孤島工作面沿空巷道錨固失效分析與支護(hù)對(duì)策

馬 強(qiáng)，王 濤，李 明

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000； 2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013)

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增大，尤其是東部礦區(qū)，煤炭開(kāi)采已逐步走向礦井深部。不少礦井由于初始開(kāi)采設(shè)計(jì)與工作面布置時(shí)，為了避免采掘接替緊張，同時(shí)預(yù)防煤的自燃與瓦斯突出等災(zāi)害，都采用了跳采的方式，這樣就在采區(qū)留下了不少兩側(cè)甚至三側(cè)采空的孤島工作面。作為高應(yīng)力地質(zhì)背景的集中代表，孤島工作面在進(jìn)行回采時(shí)會(huì)受到相鄰采空區(qū)應(yīng)力疊加的影響，覆巖應(yīng)力分布復(fù)雜、頂板變形量大，極易誘發(fā)沖擊礦壓、煤塵爆炸等災(zāi)害。而巷道兩側(cè)均為采空區(qū)，圍巖性質(zhì)軟弱，若遇到松軟煤層，極易發(fā)生支護(hù)失效問(wèn)題，嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)孤島工作面的復(fù)雜條件進(jìn)行了大量研究，內(nèi)容涉及覆巖結(jié)構(gòu)、開(kāi)采應(yīng)力演化、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及支護(hù)技術(shù)研究等方面。文獻(xiàn)[1-6]利用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)揭示了不同類型孤島工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，文獻(xiàn)[7-11]利用綜合指數(shù)法對(duì)孤島工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，并提出了綜合防治技術(shù)。在巷道支護(hù)方面，郭相平等[12]在孤島工作面沿空掘巷的高應(yīng)力區(qū)域采用了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)，有效地控制巷道圍巖的大變形，陳可夯等[13]針對(duì)特厚煤層孤島工作面全煤巷道，改進(jìn)了錨索支護(hù)技術(shù)取得了很好的效果，劉春剛[14]分析了孤島工作面動(dòng)壓巷道的應(yīng)力規(guī)律，通過(guò)加強(qiáng)巷道兩幫的支護(hù)、同時(shí)降低起錨高度，有效減少由于應(yīng)力而引起的巷道底鼓問(wèn)題，此外，文獻(xiàn)[15-18]等也都針對(duì)孤島工作面回采巷道的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，有效改善了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐，孤島工作面回采期間巷道維護(hù)技術(shù)的改進(jìn)和實(shí)踐技術(shù)基本成熟，能滿足此類條件下工作面安全、快速回采。山西晉城某礦3210工作面為典型的孤島工作面，開(kāi)采過(guò)程中回采巷道動(dòng)壓明顯，多種因素影響下導(dǎo)致大量錨桿錨索發(fā)生破斷，使得支護(hù)失效，圍巖變形嚴(yán)重，有必要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)失效現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)與分析研究，進(jìn)一步提出針對(duì)性的支護(hù)對(duì)策與方案，有效維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

山西晉城某礦的3210工作面為典型的孤島工作面，工作面平均埋深為680 m，走向長(zhǎng)為2 150 m，傾向長(zhǎng)為154 m，平均煤高5.2 m。其兩側(cè)的3208工作面和3212工作面均已開(kāi)采完畢。3210回風(fēng)巷為沿空掘巷，煤柱寬度為15 m，巷道寬度為5.0 m、高度為3.4 m，沿頂掘進(jìn)，3210工作面巷道布置如圖1所示、頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

圖1 3210工作面及巷道布置情況Fig.1 3210 working face and roadway layout

表1 3210工作面頂?shù)装迩闆rTab.1 Top and bottom plates of 3210 working face

1.2 錨桿索斷裂失效現(xiàn)象分析

(1)斷裂數(shù)量分布分析。由于3210工作面為孤島工作面，從而造成3210回采巷道在掘進(jìn)過(guò)程中圍巖壓力大，巷道變形嚴(yán)重，從而造成大量錨桿和錨索破斷。為了更好地分析錨桿索發(fā)生斷裂的原因，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷錨桿和錨索位置和數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步分析可以得到。①回風(fēng)巷幫部錨桿破斷數(shù)量較多，共60根，占錨桿破斷總數(shù)的32.15%。其中，東幫斷錨桿10根，西幫斷錨桿50根。說(shuō)明回風(fēng)巷幫部圍巖失穩(wěn)嚴(yán)重，進(jìn)一步影響了頂板穩(wěn)定性。②從錨桿破斷位置來(lái)看，西部幫頂角和西部頂板頂角斷錨桿數(shù)量比較多，共占到總破斷錨桿數(shù)量的22%和58%；從錨索破斷位置來(lái)看，頂板中部斷錨索數(shù)量較多，破斷數(shù)量占到總斷錨索數(shù)量的58%。③回風(fēng)巷錨桿和錨索破斷嚴(yán)重區(qū)域位于300～1 300、1 600～1 900 m處，尤其是400～500 m處錨桿和錨索破斷數(shù)量最多。300～1 300 m共破斷錨桿126根，占到總破斷錨桿數(shù)量的65%，平均每100 m破斷12.6根；破斷錨索13根，占到總破斷錨索數(shù)量的43%，平均每100 m破斷1.3根；1 600～1 900 m共破斷錨桿40根，占到總破斷錨桿數(shù)量的21%，平均每100 m破斷13.3根；共破斷錨索17根，占到共破斷錨索數(shù)量的56%，平均每100 m破斷2.3根。④運(yùn)輸巷破斷錨桿共計(jì)415根。其中，東幫斷錨桿22根，西幫斷錨桿9根，頂板斷錨桿384根；頂板斷錨索84根。西部頂板頂角、頂板中部和東部頂板頂角斷錨桿數(shù)量比較多，共占到總破斷錨桿數(shù)量的53%、19%和17%。頂板中部斷錨索數(shù)量較多，破斷數(shù)量占到總斷錨索數(shù)量的67%。⑤3210運(yùn)輸巷整個(gè)巷道內(nèi)斷錨桿數(shù)量都比較多，錨桿和錨索破斷嚴(yán)重區(qū)域位于200～1 400、1 500～1 600和1 700～2 100 m處。200～1 400 m共破斷錨桿295根，占到總破斷錨桿數(shù)量的71%，平均每100 m破斷24.5根；破斷錨索62根，占到共破斷錨索數(shù)量的74%，平均每100 m破斷5根；1 500～1 600 m共破斷錨桿32根，占到總破斷錨桿數(shù)量的7.7%，平均每100 m破斷32根；共破斷錨索12根，占到共破斷錨索數(shù)量的14%，平均每100 m破斷12根。1 700～2 100 m共破斷錨桿75根，占到總破斷錨桿數(shù)量的18%，平均每100 m破斷18.7根；共破斷錨索8根，占到共破斷錨索數(shù)量的9.5%，平均每100 m破斷2根。

圖2 3210工作面回采錨桿錨索破斷統(tǒng)計(jì)Fig.2 Breakage statistics of anchor rods and anchor cables in roadway of 3210 working face

(2)錨桿和錨索破斷位置與形態(tài)。從現(xiàn)場(chǎng)錨桿和錨索破斷位置來(lái)看，大部分錨桿和錨索破斷位置均在西幫，尤其是西幫第1根和第2根錨桿破斷的較多，錨桿破斷處通常在幫部產(chǎn)生局部擠壓變形，且局部頂板有網(wǎng)丟。大部分錨桿破斷的位置都在桿尾螺紋處，只有少部分錨桿在桿體中部破斷或距離螺紋300 mm處；大部分錨索破斷位置均為桿體中部，錨索難以拔出，說(shuō)明破斷的錨索已經(jīng)受到巖層的錯(cuò)動(dòng)擠壓，只有少部分錨索在孔口鎖具附近破斷。破斷錨桿與錨索形態(tài)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)破斷錨桿錨索示意Fig.3 Schematic view of breaking anchor rods and anchor cables on site

2 巷道圍巖變形破壞原因及加固理論

2.1 動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞原因分析

結(jié)合3010工作面的地質(zhì)條件與開(kāi)采現(xiàn)狀，分析回采巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形破壞及支護(hù)失效的原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)應(yīng)力集中程度高。由于3210工作面為孤島工作面，兩巷道在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)受到相鄰采空區(qū)側(cè)向殘余應(yīng)力影響，加之該工作面開(kāi)采的超前支承應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致頂板壓力較一般工作面大，頂板破壞范圍和兩幫破壞范圍增大。經(jīng)實(shí)測(cè)頂板巖層破壞主要位于4 m范圍內(nèi)，當(dāng)錨桿和錨索錨固范圍內(nèi)的巖層變形破壞超過(guò)錨桿和錨索變形臨界值時(shí)，錨桿和錨索就出現(xiàn)了大量破斷。

(2)煤巖體強(qiáng)度低。王坡煤礦頂板巖性主要為煤、泥巖和砂質(zhì)泥巖，頂板10 m范圍內(nèi)部分區(qū)域含大量離層、裂隙和夾層。由于裂隙多向發(fā)育，導(dǎo)致頂板普遍較為松散、破碎，強(qiáng)度較低。加之兩幫為煤體強(qiáng)度低，在發(fā)生較大變形時(shí)，幫部錨桿與煤體會(huì)發(fā)生整體內(nèi)移的現(xiàn)象，支護(hù)構(gòu)件無(wú)法有效控制幫部圍巖變形；兩幫內(nèi)移進(jìn)一步擠壓頂板，使頂板也產(chǎn)生彎曲、隆起，導(dǎo)致鋼帶彎折剪切錨桿，使很多錨桿在螺紋處被剪切破斷。

(3)采動(dòng)引起動(dòng)壓明顯。3210運(yùn)輸巷錨桿和錨索破斷數(shù)量均大于3210回風(fēng)巷，主要原因是由于3210運(yùn)輸巷臨近3208工作面，3208工作面回采時(shí)間為2011—2012年，回采時(shí)間較晚，采空區(qū)上部覆巖還未穩(wěn)定即開(kāi)始掘進(jìn)3210運(yùn)輸巷，所以動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，導(dǎo)致錨桿和錨索破斷嚴(yán)重；相比之下，與回風(fēng)巷相鄰的3212工作面回采時(shí)間為2009—2010年，回采時(shí)間較早，采空區(qū)上部覆巖相對(duì)較穩(wěn)定，動(dòng)壓顯現(xiàn)程度較低，因此錨桿和錨索破斷數(shù)量相對(duì)運(yùn)輸巷較少。

(4)特殊構(gòu)造影響?；仫L(fēng)巷400～500 m內(nèi)錨桿和錨索破斷數(shù)量最多、圍巖變形破壞最為嚴(yán)重，主要因?yàn)樵搮^(qū)域臨近構(gòu)造影響區(qū)，受特殊構(gòu)造影響使得其位于松軟破碎帶區(qū)域。相比之下，運(yùn)輸巷錨桿破斷分布區(qū)域相對(duì)均勻但數(shù)量較多，主要是由于相對(duì)于回風(fēng)巷，運(yùn)輸巷整體臨近斷層影響區(qū)和構(gòu)造影響區(qū)，在斷層和構(gòu)造影響下，圍巖松軟破碎，錨桿和錨索破斷數(shù)量較多。

(5)臨近巷道掘進(jìn)的影響。3210回風(fēng)巷臨近高抽巷，高抽巷掘進(jìn)對(duì)巷道穩(wěn)定性有較大影響。隨著高抽巷的放炮掘進(jìn)，3210回風(fēng)巷臨近高抽巷掘進(jìn)頭區(qū)域底鼓明顯，局部底鼓達(dá)1 m以上，且頂板錨桿和錨索破斷也與高抽巷掘進(jìn)有一定的相關(guān)性。

(6)初始支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。3210工作面巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，幫部支護(hù)強(qiáng)度偏低，幫部支護(hù)系統(tǒng)未能有效控制兩幫內(nèi)移變形。巷道掘進(jìn)初期，兩幫錨固力還能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但隨著幫部煤體變形破壞，兩幫煤體的錨固力急劇降低，從后期擴(kuò)幫可以看出，巷道幫部煤體破壞范圍較深，今后孤島工作面幫部支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須加強(qiáng)幫部支護(hù)強(qiáng)度。

2.2 強(qiáng)幫護(hù)頂加固原理

對(duì)于受動(dòng)壓明顯的軟巖巷道而言，及時(shí)控制巷道幫部煤體塑性區(qū)的擴(kuò)張是控制巷道整體變形的關(guān)鍵。3210回采巷道支護(hù)失效主要由于巷道幫部比頂板巖體強(qiáng)度低，開(kāi)挖后幫部較早出現(xiàn)極限平衡區(qū)，產(chǎn)生較大范圍塑性區(qū)與變形，在幫部煤體破壞后，進(jìn)一步引起頂板塑性區(qū)的擴(kuò)張。針對(duì)這種情況采用強(qiáng)幫加固措施，通過(guò)強(qiáng)幫形成強(qiáng)幫護(hù)頂良性作用機(jī)制[19-20]。

(1)提高對(duì)頂板的豎向承載力。加強(qiáng)煤巷幫部，能提高其對(duì)頂板的豎向承載力，煤巷開(kāi)挖后，幫部出現(xiàn)極限平衡區(qū)，煤巷幫部力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 煤巷極限平衡區(qū)及幫部受力分析Fig.4 Stress limit equilibrium zone and sketch of sidewall mechanical model

在強(qiáng)幫支護(hù)理論中兩幫煤體各階段受力狀態(tài)的變化如圖5所示。

圖5 強(qiáng)幫護(hù)頂理論下幫部各階段的莫爾圓Fig.5 Mohr circles of sidewall in each stage of strong supporting theory

該理論假設(shè)：巷道幫部破壞由開(kāi)挖卸載、二次應(yīng)力分布和幫部煤體塑性屈服引起。由于頂?shù)装鍘r體強(qiáng)度較高，兩幫煤體強(qiáng)度低，將幫部煤體所受垂直應(yīng)力近似最大主應(yīng)力，水平應(yīng)力近似最小主應(yīng)力。根據(jù)摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則，在第1階段，在煤巷開(kāi)挖前，煤體處于初始狀態(tài)，在巷道開(kāi)挖后，進(jìn)入第2階段，巷道徑向應(yīng)力釋放，最小主應(yīng)力σ3減小，此時(shí)巷道切向應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力σ1增大，導(dǎo)致莫爾圓半徑增大，由圓1發(fā)展到圓2；當(dāng)莫爾圓與抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線相切時(shí)，即達(dá)到極限平衡狀態(tài)，出現(xiàn)壓剪破壞；在第3階段，加強(qiáng)幫部支護(hù)力度，使得幫部煤體所受第3主應(yīng)力逐漸增大，圍巖承載能力大幅提高，莫爾圓圓心橫坐標(biāo)增大、半徑減小，由圓2發(fā)展到圓3，能夠加強(qiáng)對(duì)于頂板的豎向承載力，最終使幫部煤體由極限平衡狀態(tài)進(jìn)入彈性安全狀態(tài)。

(2)減小塑性區(qū)的寬度。有效控制巷幫變形，還可減小極限平衡區(qū)寬度，提高頂板巖層穩(wěn)定性，形成幫部與頂板良性作用機(jī)制。

根據(jù)巷幫極限平衡區(qū)寬度的計(jì)算公式[21]：

(1)

式中,X0為極限平衡區(qū)寬度；M為煤層開(kāi)采厚度；A為側(cè)壓系數(shù)；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巷道頂板容重；H為巷道采深；Px為幫部支護(hù)力；Cs為幫部殘余黏聚力；φs為幫部殘余內(nèi)摩擦角。

以3210工作面回風(fēng)巷作為算例對(duì)于巷幫的平衡區(qū)寬度進(jìn)行敏感度分析，主要以幫部殘余黏聚力Cs(以下均換算為支護(hù)強(qiáng)度)、殘余內(nèi)摩擦角φs、和幫部支護(hù)力Px(以下均換算為支護(hù)強(qiáng)度)為影響因素進(jìn)行探究。經(jīng)地質(zhì)分析，工作面所在的3號(hào)煤層穩(wěn)定煤層并處于一般穩(wěn)定的圍巖環(huán)境，除實(shí)測(cè)各因素的參數(shù)外，結(jié)合巷道的工程背景，分別選定幫部殘余黏聚力100～1 100 kPa、殘余內(nèi)摩擦角14°～34°、幫部支護(hù)力0～1 MPa。采用控制變量法,定量分析這3種因素對(duì)巷幫極限平衡區(qū)的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各因素對(duì)3210工作面回采巷道幫部極限平衡區(qū)的影響Fig.6 Influence of factors on limit equilibrium zone of sidewall of 3210 working face

從式(1)中可以看出，巷道兩幫的極限平衡區(qū)寬度和兩幫圍巖的性質(zhì)和幫部的支護(hù)力有很大關(guān)系。從圖6中可以看出，巷幫極限平衡區(qū)的寬度隨著巷幫支護(hù)力、殘余黏聚力以及殘余內(nèi)摩擦角的增大而減小。由此可見(jiàn)，通過(guò)加強(qiáng)幫部支護(hù)力Px，同時(shí)利用注漿等手段進(jìn)行圍巖改性，改善幫部煤體強(qiáng)度增加φs和Cs，能夠有效減小巷幫極限平衡區(qū)寬度X0，從而增強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 支護(hù)對(duì)策與方案

經(jīng)過(guò)上述分析，可知在接下來(lái)的孤島工作面進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須加強(qiáng)兩幫支護(hù)強(qiáng)度，保證兩幫的穩(wěn)定，避免兩幫內(nèi)移，才能有效減少兩幫內(nèi)移對(duì)頂板的擠壓破壞。設(shè)計(jì)了“普通錨桿索加強(qiáng)支護(hù)+幫部注漿補(bǔ)強(qiáng)加固”相結(jié)合的方法。由于錨桿容易在螺紋處破斷，螺紋處是薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)改進(jìn)錨桿預(yù)緊方式和部分支護(hù)構(gòu)件，改用張拉式預(yù)緊能大大提高巷道頂板和幫部的支護(hù)強(qiáng)度；增加幫部錨桿加固的范圍，能避免幫部煤體深部受到破壞；增加鋼護(hù)板厚度，提高鋼護(hù)板強(qiáng)度和剛度，防止鋼護(hù)板彎折。幫部菱形金屬網(wǎng)改為雙層經(jīng)緯網(wǎng)，經(jīng)緯網(wǎng)剛度高，幫部不易形成鼓包，可以使整個(gè)幫部平整。另外，由于孤島工作面兩幫煤體破碎，錨索易發(fā)生錨固失效，專門(mén)研發(fā)注漿錨桿解決這一問(wèn)題。注漿錨桿配合普通錨桿在幫部進(jìn)行支護(hù)，掘進(jìn)時(shí)先不打幫部錨索，滯后100 m進(jìn)行兩幫注漿(注漿錨桿)，注漿后打設(shè)幫部錨索，這樣可以提高兩幫煤體的強(qiáng)度和錨索錨固力。具體的支護(hù)方案如圖7所示。

(1)頂板支護(hù)。具體在巷道掘進(jìn)時(shí)，頂板錨桿采用BHRB500左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，直徑22 mm,長(zhǎng)度2 400 mm,間排距為1 100 mm×1 000 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，采用錨桿專用張拉機(jī)具，預(yù)緊力達(dá)到180 kN，配合W鋼帶和金屬網(wǎng)護(hù)頂；錨索采用φ22 mm強(qiáng)度礦用鋼絞線，配合300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板，沿巷道軸線3-3布置，每排3根，距兩幫各1 000 mm，間距1 500 mm，預(yù)緊力不小于250 kN。

圖7 加強(qiáng)支護(hù)后巷道支護(hù)方案Fig.7 Roadway supporting scheme after strengthening supporting

(2)巷幫支護(hù)。兩幫支護(hù)除了采用與頂板同規(guī)格材料的錨桿互幫外，另鋪設(shè)雙層機(jī)織經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格3 300 mm×1 200 mm，兩網(wǎng)片之間搭接100 mm。

(3)幫部注漿補(bǔ)強(qiáng)加固。為了防止兩幫煤體破壞，在滯后掘進(jìn)工作面不超過(guò)100 m，進(jìn)行噴漿并立即進(jìn)行幫部注漿錨桿滯后注漿。注漿方式采用注漿管直接連接錨桿端頭進(jìn)行全長(zhǎng)一次注漿；注漿材料為超細(xì)水泥漿或化學(xué)漿超細(xì)水泥漿或化學(xué)漿材料，鉆孔直徑32 mm，錨固長(zhǎng)度為1 220 mm，錨固力不小于150 kN?？卓谧{壓力1～3 MPa。桿體為BHRB500鋼材，沿巷幫軸線2-1-2布置，采用黃泥及樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用3支錨固劑，1支規(guī)格為2330的黃泥錨固劑，另2支規(guī)格為MSCKb2335和MSZ2360。在注漿完成后，滯后7 d補(bǔ)打幫部錨索。

4 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

在應(yīng)用所提出的支護(hù)對(duì)策和方案的前后，分別布置測(cè)點(diǎn)，采用十字布線法進(jìn)行了巷道變形量的監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示；同時(shí)配合鉆孔窺視的手段，對(duì)巷道塑性區(qū)內(nèi)的圍巖狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖9所示。

圖8 改進(jìn)支護(hù)前后隨采巷道圍巖變形量觀測(cè)Fig.8 Deformation monitoring curves of roadways with mining before and after improved supporting

根據(jù)結(jié)果分析，新的支護(hù)對(duì)策和方案的使用對(duì)于回采巷道圍巖穩(wěn)定主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)減小巷道圍巖收斂率。由圖8中可知，工作面回采240 m范圍內(nèi)，原支護(hù)段頂?shù)装謇塾?jì)移近680 mm，底鼓嚴(yán)重；兩幫移近量640 mm，直接導(dǎo)致巷道起底、返修，極大影響工作面推進(jìn)。改進(jìn)支護(hù)后，工作面推進(jìn)的半年內(nèi)，頂?shù)装蹇傆?jì)移近量640 mm，兩幫共移近215 mm，新的支護(hù)對(duì)策極大減小了巷道圍巖的收斂率，對(duì)于幫部的支護(hù)效果尤其明顯。

(2)提高圍巖完整度。由圖9可知，改進(jìn)支護(hù)前后巷道頂?shù)装鍑鷰r的完整性得到了極大改善。主要表現(xiàn)為頂板加強(qiáng)支護(hù)后，頂板中裂隙發(fā)育明顯減少，幫部采取的注漿補(bǔ)強(qiáng)加固效果明顯，原有支護(hù)裂隙發(fā)育較多，注漿后漿液充滿裂隙，提高了幫部圍巖的完整性與強(qiáng)度，同時(shí)可以推斷，對(duì)于巷幫的加固進(jìn)一步起到了“強(qiáng)幫護(hù)頂”的作用，減少了頂板塑性區(qū)跨度，增加了豎向承載力。

圖9 改進(jìn)支護(hù)前后巷道圍巖窺視示意Fig.9 Borehole observation in surrounding rock of roadway before and after improved support

(3)改善錨桿索錨固環(huán)境。在3210回風(fēng)巷改進(jìn)支護(hù)前后分別進(jìn)行錨桿錨固力拉拔測(cè)試，測(cè)試對(duì)象為巷幫錨桿。錨桿桿體為500號(hào)鋼材，直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2.4 m，利用2種錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1.2 m，測(cè)試曲線如圖10所示。

圖10 錨桿拉拔試驗(yàn)錨固力—位移曲線Fig.10 Anchoring force displacement curve of bolt pull-out test

從圖10中可以看出，幫部注漿補(bǔ)強(qiáng)加固極大改善了煤體及錨桿的錨固性能，采用復(fù)合注漿后煤體錨固力峰值達(dá)230 kN，超過(guò)了500號(hào)錨桿的屈服載荷；未注漿區(qū)域煤體錨固力最大值僅為94.4 kN，為注漿補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的41%。采用新的支護(hù)方案能夠通過(guò)加強(qiáng)巷幫煤體強(qiáng)度改善錨桿錨索的作用環(huán)境，錨固力上升階段斜率明顯大于原支護(hù)段，說(shuō)明注漿加固在提高圍巖抗變形能力的同時(shí)錨桿體錨固結(jié)構(gòu)的彈性模量也大大增強(qiáng)，能夠有效解決錨桿索破斷導(dǎo)致的錨固失效問(wèn)題。

(4)提高生產(chǎn)效率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用新的支護(hù)方案后，工作面生產(chǎn)效率大大提高。在原有支護(hù)下，工作面每班推進(jìn)2刀，每月進(jìn)尺在80 m左右，花費(fèi)大量時(shí)間用于解決工作面機(jī)頭三角區(qū)頂板和運(yùn)輸巷轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備處的安全出口不足的問(wèn)題。采用新的支護(hù)方案后，每班基本上能保持3.5刀的進(jìn)度，月進(jìn)尺可達(dá)135 m，生產(chǎn)效率提高68%。

5 結(jié)論

(1)統(tǒng)計(jì)分析了3210孤島工作面回采巷道錨桿錨索大量破斷的現(xiàn)象，揭示了支護(hù)失效的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)于動(dòng)壓巷道的圍巖變形破壞原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

(2)基于巷道變形原因?qū)τ趶?qiáng)幫護(hù)頂加固原理進(jìn)行探討，并以3210回采巷道的具體條件為例進(jìn)行分析，揭示提高幫部支護(hù)力、改善幫部圍巖性質(zhì)能夠有效提高支護(hù)效果。

(3)確定了重點(diǎn)加強(qiáng)幫部支護(hù)的策略，提出了“普通錨桿索加強(qiáng)支護(hù)+幫部注漿補(bǔ)強(qiáng)加固”相結(jié)合的支護(hù)對(duì)策與方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與鉆孔窺視，改進(jìn)支護(hù)能夠有效減小巷道圍巖收斂率、提高圍巖的完整度，在進(jìn)行拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)提高幫部圍巖抗變形能力效果明顯，新的支護(hù)方案能增強(qiáng)錨桿體錨固結(jié)構(gòu)的彈性模量，能夠有效解決錨桿索破斷導(dǎo)致的錨固失效問(wèn)題并極大提高了生產(chǎn)效率。