鎮(zhèn)城底礦掘進(jìn)工作面快速過構(gòu)造支護(hù)技術(shù)研究

周躍飛

（山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

0 引言

鎮(zhèn)城底礦是西山煤電古交礦區(qū)五對(duì)礦井之一，山西能源和新型工業(yè)基地重要組成部分，國家“六五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。井田位于西山煤田的西北邊緣，地處古交市西北，汾河沿井田北部穿過。

巷道穩(wěn)定性主要取決于巖石應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造及其相互作用。高構(gòu)造應(yīng)力和極破碎巖體是斷裂帶最常見的地質(zhì)特征[1]。煤礦斷裂帶通常富含斷層泥、裂隙水或瓦斯，加劇了礦井瓦斯的危險(xiǎn)性。隨著開采強(qiáng)度和開采極限的增加，我國地下煤礦巷道深度越來越大，最大開采深度可達(dá)1 365 m[2]；巷道地質(zhì)條件日趨復(fù)雜；而巷道的位置、斷面和應(yīng)力狀態(tài)均不利于其穩(wěn)定性。這些趨勢(shì)對(duì)錨桿支護(hù)技術(shù)提出了更高、更嚴(yán)格的要求；為此，進(jìn)行了完整的錨桿支護(hù)技術(shù)研究。

1 地質(zhì)條件和問題

1.1 地質(zhì)條件

礦井布置采用一對(duì)斜井單水平開拓，主運(yùn)輸水平標(biāo)高+760 m。主采2.3號(hào)和8號(hào)煤層，煤質(zhì)以肥煤、焦煤為主。自燃傾向?yàn)棰蝾愖匀济簩?，煤塵均具有爆炸性。2016年10月21日升級(jí)為高瓦斯礦井，混合式通風(fēng)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，屬帶壓開采礦井。

22209運(yùn)輸順槽在A號(hào)點(diǎn)前51 m處揭露一條落差為2 m的上跳正斷層，為保證通過斷層期間施工的安全和質(zhì)量，特制高預(yù)緊力強(qiáng)化復(fù)合支護(hù)技術(shù)。斷層平面位置示意圖如圖1所示。

圖1 斷層平面示意圖

1.2 問題分析

盡管錨桿支護(hù)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，但仍存在一些問題。高強(qiáng)度錨桿支護(hù)在深部復(fù)雜巷道的支護(hù)性能較差，錨桿構(gòu)件破壞嚴(yán)重，問題歸納如下[3-4]：

1）低支撐剛度。支承剛度與預(yù)應(yīng)力和錨固類型有關(guān)，高支承剛度只能通過高預(yù)緊應(yīng)力與全長錨固相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。安裝螺栓的旋轉(zhuǎn)力矩只有100～150 N·m，或者說預(yù)張力是向上的在大多數(shù)情況下為15～20 k N。

2）螺栓和電纜的肌腱強(qiáng)度較低。對(duì)用于高強(qiáng)度螺栓的現(xiàn)有筋，其屈服強(qiáng)度約為335～400 MPa，斷裂強(qiáng)度約為500～600 MPa。電纜直徑為15.2～17.8 mm，破斷力約260～350 k N。

3）端螺紋質(zhì)量差。螺紋質(zhì)量差會(huì)增加螺母和螺紋之間的摩擦力降低從螺母的自旋力矩到肌腱預(yù)緊力的過渡速率；另一方面，不良的螺紋質(zhì)量也會(huì)使后應(yīng)力狀態(tài)惡化，導(dǎo)致剪切、彎曲、斷裂。

4）貶值表面防護(hù)組件，如板，帶，和金屬網(wǎng)。帶低強(qiáng)度和剛度常用來降低材料成本，降低表面抗壓能力，影響表面抗壓性能總支持性能。

5）螺栓密度高。每平方米錨桿數(shù)越多，安裝時(shí)間越長，巷道掘進(jìn)率越低。

為解決上述問題，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了高預(yù)緊強(qiáng)化支護(hù)系統(tǒng)。

2 高預(yù)緊強(qiáng)化支護(hù)理論

目前，對(duì)于高應(yīng)力大變形復(fù)雜巷道的支護(hù)存在2種不同的理論。

2.1 二級(jí)支護(hù)理論

根據(jù)二次支護(hù)理論，對(duì)高應(yīng)力大變形巷道支護(hù)應(yīng)分為2個(gè)階段：第一次支護(hù)應(yīng)在保證巷道穩(wěn)定的情況下，允許圍巖變形并釋放應(yīng)力；應(yīng)設(shè)置二次支護(hù)，使巷道的長期穩(wěn)定性在一定的區(qū)間內(nèi)保持。該理論已被廣泛接受應(yīng)用，并在一定條件下取得了良好的性能。但這一理論正面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，開采深度的增加，加上復(fù)雜的地質(zhì)和開采條件。道路受到強(qiáng)烈的采礦活動(dòng),或減少地質(zhì)不連續(xù)、弱和破碎的巖石區(qū)域,變形后仍未被接納的二級(jí)支持，第三甚至第四支持必須應(yīng)用在一些時(shí)期,但變形長期不能控制。

2.2 高預(yù)緊支護(hù)理論

該理論的實(shí)質(zhì)是大幅度提高錨桿的初始剛度和強(qiáng)度，控制圍巖位移，保持圍巖完整性，緩解圍巖強(qiáng)度的下降。為避免二次支護(hù)和巷道養(yǎng)護(hù)，采用高預(yù)緊支護(hù)技術(shù)，應(yīng)滿足以下條件：

1）螺栓系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的初始剛度和強(qiáng)度。預(yù)張應(yīng)力及其擴(kuò)展效應(yīng)將起關(guān)鍵作用。一方面，保持整體螺栓結(jié)構(gòu)的完整性；另一方面，在錨桿和錨索中維持較高的錨固力，并將壓應(yīng)力擴(kuò)散到巖石中。

2）支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的延伸率，允許圍巖在一定程度上變形，但在使用期間不能超過位移極限。

3）應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行地下支護(hù)，以適應(yīng)現(xiàn)場管理，有利于快速推進(jìn)。

4）支護(hù)系統(tǒng)可以降低支持的總成本，經(jīng)濟(jì)合理。

在現(xiàn)有錨桿支護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展高預(yù)緊強(qiáng)度支護(hù)系統(tǒng)是解決高應(yīng)力復(fù)雜巷道問題的可行選擇。

3 巷道支護(hù)

3.1 高預(yù)緊應(yīng)力所用材料

中國煤炭科學(xué)研究院煤炭開采設(shè)計(jì)分院開發(fā)了高預(yù)張強(qiáng)度支護(hù)系統(tǒng)，包括高強(qiáng)度錨桿、低粘度高強(qiáng)度樹脂膠囊、高強(qiáng)度疏水閥、高強(qiáng)度錨索。

3.1.1 高強(qiáng)度螺栓

1）肌腱形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循4個(gè)原則：①合理的肌腱與鉆孔間距，使肌腱入孔容易；②有利于高粘結(jié)能力和性能；③沿肌腱均勻施力；④后側(cè)容易施加高預(yù)緊應(yīng)力。目前,該肌腱為左旋螺紋，無軸脊隆起，可滿足上述4項(xiàng)要求，是當(dāng)前支撐系統(tǒng)的理想選擇。肌腱公稱直徑約22～25 mm，長2.0～3.0 m。

2）肌腱材料選擇，一般來說，國外公司使用的筋材屈服強(qiáng)度在400～600 MPa左右，甚至更多，斷裂力在200～300 k N左右。在美國，產(chǎn)品屈服強(qiáng)度約為414～689 MPa，斷裂強(qiáng)度約為621～862 MPa。在英國，產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度在640～720 MPa左右。本文選用了BH R B500,BH R B600 2種材料，見表1。

表1 肌腱材料性能

3.1.2 輔助部件

除了肌腱外，還開發(fā)了與肌腱配套的螺母和鋼板。減小摩擦力在板與螺母之間，最大限度地將自旋力矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力，從而達(dá)到防摩擦墊圈的作用。

高強(qiáng)度帶：帶是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化支護(hù)體系中的關(guān)鍵部件，對(duì)分散錨桿的預(yù)應(yīng)力和阻力，擴(kuò)大錨桿的作用跨度，提高支護(hù)總能力起著重要作用。W型帶材是經(jīng)過幾道軋制和冷彎工序而成。W型表帶保護(hù)更大的比表面積，具有更高的強(qiáng)度和剛度，作為螺栓組件表現(xiàn)出良好的性能。W帶的主要缺點(diǎn)是：當(dāng)W帶較薄且應(yīng)力較大時(shí)，鋼板可能穿孔，導(dǎo)致W帶內(nèi)部發(fā)生剪切破壞或破裂。為配合強(qiáng)強(qiáng)度螺栓的力學(xué)性能，選用高強(qiáng)度W帶：一種方法是增加帶的厚度，從2.5～3 mm增加到4～5 mm，并將破碎載荷增加到500 k N；二是在不改變表帶尺寸的情況下，選用強(qiáng)度較高的鋼材。

針對(duì)煤礦用高伸率、超高強(qiáng)度鋼絞線存在的問題，選用了高伸率、超高強(qiáng)度鋼絞線。這些線是由一種新型的1×19的形式。配合支撐強(qiáng)度和一系列不同直徑的線：?18、20、22 mm。機(jī)械性能見表2。

表2 鋼絞線機(jī)械性能

錨桿用板類型。平板是最常用的，另一種板是槽鋼（12、14號(hào)），但這2種板的機(jī)械性能較差。當(dāng)索的預(yù)拉力或荷載較高時(shí)，平板往往在其周長處翹曲，其承載能力急劇下降；槽鋼制成的板容易變形，在某些情況下穿孔導(dǎo)致電纜失效。為克服鋼板的上述缺陷，研制了三維尺寸為300 mm×300 mm×16 mm的帶中心調(diào)節(jié)墊圈的圓拱板。一方面，該新產(chǎn)品增加了負(fù)載能力，以匹配密集纜線；另一方面，該板允許調(diào)整其中心，提高機(jī)械性能，充分發(fā)揮纜索的能力。

3.2 支護(hù)方案

永久支護(hù)：過斷層期間及前后5 m范圍內(nèi)，巷道頂板采用“左旋螺紋鋼錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)＋梯子梁”進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為0.93 m×0.9 m，錨索間排距為1.86 m×0.9 m，錨桿、錨索全部布置在梯子梁眼內(nèi)，錨索占錨桿眼位布置（每排布置3根錨桿，3根錨索，錨索分別在梯子梁2、4、6號(hào)和1、3、5號(hào)眼位交錯(cuò)布置），呈“六·六”矩形布置。根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)增加錨索數(shù)量，保證頂板支護(hù)有效。錨桿、錨索全部垂直頂板打注，循環(huán)進(jìn)尺0.9 m。

兩幫采用“左旋螺紋錨桿+鐵絲網(wǎng)+梯子梁”進(jìn)行永久支護(hù)，按每排每幫3根布置，間排距1.1 m×0.9 m，每排錨桿最上一根距頂板0.4 m；循環(huán)進(jìn)尺為0.9 m（見圖2），圖3為高預(yù)緊支護(hù)狀態(tài)。

圖2 永久支護(hù)平、剖面圖

圖3 高預(yù)緊支護(hù)狀態(tài)

3.3 錨桿、錨索臨時(shí)支護(hù)

1）采用DW 31.5-30/100B型臨時(shí)支護(hù)用單體液壓支柱搭配木柱帽（500 mm×200 mm×200 mm）挑鋼筋網(wǎng)作為臨時(shí)支護(hù)。

2）臨時(shí)支護(hù)操作方法：掘進(jìn)夠一個(gè)循環(huán)（0.9 m）后,必須進(jìn)行詳細(xì)的“敲幫問頂”確認(rèn)無隱患后，作業(yè)人員站在永久支護(hù)下將鋼筋網(wǎng)聯(lián)起，2人配合在永久支護(hù)下用自制專用推網(wǎng)裝置將鋼筋網(wǎng)推起與頂板相貼合，然后將2根帶帽單體液壓支柱分別固定于距掌子面0.6 m處，單體間距為1.8 m。用注液槍給單體液壓支柱注液，使單體液壓支柱與鋼筋網(wǎng)和頂板緊貼。

最大、最小控頂距與控幫距：①頂錨桿、錨索距工作面的最大距離為1.1 m，最小距離為0.2 m；②幫錨桿距工作面的最大距離為1.1 m，最小距離為0.2 m，如圖4所示。

圖4 臨時(shí)支護(hù)示意圖

4 結(jié)論

與現(xiàn)有錨桿錨索支護(hù)方式相比，強(qiáng)化錨桿錨索的復(fù)合支護(hù)體系使得支付效果得到顯著提高。高強(qiáng)度錨桿、錨索、低粘度高強(qiáng)度樹脂膠囊、高強(qiáng)度帶、鋼網(wǎng)共同構(gòu)成了高預(yù)張強(qiáng)度支撐體系。高張拉強(qiáng)度支護(hù)系統(tǒng)有效控制了斷層帶巷道圍巖位移和頂板離層，以及受強(qiáng)采動(dòng)影響的巷道。位移可降低70%～90%，頂板離層僅為初始值的5%～10%（見圖5），即使沒有監(jiān)測到離層，支護(hù)狀態(tài)也發(fā)生了本質(zhì)的變化。

圖5 聯(lián)合支護(hù)后位移