高預應力錨網(wǎng)索梁支護方式在孤島工作面探索應用

郭小剛

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

巷道支護方案的安全高效性為礦井高質量發(fā)展提供重要技術保障，特別是在孤島工作面、“三下一上”采煤過程中巷道支護對支護要求極為苛刻。合理的支護方式能夠使巷道在服務期限內變形量維持在一定區(qū)間范圍之內，從而減少二次護巷返工帶來的物料浪費。

常村煤礦2202綜采工作面為孤島工作面布置，該工作面兩側均受到采動影響，巷道壓力比較大，煤體破碎，巷道頂板下沉嚴重，兩幫收斂明顯，錨桿錨索崩斷數(shù)量較多，原有支護方式不能有效滿足安全回采需求，不利于安全生產(chǎn)。結合該區(qū)域煤巖取樣力學性質及相鄰巷道日常礦壓監(jiān)測結果，綜合分析采用高強錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護的方式。通過實踐發(fā)現(xiàn)巷道的變形問題取得較大突破，頂?shù)装逦灰屏棵黠@減小。

1 工作面概況

2202綜放工作面南鄰2203綜放工作面采空區(qū)20 m，北鄰2201綜放工作面采空區(qū)20 m，東鄰S3-12工作面采空區(qū)45 m、西接22采區(qū)大巷，屬于孤島工作面。2202工作面有效推進長度1 043 m，工作面切眼長249 m。工作面范圍內主要發(fā)育有KX39陷落柱、aXn7陷落柱和KF42斷層，地質條件較為復雜。2202工作面平面示意見圖1。

圖1 2202工作面平面示意

2 工作面臨近巷道支護及圍巖變形破壞情況

2202綜放工作面北鄰2201綜放工作面，其中2201綜放工作面膠帶巷采用矩形斷面(凈寬5.1 m×凈高3.3 m)與2202綜放工作面膠帶巷斷面尺寸完全相同。但是2201膠帶巷采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)支護方式，巷道頂部錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm讓壓錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂角錨桿向兩幫傾斜25°，中部錨桿垂直巷道頂板，托板為150 mm×150 mm×10 mm型蝶形托板，采用2支MSCK2350樹脂錨固劑。巷道幫部錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm讓壓錨桿，間排距為1 300 mm×1 000 mm，幫角錨桿向頂?shù)装鍍A斜10°，中部錨桿垂直巷道兩幫，托板為150 mm×150 mm×10 mm型蝶形托板，采用2支MSZ2350中速樹脂錨固劑。巷道頂部錨索垂直頂板呈小三花布設，規(guī)格為D22 mm×6 300 mm，排距為900 mm，垂直巷道頂板，托板為300 mm×300 mm×16 mm可調心托板，藥卷采用3支MSZ2350型樹脂藥卷。錨桿的錨固力190 kN，扭緊力矩不小于300 N·m；錨索預應力不小于250 kN。支護斷面圖見圖2。

圖2 2201工作面膠帶巷巷道支護斷面圖(mm)

目前發(fā)現(xiàn)2201工作面膠帶巷圍巖變形有以下幾個特點：①巷道圍巖量很大，圍巖比較破碎。②巷道最初變形量最大。③巷道圍巖變形持續(xù)時間長。④巷道四周來壓導致圍巖發(fā)生變形。施工過程中出現(xiàn)頂?shù)装遄冃魏偷坠默F(xiàn)象。⑤工作面煤壁易受采動影響，出現(xiàn)垮落片幫現(xiàn)象。

3 2202膠帶巷支護設計優(yōu)化及效果分析

3.1 支護參數(shù)確定原則

1) 一次支護原則。工作面支護必須保證一次完工。減少返工多次維護。這樣一方面符合安全高效生產(chǎn)要求，另一方面巷道首次揭露一次支護效果最佳。一旦出現(xiàn)圍巖破壞采用多次維護不僅浪費物料還帶來很大的安全隱患。

2) 高預應力和預應力擴散原則。巷道被動支護和主動支護中預應力是主要因素，主動支護采用高預應力，進而發(fā)揮主動支護效果。首先通過專用工具施加錨(索)桿高預應力；其次通過方托板、W鋼護板等構件擴散預應力，增大作用范圍，提高支護的穩(wěn)定性。

3) “三高一低”原則。錨網(wǎng)支護中支護材料材質占主要因素，強力度、高強度、高可靠性與低支護密度相配合原則。在提高錨(索)桿強度、剛度，保證支護系統(tǒng)可靠性的前提下，降低支護密度，減少對圍巖的擾動，提高掘進效率。

3.2 支護設計方案

通過對2202工作面取樣，由山西省地質礦產(chǎn)研究院進行巖石力學實驗并出具編號為YS208079煤巖檢測報告，如表1所示。巖石的力學性質差別相對較小，同種巖性巖石的力學性質差別也較小，通過壓力試驗機實驗得到的結果可以為以下支護設計及優(yōu)化提供基礎巖石力學指導。

表1 YS208079煤巖檢測報告

通過臨近工作面巷道支護類比和日常礦壓觀測數(shù)據(jù)，配合現(xiàn)有施工工藝和工程實踐經(jīng)驗，確定在2202工作面膠帶巷采用全斷面高預應力錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護方式。2202膠帶巷采用矩形斷面，掘進寬度為5.3 m，凈寬為5.1 m，掘進高度為3.4 m，凈高為3.3 m，凈斷面積為16.83 m2。

該巷道頂幫具體支護如下：

1) 頂板支護。錨桿形式和規(guī)格：采用強力錨桿B500材質，桿體為22號左旋無縱筋螺紋錨桿，長度為2.4 m，錨尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固，兩支MSCK2350型超快速樹脂錨固劑；鉆孔直徑為30 mm，錨固長度1 700 mm左右。鋼帶：采用14號圓鋼制作，頂鋼筋梯梁D14 mm×4 900 mm。托盤：采用拱形高強度托盤，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用10號鍍鋅鐵絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)護頂，規(guī)格為5.3 m×1.0 m；網(wǎng)與網(wǎng)壓茬寬度100 mm，每隔100 mm用雙股16號鍍鋅鐵絲將相鄰網(wǎng)片聯(lián)接牢固，孔孔相連。錨桿布置：錨桿排距1 000 mm，每排6根錨桿，間距900 mm。錨索：采用高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，單根鋼絞線D22 mm，長度8.3 m，加長錨固，采用3支Z2350，錨固長度約1.9 m。錨索托盤：300 mm×300 mm×16 mm；錨索采用小五花式布置。頂板較為破碎區(qū)域：采用錨索加槽鋼支護，錨索槽鋼采用18號×4 200 mm和18號×2 400 mm的槽鋼及配套鎖具，間排距1 800 mm×900 mm，小五花式布置。

2) 巷幫支護。錨桿形式和規(guī)格：左右兩幫采用強力錨桿B500材質，桿體為22號左旋無縱筋螺紋錨桿，長度為2.4 m，錨尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固，采用2支樹脂錨固劑，Z2350中速樹脂錨固置于鉆孔底部，實際錨固長度約1 700 mm。鋼帶：采用14號圓鋼制作，幫鋼筋梯梁D14 mm×3 000 mm。托盤：采用拱形高強度托盤，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用10號鍍鋅鐵絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)護幫，規(guī)格為3.4 m×1.1 m；網(wǎng)與網(wǎng)壓茬寬度100 mm，每隔100 mm用雙股16號鍍鋅鐵絲將相鄰網(wǎng)片聯(lián)接牢固，孔孔相連。錨桿布置：排距1 000 mm，每排4根錨桿，間距900 mm。螺紋鋼錨桿擰緊扭矩≥100 N·m，錨桿錨固力≥190 kN。在實際施工中，應加強礦壓監(jiān)測，據(jù)實際礦壓情況，合理調整巷幫支護參數(shù)，增設護幫錨索。

加強對巷道頂、幫的監(jiān)測監(jiān)控工作，如遇頂板(煤)破碎、離層，煤壁片幫，錨桿托板、錨索托梁受力變形等有壓力顯現(xiàn)情況時，及時采用補打錨桿、錨索或架設工字鋼、U29型鋼棚的方式加強巷道支護強度，確保頂板支護有效、安全。具體支護斷面圖如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 膠帶巷錨網(wǎng)索梁支護斷面圖(mm)

圖4 巷幫支護斷面圖(mm)

圖5 巷頂支護斷面圖(mm)

3.3 礦壓監(jiān)測結果及分析

通過在膠帶巷中設置1個綜合觀測測站，綜合測站距離巷道開口位置500 m處，在施工過程中，及時對巷道表面位移和綜合測站錨索錨桿測力計進行觀測，收集礦壓數(shù)據(jù)匯總分析，結果如下：

1) 巷道表面位移觀測。巷道施工過程中，巷道兩幫移近量為221 mm，其中左幫移近量為106 mm，右?guī)鸵平?20 mm，巷道頂?shù)装逡平?0 mm。巷道收斂較臨近巷道穩(wěn)定。

2) 頂板離層監(jiān)測。為了觀測2202膠帶巷支護效果，每隔30 m安設1個離層儀監(jiān)測頂板離層情況。從離層儀監(jiān)測結果來看，絕大多數(shù)離層儀顯示離層值為0，只有極個別高頂區(qū)域離層儀顯示離層值為3～4 mm。離層儀監(jiān)測結果表明，全斷面強力錨網(wǎng)索梁支護方式有效地控制了頂板的穩(wěn)定。

3) 錨索受力監(jiān)測。在2202膠帶巷開口500 m處安設1排錨索測力計。從錨索預緊力施加時，錨索的預緊力基本上達到了200 kN。錨索受力隨巷道掘進過程中影響不大，錨索受力基本穩(wěn)定。證明錨索初期就很好地控制了巷道變形。

4 結 語

通過常村煤礦孤島工作面井下試驗，驗證了采用高應力錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護方式的科學性、合理性。通過后期礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出，高預應力錨網(wǎng)索梁支護方式使用，增強了圍巖的穩(wěn)定性，能夠滿足安全回采需求，為今后其他礦井在遇到相似巷道掘進中提供了寶貴經(jīng)驗。