慈林山礦復(fù)合軟弱頂板下錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

王 磊

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán) 慈林山煤業(yè)有限公司慈林山煤礦，山西 長(zhǎng)子 046605)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)一直是以煤炭作為主要消費(fèi)能源的國(guó)家，也是世界上產(chǎn)煤量第一的國(guó)家。雖然能源結(jié)構(gòu)逐漸向綠色轉(zhuǎn)變，但國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開(kāi)能源的支撐，再加上我國(guó)的能源賦存結(jié)構(gòu)特征決定了短期內(nèi)我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變[1-2]。我國(guó)煤炭以井下開(kāi)采為主，需要掘進(jìn)大量的地下巷道，因此服務(wù)期內(nèi)巷道的穩(wěn)定控制直接影響到煤礦的正常生產(chǎn)，巷道支護(hù)經(jīng)過(guò)木支護(hù)、砌碹支護(hù)、架棚支護(hù)、錨桿支護(hù)等階段[3-4]。錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)是采用主動(dòng)預(yù)緊的方式，通過(guò)對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)約束，形成主動(dòng)錨固結(jié)構(gòu)，改善圍巖力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)圍巖協(xié)同控制，大量工程實(shí)踐證明了錨網(wǎng)索支護(hù)具有支護(hù)效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前已將廣泛應(yīng)用于我國(guó)大中小礦井，有些礦井煤巷錨網(wǎng)索支護(hù)已達(dá)到100%[5-7].

1 工程概況

慈林山礦9109運(yùn)輸巷沿煤層布置，服務(wù)于9109工作面。工作面開(kāi)采9號(hào)煤層，工作面北部與9107采空區(qū)相鄰，南為實(shí)體煤，東部為礦井邊界，西部與9號(hào)煤水平大巷相連。9109運(yùn)輸巷采掘平面示意如圖1所示。工作面開(kāi)采范圍煤層呈單斜構(gòu)造，煤層平均傾角4°，煤層平均厚度1.6 m，呈黑色、鏡煤條帶狀。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作面頂板巖性主要為粉砂巖、泥巖、中粒砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r，底板巖性主要為粗粒砂巖、粉砂巖、石灰?guī)r。9109運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1所示。慈林山礦9109運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)矩形斷面，巷道掘?qū)? 300 mm，掘高2 400 mm.根據(jù)頂?shù)装鍘r性特征可知9109運(yùn)輸巷頂板為復(fù)合軟弱巖層，支護(hù)難度較大。

圖1 9109運(yùn)輸巷采掘平面示意

表1 9109運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r性特征

2 復(fù)合軟弱頂板下錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)

2.1 復(fù)合軟弱頂板下巷道圍巖控制思路和原則

慈林山礦9109運(yùn)輸巷頂板為泥巖、中粒砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r復(fù)合結(jié)構(gòu)，頂板巖層互層現(xiàn)象明顯，巖性松軟，自身承載能力較低，在采掘擾動(dòng)下，易出現(xiàn)局部冒頂現(xiàn)象。這里特提出復(fù)合軟弱頂板下巷道圍巖控制思路和原則。

1) 淺部軟弱頂板巖層主動(dòng)強(qiáng)化。9109運(yùn)輸巷頂板2.1 m范圍內(nèi)為泥巖、中粒砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)錨桿施加一定的預(yù)緊力，對(duì)復(fù)合軟弱頂板巖層進(jìn)行主動(dòng)約束，促使復(fù)合軟弱頂板巖層形成主動(dòng)錨固結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)改善圍巖力學(xué)性能、增強(qiáng)復(fù)合軟弱頂板巖層承載能力的目的。

2) 利用深部堅(jiān)硬巖層承載能力。9109運(yùn)輸巷復(fù)合頂板上部存在5.5 m的堅(jiān)硬厚層狀粉砂巖。采用長(zhǎng)錨索將復(fù)合軟弱頂板巖層形成主動(dòng)錨固結(jié)構(gòu)主動(dòng)懸吊至厚層狀粉砂巖巖層，充分利用深部堅(jiān)硬巖層承載能力。

3) 支護(hù)參數(shù)及組件相互匹配。根據(jù)巷道圍巖條件選用合理的支護(hù)參數(shù)，同時(shí)配套相互匹配的錨固劑、金屬網(wǎng)、鋼筋托梁等組件，形成完整的巷道支護(hù)體系。

2.2 復(fù)合軟弱頂板下巷道錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)

9109運(yùn)輸巷頂板為賦存2.1 m厚的復(fù)合軟弱巖層，復(fù)合頂板上部存在5.5 m的堅(jiān)硬厚層狀粉砂巖，承載性能良好，設(shè)計(jì)提出復(fù)合軟弱頂板下巷道錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)，具體如下：

1) 巷道頂板采用錨桿+錨索+鋼筋托梁+金屬網(wǎng)支護(hù)。錨桿采用鋼號(hào)335號(hào)、直徑20 mm、長(zhǎng)度2.2 m的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋制作而成。錨桿間排距1.0 m×1.2 m，每排5根，每根錨桿配套1支MSCKB2335(里)、1支MSZ2360(外)樹(shù)脂錨固劑，配套規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm、強(qiáng)度235 MPa的高強(qiáng)度托板，錨桿鋼筋托梁連接，鋼筋托梁采用直徑14 mm、強(qiáng)度235 MPa的圓鋼焊接制作，錨桿預(yù)緊力矩300 N·m，錨索采用直徑18.9 mm、長(zhǎng)度6.3 m的1×7股鋼絞線制作，錨索居中布置，排距3.6 m，每根錨索配套1支MSCK2335(里)、2支MSZ2360(外)樹(shù)脂錨固劑，配套規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm、強(qiáng)度235 MPa的可調(diào)心托板，錨索張拉預(yù)緊力不低于45 MPa，金屬網(wǎng)采用10號(hào)鐵絲編織、網(wǎng)格規(guī)格50 mm×50 mm的經(jīng)緯網(wǎng)，金屬網(wǎng)長(zhǎng)4.5 m，寬1.2 m.

2) 實(shí)煤體幫采用錨桿+鋼筋托梁+金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格與頂板支護(hù)一致，錨桿間排距1.1 m×1.2 m，每排3根，采用鋼筋托梁連接，錨桿預(yù)緊力矩240 N·m，金屬網(wǎng)采用10號(hào)鐵絲編織、網(wǎng)格規(guī)格50 mm×50 mm的經(jīng)緯網(wǎng)，金屬網(wǎng)長(zhǎng)2.3 m，寬1.2 m.

3) 工作面幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，錨桿采用直徑20 mm、長(zhǎng)度2.2 m的玻璃鋼制作，間排距1.1 m×1.2 m，每排3根，每根錨桿配套1支MSZ2360樹(shù)脂錨固劑，預(yù)緊力矩100 N·m.

3 巷道圍巖控制效果

將提出的復(fù)合軟弱頂板下巷道錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于慈林山礦9109運(yùn)輸巷掘進(jìn)支護(hù)中，同時(shí)，采用十字監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)了9109運(yùn)輸巷圍巖變形情況，每掘進(jìn)50 m設(shè)1個(gè)測(cè)站，分別在巷道頂、底板和兩幫的中部各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用細(xì)線和卷尺進(jìn)行測(cè)量巷道表面圍巖的相對(duì)距離，據(jù)此反算出巷道相對(duì)移近量，巷道支護(hù)斷面圖如圖2所示，變形曲線如圖3所示。由圖可知，9109運(yùn)輸巷掘巷后圍巖變形可分為快速失穩(wěn)階段、失穩(wěn)調(diào)整階段和穩(wěn)定階段。

圖2 9109運(yùn)輸巷支護(hù)斷面圖(mm)

圖3 9109運(yùn)輸巷圍巖變形曲線

快速失穩(wěn)階段是9109運(yùn)輸巷掘進(jìn)初期(45 d內(nèi))，圍巖出現(xiàn)快速失穩(wěn)；圍巖變形速度集中在1.5～2.5 mm/d，失穩(wěn)調(diào)整階段在9109運(yùn)輸巷掘進(jìn)45～90 d內(nèi)；失穩(wěn)現(xiàn)象得到調(diào)整，圍巖變形減緩，圍巖變形速度集中在0.5～1.5 mm/d；穩(wěn)定階段發(fā)生在巷道掘進(jìn)90 d后，圍巖結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，圍巖變形速度趨于0 mm/d.9109運(yùn)輸巷掘進(jìn)穩(wěn)定后，巷道頂板、工作面幫、實(shí)煤體幫變形分別為178 mm、158 mm、117 mm.由于工作面幫采用玻璃鋼支護(hù)，支護(hù)輕度較弱，變形相對(duì)較大，巷道整體變形均在可控范圍內(nèi)。綜上所述，復(fù)合軟弱頂板下巷道錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了慈林山礦9109運(yùn)輸巷的穩(wěn)定控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 以慈林山礦9109運(yùn)輸巷為工程背景，提出了淺部軟弱頂板巖層主動(dòng)強(qiáng)化、利用深部堅(jiān)硬巖層承載能力、支護(hù)參數(shù)及組件相互匹配的復(fù)合軟弱頂板下巷道圍巖控制思路和原則，基于此，開(kāi)發(fā)了復(fù)合軟弱頂板下巷道錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)。

2) 復(fù)合軟弱頂板下巷道錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)技術(shù)在9109運(yùn)輸巷進(jìn)行了應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)90 d圍巖穩(wěn)定，巷道頂板、工作面幫、實(shí)煤體幫變形分別為178 mm、158 mm、117 mm，實(shí)現(xiàn)了慈林山礦9109運(yùn)輸巷的穩(wěn)定控制。