正利煤業(yè)14-11105孤島工作面圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

楊建龍

（山西焦煤集團(tuán)投資有限公司正利煤業(yè)，山西 呂梁 033500）

1 工程概況

山西省焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司14-11105工作面屬于孤島工作面。工作面區(qū)域煤厚2.9～3.5 m，平均3.2 m，煤層傾角6°～10°，平均8°，直接頂以泥砂互層、基本頂以中細(xì)砂巖為主。工作面回采巷道斷面為矩形，寬4.6 m，高3.2 m。由于孤島工作面礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，為保障回采巷道圍巖的穩(wěn)定，需進(jìn)行巷道圍巖控制技術(shù)研究。

2 巷道圍巖多圈層高效支護(hù)技術(shù)

2.1 支護(hù)技術(shù)原理

目前我國(guó)煤巷的支護(hù)方式主要為錨網(wǎng)索支護(hù)，但這種組合支護(hù)下存在兩方面問(wèn)題：（1）錨桿和錨索長(zhǎng)度相差較大，錨索長(zhǎng)度一般是錨桿長(zhǎng)度的3～4倍，錨桿錨固區(qū)外離層由錨索承擔(dān)，但錨索密度較低。（2）錨桿和錨索由于力學(xué)性質(zhì)不同很難協(xié)同承載，前期載荷主要集中在預(yù)緊力更高、敏感度更強(qiáng)的錨索上，遇強(qiáng)動(dòng)壓時(shí)錨索常常先斷而后錨桿再斷，支護(hù)體系被各個(gè)擊破[1-2]。

基于上述普通錨網(wǎng)索支護(hù)中存在的問(wèn)題，依據(jù)錨桿索各自的物理力學(xué)屬性，提出促進(jìn)二者高效耦合承載的支護(hù)理論和技術(shù)，通過(guò)等排距錨桿索構(gòu)建巷道頂板多承載層，技術(shù)原理如圖1。采用多圈層高效支護(hù)技術(shù)時(shí)，一排錨桿和一排錨索間隔布置，相鄰錨桿和錨索之間的排距相同，從而充分發(fā)揮錨桿和錨索各自的支護(hù)能力，避免高預(yù)拉力錨索對(duì)錨桿造成干擾。同時(shí)，錨桿和錨索在巷道頂板不同深度的層位上分別形成了“淺部基礎(chǔ)層”“中部承載層”和“深部強(qiáng)化層”，避免當(dāng)錨固層位單一化時(shí)支護(hù)界面上離層集中發(fā)育[3-5]。巷道頂板多承載層保障了頂板巖層穩(wěn)定，為支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 巷道圍巖多圈層高效支護(hù)技術(shù)原理圖

支護(hù)長(zhǎng)度優(yōu)化，促進(jìn)錨桿索高效耦合承載。當(dāng)錨固長(zhǎng)度一定時(shí)，錨桿和錨索的軸向敏感度（反應(yīng)抑制變形的能力）隨著桿體長(zhǎng)度的增加而降低，因此若錨索長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)則支護(hù)效率下降。而與之對(duì)應(yīng)，承載層厚度隨著錨桿索長(zhǎng)度的降低而降低，若錨桿索長(zhǎng)度過(guò)短則錨固層厚度不足。通過(guò)加大錨桿長(zhǎng)度、縮短錨索長(zhǎng)度，形成長(zhǎng)短組合間隔支護(hù)，促進(jìn)錨桿和錨索高效協(xié)調(diào)承載，既能保證錨固層的厚度，又能維持桿體的高敏感度。

采空側(cè)保持加長(zhǎng)支護(hù)，控制采動(dòng)區(qū)頂板破斷連帶的橫向離層。在覆巖運(yùn)動(dòng)的連帶作用下，采空區(qū)側(cè)邊頂板分布大量裂隙離層。因此，對(duì)巷道的采空側(cè)頂板施加長(zhǎng)錨索加固，有助于控制離層的進(jìn)一步發(fā)育，避免其惡化發(fā)展。根據(jù)煤層頂板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)錨索支護(hù)該區(qū)域頂板，能夠較好地控制該位置的頂板離層。

2.2 支護(hù)技術(shù)工藝特征

（1）支護(hù)原則

① 新型大加固圈。傳統(tǒng)小加固圈支護(hù)密度高，但承載層薄，支護(hù)效率低，常有安全隱患。多圈層高效支護(hù)技術(shù)中錨桿應(yīng)穿透關(guān)鍵圈層，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖性能，限制淺部變形，以小位移約束大位移，實(shí)現(xiàn)圍巖整體控制，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如圖2，加大承載圈的強(qiáng)度和厚度，抵抗應(yīng)力擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)承載層厚、支護(hù)效率高、安全可靠的目的。

圖2 大加固圈支護(hù)原理示意圖

② 低密度高效能。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行支護(hù)間排距設(shè)計(jì)的思想，現(xiàn)進(jìn)行錨桿（索）設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮錨桿（索）的支護(hù)效能，以此通過(guò)支護(hù)方案保障圍巖穩(wěn)定，達(dá)到低密度條件下錨桿（索）的高效能支護(hù)。

③ 預(yù)應(yīng)力維持。在巷道錨桿（索）支護(hù)后，隨著巷道掘出時(shí)間的增長(zhǎng)，施加在錨桿（索）上的預(yù)應(yīng)力會(huì)不斷地降低、損失?；谀壳爸ёo(hù)中存在的這項(xiàng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)在支護(hù)方案實(shí)施后對(duì)錨桿（索）采取二次或多次扭矩施工作業(yè)，確保錨桿（索）在巷道服務(wù)期限內(nèi)能夠始終保持較高的預(yù)緊力，以此確保其支護(hù)效果[6]。

（2）大錨桿支護(hù)特征及指標(biāo)

大錨桿的技術(shù)特征：① 主動(dòng)支護(hù)能力—高預(yù)應(yīng)力；② 工藝時(shí)效性能—良好工藝性能；③ 約束變形能力—較強(qiáng)的增載性能。

大錨桿的技術(shù)指標(biāo)：大錨桿支護(hù)通常按照單根錨桿效能的3～4倍來(lái)考慮。① 桿體強(qiáng)度不低于600 MPa；② 錨桿規(guī)格直徑Φ24～25 mm，長(zhǎng)度3.0～4.0 m；③ 主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度0.2～0.3 MPa以上。

（3）大錨桿的幾種形式

柔性錨桿：① 桿體為鋼絞線，尾部加螺紋套，采用螺母預(yù)緊；② 桿體為鋼絞線，采用鎖具預(yù)緊。

兩節(jié)式、多段式錨桿：桿體采用高強(qiáng)度錨桿，桿體屈服強(qiáng)度≥600 MPa，錨桿的長(zhǎng)度可以不受巷道尺寸制約，螺母托盤鋼帶金屬網(wǎng)高效匹配，配備減摩墊片。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知[7]：兩節(jié)式錨桿套筒連接處強(qiáng)度已超過(guò)錨桿桿體強(qiáng)度，不存在弱化問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力支護(hù)。

3 支護(hù)方案及效果分析

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)14-11105工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合上述巷道圍巖多圈層高效支護(hù)技術(shù)原理及工藝特征，確定巷道多圈層支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)

① 螺紋鋼錨桿（配M5鋼帶、M5托盤）：淺部基礎(chǔ)層采用Φ22 mm×2600 mm左旋螺紋鋼錨桿（屈服強(qiáng)度為500 MPa）配M5托盤壓M5鋼帶支護(hù)，間排距為800 mm×1000 mm，預(yù)緊力矩300 N·m。

② 柔性錨桿：每隔兩排螺紋鋼錨桿布置3根Φ21.8 mm×4300 mm柔性錨桿形成中部承載層，間排距1600 mm×2000 mm，預(yù)緊力≥200 kN。

③ 錨索：每?jī)膳湃嵝藻^桿中間“五花眼”位置布置Φ21.8 mm×6300 mm錨索，每排2根，形成深部強(qiáng)化層，間排距為1600 mm×2000 mm，預(yù)緊力不小于250 kN。

④ 網(wǎng)片：頂板鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5 mm×4600 mm×1100 mm。

（2）煤幫支護(hù)

① 螺紋鋼錨桿（配M3鋼帶、M3托盤）：幫部每排布置4根Φ22 mm×2600 mm左旋螺紋鋼錨桿（屈服強(qiáng)度500 MPa），間距不一，排距1000 mm，上部3根錨桿配M3托盤壓M3鋼帶支護(hù)，底部1根為單體支護(hù)，預(yù)緊力矩不小于300 N·m。

② 網(wǎng)片：規(guī)格為3200 mm×1100 mm。幫網(wǎng)上部與頂網(wǎng)搭接不小于200 mm，錨桿必須打到壓茬處，搭接部位每隔200 mm三花邁步綁扎，用14#鐵絲雙股扭結(jié)，不少于三扣。

具體14-11105工作面回采巷道支護(hù)布置圖如3。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 效果分析

14-11105工作面回采巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，測(cè)站滯后掘進(jìn)頭10 m布置，巷道掘進(jìn)期間平均每間隔2～3 d觀測(cè)一次，持續(xù)觀測(cè)40 d。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制出圍巖變形曲線圖，如圖4。

圖4 圍巖變形量及變形速率曲線圖

分析圖4可知，巷道掘出后的0～10 d內(nèi)圍巖變形速率較大；當(dāng)巷道掘出時(shí)間在10～15 d范圍內(nèi)時(shí)，圍巖變形速率大幅降低，頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形量均小于2 mm/d；當(dāng)巷道掘出15 d后，巷道圍巖變形量基本不再增加，最終頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠謩e為123 mm和182 mm。據(jù)此可知，巷道現(xiàn)有支護(hù)方案可保障圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)14-11105孤島工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)分析巷道圍巖多圈層高效支護(hù)技術(shù)原理及工藝特征，設(shè)計(jì)巷道頂板采用螺紋鋼錨桿、柔性錨桿及錨索分別對(duì)淺部基礎(chǔ)層、中部承載層和深部強(qiáng)化層進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)煤幫采用螺紋鋼錨桿支護(hù)。圍巖變形觀測(cè)結(jié)果表明圍巖變形量小，能夠保障圍巖的穩(wěn)定。