同忻礦5311回風平巷沿空掘巷讓壓支護技術研究及應用

黃端云，徐青云，張永春

(1.山西大同大學 煤炭工程學院,山西 大同 037003；2.晉能控股集團有限公司 同忻煤礦，山西 大同 037003)

在較復雜地質條件和強采動影響下，沿空掘巷常規(guī)支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以保證[1]，使礦井的生產(chǎn)效率及其安全受到了極大的影響，礦井的采掘平衡難以保證。為此，調(diào)整和優(yōu)化沿空掘巷的支護參數(shù)，提高其支護性能迫在眉睫。

為解決此類問題，我國的一些學者和專家以及從事礦山技術的工作人員進行了大量的實驗研究，從實驗研究的基礎上總結出許多可行性并且值得借鑒的成果。其中，黃萬明等[2]提出“鋼管混凝土支柱+柔性墊層”沿空留巷巷旁支護，對比其他以往的支護方式顯現(xiàn)出了若干優(yōu)點，例如：性價比高，工藝流程簡單，在沿空留巷工程中得到了很好的應用?？导t普等[3-5]提出高預應力強力錨桿支護技術，為了保證圍巖的穩(wěn)定性，使錨桿和圍巖在共同作用下形成高強承載體，所以要對圍巖施加較高的壓力，使圍巖的離層、滑動及裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展得到控制，使圍巖變形后的強度及彈性模量等力學參數(shù)提高，若想滿足上述要求則可通過高預應力錨桿來實現(xiàn)。何滿潮[6]指出，如果所確定煤巷屬于軟巖時，那么選擇最佳時段進行錨桿支護，不僅能充分釋放出圍巖的變形能而且還能發(fā)揮圍巖的自承載能力，從而以最小的錨桿支護力達到最好的支護效果。柏建彪等[7]提出了深部巷道圍巖控制的基本技術和控制過程，其目的是為了加強錨固區(qū)圍巖的強度，增強圍巖穩(wěn)定性而采用高預緊力、大延伸量的高強度錨桿、錨索支護系統(tǒng)。

文章基于上述研究成果，結合同忻礦三盤區(qū)5311回風巷(沿空掘巷)實際工程地質條件，分析了現(xiàn)存支護方式所存在的問題，并進行了對巷道支護方案的優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 工作面地質條件

8311工作面位于井田西部、三盤區(qū)的西南部，東部為三盤區(qū)三條盤區(qū)大巷，北部為實煤區(qū)，南部為三盤區(qū)8309工作面采空區(qū)，西部為同忻礦與馬脊梁礦井田邊界。主采3～5號煤層，煤層厚度9.16～17.98 m，其厚度的平均值為14.91 m；煤層傾角0～4°。平均傾角2°；煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。平面布置如圖1所示。5311回風巷巷道的斷面形式為矩形，其尺寸大小為掘寬×掘高=5.2 m×3.95 m，凈寬×凈高=5 m×3.7 m，巷道沿煤層底板掘進。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 5311巷平面布置圖

1.2 巷道原支護方案

5311回風巷原支護方式為“錨索+錨桿+W鋼帶+JW鋼帶+金屬網(wǎng)+噴砼”聯(lián)合支護，W鋼護板BHW280 mm×300 mm×4.75 mm與幫錨桿相互配合使用，鋼托板托盤為150 mm×150 mm×12 mm拱形可調(diào)心。幫部錨索煤柱側第一排、第二排采用直徑為21.8 mm×4 300 mm，間排距為900 mm×900 mm。采煤側第一排、第二排采用直徑為21.8 mm×6 300 mm的預應力鋼絞線與300 mm×300 mm×16 mm高強球形托盤相互配合使用，其間排距為900 mm×900 mm，見圖2。5311回風巷原支護方式下支護密度大，剛度大，巷道圍巖控制未達到預期效果，嚴重影響了巷道的正常作業(yè)。分析原因主要有：幫部錨桿和錨索參數(shù)選取不當，難以滿足預警力要求。因此，想使巷道正常作業(yè)則必須改善原有支護參數(shù)，使巷道圍巖支護的穩(wěn)定性得以提升。

1.3 存在的問題

1) 錨索支護設計不夠科學。錨固支護設計通常使用工程類比法，支架形狀和參數(shù)不合理，過度的支護保護會導致過度的支護強度，從而導致材料浪費。

2) 錨索支護數(shù)量較為密集。由于錨索延伸率低，臨近采空區(qū)頂板破斷動載，導致錨索拉斷，幫部錨索直徑較大，施工過程較為困難。

3) 幫部錨索數(shù)量較多，支護強度過剩，導致錨索支護材料的成本提高。

圖2 巷道原始支護斷面圖(mm)

2 新型支護體讓壓特性研究

2.1 讓壓管承載特性試驗研究

圖3，圖4純塑性變形。在彈性方面，單泡讓壓管沒有明顯變化，伴隨著壓力增加到壓力點，裝置會發(fā)生膨脹和壓縮變形，其特征明顯可見，載荷的下降趨勢也明顯可見，直至失效。 可以看出，在壓縮階段，變形為塑性變形，變形速度快。

圖3 單泡讓壓管作用變形前后

圖4 雙泡讓壓管作用變形前后

通過對比讓壓管變形前后的比較以及圖5、圖6荷載和讓壓位移的分析，得出錨桿、錨索讓壓管結論。

圖5 單泡讓壓管荷載位移曲線圖

圖6 雙泡讓壓管荷載位移曲線圖

根據(jù)讓壓管載荷-位移曲線圖可知：單泡讓壓管讓壓點Rb=210.50 kN，最大讓壓行程Dmax=23.6 mm;雙泡讓壓管讓壓點Rb=455.89 kN,最大讓壓行程Dmax=19.5 mm。可以看出，讓壓管壓縮實驗分為三個階段：在第一階段，讓壓管處于線彈性階段，讓壓管所加載荷與其變形成正比關系。即使所加載荷量上升速度很快，但處在線彈性階段的讓壓管的變形量卻很小。在此階段中，盡管讓壓管吸收了圍巖變形的能量，但是讓壓管所發(fā)生的變形不會太大。在第二階段，讓壓管將脫離原先的彈性狀態(tài)進而演變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，這時壓力管將吸收大部分能量，從而使得塑性變形迅速增大，由于硬化作用，使讓壓管產(chǎn)生不可逆的塑性變形。支護系統(tǒng)在這一塑性階段，由于壓力管吸收了大部分圍巖變形性能才得以迅速達到屈服極限。在第三階段，讓壓管所能吸收的能量極限逐漸小于所施加的應力，隨著時間的推移，讓壓管的變形逐漸增大，壓力作用逐漸喪失。

2.2 讓壓管作用原理

當圍巖發(fā)生松軟破碎時，巷道圍巖的變形也會發(fā)生改變，為防止錨桿和錨索在加強支護時因延伸超過極限而斷裂，所以將讓壓管裝在錨桿或錨索托盤處與高強螺母之間。圖7為讓壓裝置安裝示意。

圖7 讓壓裝置安裝示意

讓壓裝置安裝在托盤與螺帽之間。為了實現(xiàn)錨桿(索)耦合支護，有效控制圍巖的變形破壞，通過尾部讓壓支護裝置的讓壓能力，使錨桿(索)適應圍巖大變形特性環(huán)境，在其特性下不受破壞，并具有穩(wěn)定的高強度支護阻力，充分發(fā)揮錨桿(索)的高強度讓壓特性。當巷道圍巖處于高應力環(huán)境下，變形的讓壓管得到緩沖吸能，在釋放大部分能量的同時，應力對錨桿(索)的影響也大大減少，而且錨桿(索)的延伸率也得以增加。

3 巷道優(yōu)化支護方案

通過對兩幫支護參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，以此來解決巷道圍巖變形控制效果不理想的問題，優(yōu)化后的方案如圖8所示。

圖8 巷道優(yōu)化支護斷面圖(mm)

1) 錨桿采用單泡讓壓管，錨索采用雙泡讓壓管，增加錨索的延伸率，抵抗采空區(qū)堅硬頂板破斷產(chǎn)生的動載沖擊。頂錨桿直徑22 mm，讓壓管承壓17～20 t，高度40 mm左右；幫錨桿直徑20 mm，讓壓管承壓12～15 t，高度40 mm左右；錨索直徑21.8 mm，讓壓管承壓32～35 t，高度90 mm左右。

2) 頂板支護形式未發(fā)生改變，兩幫的支護進行了優(yōu)化，兩幫以高強度錨桿支護為主，錨索打在兩排錨桿中間，將幫部D21.8 mm的錨索改成D17.8 mm的錨索，長度不變。順巷試驗50 m。圖9為幫部優(yōu)化后錨桿，圖10為幫部優(yōu)化后錨索。

圖9 幫部優(yōu)化后錨桿

圖10 幫部優(yōu)化后錨索

3) 提供的解決方案可幫助幫錨索預緊力達不到所需的壓力，在打完錨索孔后，通過風或水清潔孔，增加現(xiàn)場吹孔時間，增加錨固劑和孔壁的接觸面積，減少孔內(nèi)殘留物在洞中，增加錨固力。

4 支護效果評價

1) 通過巷道表面位移觀測，讓壓支護效果非常明顯，頂板采用讓壓支護后與之前巷道頂板變形量相比，減少30%，幫部采用讓壓技術后于之前巷道兩幫變形量相比，減少25%.

2) 采用讓壓支護的方法提高了生產(chǎn)效率，錨桿和錨索破斷的現(xiàn)象也基本得以消除。

3) 通過現(xiàn)場試驗采用讓壓管支護，增加了錨索的延伸率，同時也抵抗了采空區(qū)堅硬頂板破斷產(chǎn)生的動載沖擊。

5 結 語

研究基于對沿空巷道原支護系統(tǒng)下兩幫變形破壞嚴重及錨桿、錨索拉斷等問題的分析，通過讓壓結構原理分析和實驗對巷道兩幫支護參數(shù)進行了優(yōu)化。研究表明表明：

1) 基于8311工作面地質和開采條件，分析得出原支護方案存在的主要問題為5311巷道原支護形式和參數(shù)不合理，支護效果差，支護成本高。

2) 為解決錨桿錨索支護延伸量超出極限導致的破斷問題，對支護結構進行了讓壓設計。實驗表明，讓壓支護結構可以提高圍巖的吸能效果，保證支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3) 通過調(diào)整優(yōu)化巷道兩幫支護參數(shù)，在降低支護成本的基礎上，有效控制了巷道圍巖。