情況，同時分析了煤柱穩(wěn)定性與錨桿支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系。馮吉成等[4]研究了深井大采高工作面不同煤柱寬度下煤柱兩側(cè)塑性區(qū)分布情況，分析了采掘擾動對巷道變形的影響。朱若軍等[5]采用數(shù)值計算方法，研究了沿空掘巷不同煤柱寬度和巷道支護(hù)強(qiáng)度時煤柱的應(yīng)力場和位移場。趙啟峰等[6]針對謝橋煤礦沿空掘巷工程地質(zhì)條件，模擬研究了沿空巷道不同階段覆巖應(yīng)力分布、圍巖變形特征、支護(hù)體受力情況，并優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù)。趙國貞等[7]對沿空小煤柱兩側(cè)分階段注漿加固，形成了煤柱、頂煤、頂板組成的超靜定懸臂梁結(jié)構(gòu)，促使頂板斷裂線的位置從采面?zhèn)认蜞徑娌煽諈^(qū)側(cè)移動，減小煤柱應(yīng)力，從而達(dá)到了減小巷道變形、增強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性的目的?？导t普等[8-15]提出了高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)技術(shù)，在高地應(yīng)力巷道、沿空留巷、動壓巷道和軟巖巷道等多種條件下成功應(yīng)用。本文在對鮑店礦5312運(yùn)輸巷頂幫煤巖體結(jié)構(gòu)窺視分析、強(qiáng)度測試、現(xiàn)有支護(hù)問題分析和錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了現(xiàn)有支護(hù)方案，并進(jìn)行了井下試驗(yàn)，礦壓監(jiān)測結(jié)果表明新支護(hù)體系大幅度提高了巷道的初期支護(hù)強(qiáng)度，避免了圍巖的變形破壞，解決了幫部煤體局部鼓出嚴(yán)重的問題。

1 工程概況

鮑店礦5312運(yùn)輸巷設(shè)計走向長度590m，地面標(biāo)高+43.44～+43.90m，工作面標(biāo)高-439.4～-492.2m，西距5311采空區(qū)4m，5311工作面采空區(qū)頂板巖層運(yùn)動已穩(wěn)定。5312運(yùn)輸巷受兩條斷層影響，落差分別為0～3.4m、0～0.6m，斷層對巷道局部地段穩(wěn)定性有影響，巷道不受其它構(gòu)造影響，5312運(yùn)輸巷布置如圖1所示。3號煤，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，厚度8.08～9.73m，平均8.65m，f=2.9。直接頂為粉砂巖，厚度1.91～4.55m，平均3.56m，裂隙發(fā)育，f=4～6，之上為粉細(xì)砂巖互層，厚度6.07～10.86m，平均8.47m，f=6～8?；镜诪榉奂?xì)砂巖互層，厚度17.43～19.42m，平均18.43m，f=6～8。

圖1 5312運(yùn)輸巷布置

5312運(yùn)輸巷頂板圍巖結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果表明：頂板有厚度5.7m的3號煤，之上有厚度2.2m的砂質(zhì)泥巖，之上為砂巖，3號煤結(jié)構(gòu)完整，砂質(zhì)泥巖整體結(jié)構(gòu)完整、局部縱向裂隙發(fā)育，砂巖裂隙較為發(fā)育；實(shí)體煤側(cè)幫10m范圍內(nèi)，煤體完整性好；小煤柱側(cè)幫0.5m范圍內(nèi)煤體破碎，0.5～2.3m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)完整，有利于錨桿支護(hù)能力發(fā)揮，2.3～2.9m煤體裂隙發(fā)育。

采用自主研制的WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測試裝置，在窺視孔內(nèi)對煤巖體強(qiáng)度進(jìn)行了測試，煤巖體強(qiáng)度測試結(jié)果表明：頂板煤體單軸抗壓強(qiáng)度平均值為20.13MPa，砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值為52.63MPa；幫部煤體單軸抗壓強(qiáng)度平均值為21.19MPa。

綜上，從頂幫煤巖體窺視結(jié)果和強(qiáng)度測試結(jié)果分析，巷道圍巖完整性較好，強(qiáng)度較高，易于錨桿錨索發(fā)揮支護(hù)作用，巷道圍巖易保持穩(wěn)定。

2 現(xiàn)有支護(hù)存在的問題及改進(jìn)措施

2.1 現(xiàn)有支護(hù)分析

5312運(yùn)輸巷現(xiàn)有支護(hù)方案如下：頂板采用?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，幫部采用?20mm×2200mm左旋全螺紋錨桿，間排距為1000mm×900mm，頂幫錨桿桿體屈服強(qiáng)度均為500MPa，頂幫錨桿預(yù)緊扭矩均不得低于300N·m，頂板錨桿托板規(guī)格為120mm×120mm×10mm，幫部錨桿托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm。頂板錨桿采用T型鋼帶連接，T型鋼帶寬度140mm，長度4700mm，幫部錨桿采用膠帶連接。8#金屬網(wǎng)護(hù)頂和幫。頂板錨索直徑21.8mm，長度9000mm，一根布置在巷中，另一根在頂板右側(cè)距離巷中2100mm，間排距2100mm×2700mm。錨索均垂直頂板布置。錨索托板規(guī)格為300mm×300mm×20mm。預(yù)緊力不得小于200kN。最大控頂距2300mm。

鮑店煤礦5312運(yùn)輸巷現(xiàn)有支護(hù)方式巷道變形量較大，幫部局部鼓出嚴(yán)重，經(jīng)分析認(rèn)為現(xiàn)有支護(hù)主要存在以下問題：①原錨桿托板結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下2個方面：托板孔口直徑偏小，錨桿與托板易相互“蹩勁”，容易引起錨桿受到剪、扭、彎等復(fù)合應(yīng)力作用發(fā)生破斷；幫部錨桿托板加工不規(guī)范，托板四個角與護(hù)表構(gòu)件呈點(diǎn)接觸，托板易剪切護(hù)表構(gòu)件。②錨桿托板和螺母之間沒有調(diào)心球墊和減摩墊片。調(diào)心球墊能夠和錨桿托板組成可調(diào)心結(jié)構(gòu)，在錨桿承受偏心載荷作用時，能夠優(yōu)化錨桿的受力狀態(tài)；減摩墊片能夠降低螺母和托板之間的摩擦阻力，提高錨桿預(yù)緊扭矩和預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率，提高錨桿的預(yù)緊力。③目前使用的尺寸300mm×300mm×20mm的方形帶拱錨索托板存在以下問題：錨索托板不配套調(diào)心球墊，錨索容易受托板的剪切，導(dǎo)致錨索破斷；托板四個角與金屬網(wǎng)或其它護(hù)表構(gòu)件形成點(diǎn)接觸，不利于錨索預(yù)緊力和工作阻力的擴(kuò)散，同時托板四個角會剪切金屬網(wǎng)或其它護(hù)表構(gòu)件，易破壞護(hù)表構(gòu)件；托板厚度過大，施工不方便且浪費(fèi)材料。④幫部護(hù)表采用膠帶護(hù)表，護(hù)表強(qiáng)度和剛度不足，導(dǎo)致幫部鼓出嚴(yán)重，幫部鼓出進(jìn)一步導(dǎo)致巷道底鼓和頂板下沉，巷道變形量不斷增加。

2.2 錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)

針對現(xiàn)有支護(hù)存在的問題，研發(fā)了新型錨桿托板，并配套了調(diào)心球墊和減摩墊片。目前減摩墊片的材料主要有塑料和1010尼龍，在實(shí)驗(yàn)室研究了塑料、1010尼龍和無減摩三種條件下錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化情況，不同減摩措施下錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化結(jié)果均值變化曲線如圖2所示，從圖2中可以看出：1010尼龍減摩效果最好，塑料減摩效果最差，無減摩措施效果居中；同等扭矩下1010尼龍減摩效率較塑料減摩效率高45%以上，在扭矩400N·m以下時甚至高68%以上；塑料與不加減摩墊片相比，預(yù)緊力矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率約降低10%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選用1010尼龍材質(zhì)的減摩墊片。

圖2 不同減摩措施下錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化結(jié)果均值變化曲線

2.3 支護(hù)改進(jìn)措施

在以上分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合錨桿錨索支護(hù)技術(shù)的研究成果，提出鮑店煤礦5312運(yùn)輸巷支護(hù)改進(jìn)措施如下：

1)研發(fā)100mm×100mm×10mm新型方形帶拱錨桿托板，配套調(diào)心球墊和減摩墊片，減摩墊片采用1010尼龍材質(zhì)，通過改進(jìn)錨桿托板和配套調(diào)心球墊與減摩墊片，減少錨桿尾部的應(yīng)力集中、優(yōu)化錨桿尾部受力狀態(tài)，提高錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率，提高錨桿預(yù)緊力，提高巷道的初期支護(hù)強(qiáng)度，減少圍巖的初期破壞，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，提高巷道支護(hù)的安全狀態(tài)。

2)研發(fā)300mm×300mm×16mm新型方形帶拱錨索托板，配套調(diào)心球墊，減少甚至避免錨索受托板的剪切，優(yōu)化錨索尾部受力狀態(tài)，新型錨索托板底面為平面，降低了錨索托板對煤巖接觸面的破壞。

3)幫部護(hù)表構(gòu)件選用T型鋼護(hù)板，尺寸為中間厚度10mm，長度350mm，寬度230mm，大幅度提高幫部的護(hù)表剛度和強(qiáng)度，使錨桿的預(yù)緊力和支護(hù)阻力能夠擴(kuò)散到距錨桿更遠(yuǎn)處的煤巖體，提高幫部的支護(hù)強(qiáng)度，使幫部形成一個整體，減少幫部局部鼓出導(dǎo)致的幫部大范圍破壞。

4)提高錨桿預(yù)緊力矩至400N·m，提高巷道的初始支護(hù)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到控制巷道變形量的需求。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 支護(hù)設(shè)計方案

鮑店煤礦5312運(yùn)輸巷為特厚煤層小煤柱沿空掘巷，凈煤柱尺寸4m，巷道為梯形斷面，沿煤層底板掘進(jìn)，頂寬5.0m，底寬5.4m，高度3.7m，沿空掘巷支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 沿空掘巷支護(hù)方案(mm)

1)頂板支護(hù)。錨桿桿體為直徑22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度500MPa，長度2400mm，螺紋長度90～120mm，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為MSCK2350，一支規(guī)格為MSK2370。采用方形帶拱高強(qiáng)度錨桿托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為100mm×100mm×10mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格5200mm×1100mm。T型鋼帶護(hù)頂，凸臺厚度10mm，寬140mm，長度4700mm，孔間距900mm。錨桿排距1000mm，每排6根錨桿，間距900mm。錨索直徑21.8mm，采用1×19股，最大力總延伸率不小于5.0%，長度8000mm，采用三支樹脂藥卷，一支規(guī)格為MSCK2350，兩支規(guī)格為MSK2370。錨索托板采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度托板，配套調(diào)心球墊。錨索“二?二”布置，間距2100mm，排距3000mm。全部垂直巷道頂板打設(shè)，錨索張拉至250kN。

2)幫部支護(hù)。錨桿桿體為直徑20mm左旋全螺紋錨桿，屈服強(qiáng)度500MPa，長度2200mm。采用一支樹脂藥卷，規(guī)格為MSK2370，采用方形帶拱高強(qiáng)度錨桿托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為100mm×100mm×10mm。T型鋼護(hù)板護(hù)幫，中間厚度10mm，長度350mm，寬度230mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格3500mm×1100mm。錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。頂幫錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到400N·m，但不能超過500N·m。錨桿全部垂直巷道頂板和幫部打設(shè)，考慮到施工需要，允許5°誤差。

3.2 礦壓監(jiān)測

在巷道掘進(jìn)40m后，對巷道的頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果可以看出：巷道頂板下沉量16mm，兩幫移近量45mm，頂板下沉量在距迎頭28m時基本保持穩(wěn)定，兩幫移近量在距迎頭35m時基本保持穩(wěn)定；巷道圍巖變形量不大，但是變形持續(xù)時間相對較長。

支護(hù)方案改進(jìn)后支護(hù)效果較原支護(hù)方案有了極大的改善，通過提高錨桿預(yù)緊力、優(yōu)化錨桿支護(hù)構(gòu)件和護(hù)表構(gòu)件，大幅度提高了巷道的初期支護(hù)強(qiáng)度，避免了圍巖的變形破壞，解決了幫部煤體局部鼓出嚴(yán)重的問題。

4 結(jié) 論

1)3號煤結(jié)構(gòu)完整、煤體單軸抗壓強(qiáng)度超過20MPa，頂板砂質(zhì)泥巖整體結(jié)構(gòu)完整、局部縱向裂隙發(fā)育，砂巖裂隙較為發(fā)育，砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值為52.63MPa，在4m小煤柱下，煤柱幫破壞范圍0.5m。巷道圍巖地質(zhì)條件較好，巷道主要破壞形式為幫部局部鼓出。

2)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)了不同減摩措施下的減摩效果，1010尼龍減摩效率較塑料減摩效率高45%以上，在扭矩400N·m以下時甚至高68%以上，塑料減摩效率與不加減摩墊片相比，減摩效率約降低10%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選用1010尼龍材質(zhì)的減摩墊片。

3)在研發(fā)新型錨桿錨索托板、采用T型鋼護(hù)板新型護(hù)表構(gòu)件和提高錨桿預(yù)緊力矩至400N·m的基礎(chǔ)上設(shè)計了支護(hù)方案，井下試驗(yàn)結(jié)果表明大幅度提高巷道的初期支護(hù)強(qiáng)度，可避免圍巖初期變形破壞，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，解決了幫部煤體局部鼓出嚴(yán)重的問題。