煤礦巷道沿空留巷頂板錨桿支護(hù)技術(shù)的研究

王亞能

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤大同公司青磁窯煤礦，山西 大同 037000）

引言

隨著科技的飛速發(fā)展，對(duì)煤炭資源開(kāi)采的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，其中，沿空留巷技術(shù)是應(yīng)用極為廣泛的新型煤礦開(kāi)采技術(shù)。為保障沿空留巷技術(shù)[1]的安全實(shí)施，做好支護(hù)是其中的關(guān)鍵一環(huán)。由于沿空留巷中圍巖變化量較大，所以采用普通的金屬支架[2]難以完成支護(hù)任務(wù)，不僅達(dá)不到期望的支護(hù)效果，而且支架損壞也十分嚴(yán)重，從經(jīng)濟(jì)以及效益方面來(lái)講都不是很合適。因此，目前多采用更為穩(wěn)固的錨桿支護(hù)方案[3-4]，以提高巷道的支護(hù)效果和整個(gè)煤礦開(kāi)采的質(zhì)量和效率。

1 工程概況

該項(xiàng)工程研究試點(diǎn)為山西某礦坑的運(yùn)輸巷道。該工程所在的回采工作面深度在685～790 m，煤層厚度0.7～1.9 m，煤層傾角平均29°，整個(gè)回采工作面長(zhǎng)度362 m，斜坡的長(zhǎng)度118 m。巷道頂部為粉砂巖，厚度2.3 m，巷道底部厚度為1.2 m，下面還有0.7 m 厚的煤層和4.9 m 厚的細(xì)砂巖。由于開(kāi)采巷道中出現(xiàn)了頂板下沉等不利因素，對(duì)開(kāi)采人員的安全產(chǎn)生巨大的威脅，所以，必須對(duì)其進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)。

2 沿空留巷

2.1 沿空留巷存在問(wèn)題

1）沿空留巷，就是在完成采煤任務(wù)后，在已經(jīng)完成的回采工作面邊緣進(jìn)行維護(hù)，收回在巷道中留下來(lái)的煤柱。之前為研究沿空留巷而創(chuàng)立的各種方式，都只是簡(jiǎn)單探索了巷道支護(hù)體系與圍巖作用的關(guān)系，單純地將這種關(guān)系體現(xiàn)在了巷道旁邊的支護(hù)架構(gòu)對(duì)頂板的支護(hù)作用，卻忽略了巷道內(nèi)部對(duì)頂板的支護(hù)作用以及巷道中煤體對(duì)巷道的維護(hù)作用。

2）由于工作面采高逐漸加大，上表面巖層覆蓋活動(dòng)劇烈程度和涉及的范圍也不斷增加，而且回采工作面巷道斷面比較大，礦壓表現(xiàn)[5]也很劇烈。當(dāng)前所采用的金屬支架防護(hù)和木棚支架防護(hù)采用加固鋼架硬度以及縮短木棚之間距離的方式仍然不能保持巷道的穩(wěn)定性。因此，需要采取一種能夠可以提供支護(hù)阻力的錨桿支護(hù)方式。

3）隨著采高的不斷增加，支護(hù)的阻力也隨之大大增加，但都屬于被動(dòng)支護(hù)[6]，只有在頂板發(fā)生掉落時(shí)才會(huì)發(fā)揮支護(hù)作用[7]，不會(huì)在毫無(wú)問(wèn)題的情況下主動(dòng)提供支護(hù)，沒(méi)有達(dá)到保障安全的目的。

2.2 沿空留巷中頂板下降位移量規(guī)律

巷道中回采工作面中引發(fā)的運(yùn)動(dòng)是巷道上覆巖層運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是從下至上發(fā)展的，上部的運(yùn)動(dòng)慢于下部，因此，沿空留巷中的頂板會(huì)在之后很長(zhǎng)的一段時(shí)間里受到這種運(yùn)動(dòng)的影響。開(kāi)采前10 m 這種運(yùn)動(dòng)就開(kāi)始出現(xiàn)，頂板出現(xiàn)下降現(xiàn)象，在下沉量小不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，在之后推進(jìn)的60 m 中上覆巖層運(yùn)動(dòng)劇烈，頂板開(kāi)始快速下沉，60 m 之后巖層趨于穩(wěn)定，頂板下沉速度也開(kāi)始變緩最后趨于穩(wěn)定。這時(shí)頂板明顯朝著采空區(qū)的方向傾斜，傾斜的角度在3°～5°，頂板的下沉量也在開(kāi)采高度的11%～21%，嚴(yán)重威脅開(kāi)采安全，因此，需要合適的頂板支護(hù)方案來(lái)抑制這一現(xiàn)象。

3 錨桿支護(hù)及錨桿參數(shù)

支護(hù)方案采用錨桿和錨索等部件傳遞圍巖的應(yīng)力到圍巖的深部區(qū)域[8]，從而提高圍巖整體的強(qiáng)度，使巷道成為一個(gè)完整而又穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)整體，最后達(dá)到主動(dòng)支護(hù)的效果。巷道的巖體部分多以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，混含有少量的泥層，因此支護(hù)時(shí)多采用層狀的頂板進(jìn)行支護(hù)。巷道斷面為矩形結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 沿空留巷示意圖

錨桿和錨索具有的預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道的支護(hù)效果有巨大的影響[9]。錨桿的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩如下頁(yè)圖2所示，根據(jù)圖2 可知，如果錨桿垂直方向安裝，錨桿的預(yù)緊扭矩在185 N·m，相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力在27 kN，對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力水平較低。因此，錨桿和錨索的安裝角度對(duì)預(yù)應(yīng)力的大小有著很大的影響作用。通過(guò)圖2 可以看出，兩種不同安裝角度設(shè)置下的錨桿的預(yù)應(yīng)力也有不同的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩大小，盡管都是呈上升趨勢(shì)，在預(yù)應(yīng)扭矩為250 N·m 的前提下，角度為0°的錨桿預(yù)應(yīng)力為40 kN，角度為10°的錨桿預(yù)應(yīng)力為30 kN，而且在預(yù)應(yīng)扭矩增大的情況下，錨桿預(yù)應(yīng)力的損失也會(huì)不斷增大，并且兩種不同安裝設(shè)置角度下的錨索的預(yù)緊力也在跟著拉力增加而增大，所以錨桿和錨索應(yīng)垂直安裝，這是一種最佳的受力方式。如果錨桿和錨索安裝時(shí)偏移的角度過(guò)大，會(huì)造成錨桿和錨索的預(yù)應(yīng)力較低，容易造成錨桿錨索的非正常斷裂而失效。

圖2 錨桿預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩關(guān)系圖

具體錨桿參數(shù)如下，頂板支護(hù)時(shí)采用直徑20 mm、長(zhǎng)度2 200 mm 的一種左旋螺紋鋼錨桿，每排放5根錨桿，間排距設(shè)置為900 mm、900 mm，錨桿選用具有樹(shù)脂藥卷的MSK2350 型，錨桿的托板采用Q235 型的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的鋼板，具體規(guī)格為90 mm×90 mm×7 mm。錨桿的錨固力需在45 kN 以上，預(yù)緊力需在25 kN 以上。巷幫支護(hù)的錨桿參數(shù)選擇直徑為16 mm、長(zhǎng)度為2 000 mm，回采側(cè)不支護(hù)，非回采側(cè)的副幫采用3 根錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距為900 mm、1 000 mm，錨固的長(zhǎng)度為500 mm，錨固參數(shù)同樣為錨固力在45 kN以上，預(yù)緊力在25 kN 以上。

錨索的參數(shù)如下：頂板使用直徑為14.22 mm、長(zhǎng)度為5 500 mm 的錨索，支護(hù)時(shí)采用型號(hào)為K2350 型的樹(shù)脂錨固劑，間距為1.8 m，錨索的預(yù)緊力在95 kN以上。錨索的頂板同樣采用Q235 鋼，規(guī)格為11 mm×250 mm×250 mm。頂板還需采用直徑為6 mm 的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔設(shè)置為100 mm×90 mm，網(wǎng)片的長(zhǎng)×寬=1 000 mm×4 500 mm。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

將具體方案進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用后，只有少部分地區(qū)的頂板發(fā)生輕微破裂現(xiàn)象，沿空留巷巷道階段沒(méi)有明顯的變形。開(kāi)采期間巷道的頂板、兩幫和底板的表面位移與距離回采面的距離關(guān)系如圖4 所示，根據(jù)圖4 可以看出，頂板位移量為130 mm，底板位移量為161 mm，兩幫的位移量為158 mm。根據(jù)這次實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可以看出，采用的錨桿支護(hù)方案有效抑制了沿空留巷中的圍巖變形和頂板變形問(wèn)題，提升了煤礦開(kāi)采的安全系數(shù)，提高了開(kāi)采效率。

圖4 巷道表面位移與距回采面距離關(guān)系

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)沿空留巷存在問(wèn)題的研究，錨桿預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩相互關(guān)系的分析，以及對(duì)支護(hù)后巷道頂板、底板和兩幫位移量的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）錨桿和錨索的安裝角度對(duì)預(yù)應(yīng)力的大小有著很大的影響作用，在預(yù)應(yīng)扭矩增大的情況下，錨桿預(yù)應(yīng)力的損失也會(huì)不斷增大，錨桿垂直安裝的情況下效果最好。

2）巷道內(nèi)采用錨桿支護(hù)的沿空留巷技術(shù)，有效抑制了沿空留巷中的圍巖變形和頂板變形問(wèn)題，頂板位移量減小為130 mm，底板位移量減小為161 mm，兩幫的位移量減小為158 mm。顯著改善了沿空留巷的維護(hù)問(wèn)題，而且錨桿支護(hù)提高了支護(hù)能力，減小了頂板下降位移量，有利于巷道支護(hù)體系維護(hù)。