礦井破碎頂板巷道支護(hù)技術(shù)研究

董俊康

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司，山西 太原 030053）

引言

巷道掘進(jìn)前圍巖應(yīng)力處于多向平衡狀態(tài)，掘進(jìn)開始后由于采動(dòng)條件和掘進(jìn)應(yīng)力等諸多因素的影響，圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚧騿蜗驊?yīng)力狀態(tài)，造成巷道圍巖穩(wěn)定性下降，具體表現(xiàn)包括頂板破碎、底板上鼓、兩幫變形量過大等。上述圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象不僅會(huì)給巷道的掘進(jìn)質(zhì)量以及掘進(jìn)效率帶來影響，也會(huì)引發(fā)頂板垮塌等礦井事故，給操作人員的人身安全造成威脅?，F(xiàn)階段巷道通常采取傳統(tǒng)的單一的錨桿或錨索的支護(hù)方式，根據(jù)松動(dòng)圈理論可知掘進(jìn)過程中破碎圍巖在應(yīng)力的作用下會(huì)形成一定范圍的圍巖松動(dòng)圈，如果錨桿錨索的錨固區(qū)域處于松動(dòng)圈范圍內(nèi)，則會(huì)對(duì)錨固質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，包括難以有效傳遞預(yù)應(yīng)力、無法對(duì)應(yīng)力區(qū)圍巖進(jìn)行懸吊、組合拱支護(hù)作用、原有支護(hù)方案難以有效發(fā)揮效果等。因此，對(duì)于掘進(jìn)應(yīng)力導(dǎo)致的圍巖破碎變形問題，應(yīng)當(dāng)建立有效的支護(hù)手段、降低圍巖變形量、提升巷道掘進(jìn)效率。本文選取西山煤電集團(tuán)某礦9102 運(yùn)輸順槽作為分析對(duì)象，對(duì)掘進(jìn)過程中圍巖的破碎問題制定了合理的支護(hù)措施和解決方案。

1 9102 運(yùn)輸順槽概況

西山煤電集團(tuán)某礦9102 運(yùn)輸順槽在整個(gè)采區(qū)的南部，其四周分別為采空區(qū)、井田邊界、綜采工作面以及三條大巷。

運(yùn)輸順槽全長(zhǎng)為1 154 m，斷面的長(zhǎng)度為4.2 m、高度為4.2 m，采區(qū)煤層特點(diǎn)為：煤層儲(chǔ)量較大，煤層均厚為1.69 m，直接頂由砂質(zhì)泥巖組成，均厚為3.14 m；基本頂組由石灰?guī)r和細(xì)粒砂巖組成，均厚為8.6 m，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 9 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性匯總

當(dāng)前9102 運(yùn)輸順槽采用錨桿（索）+鋼帶聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)方式，錨桿采用反麻花式錨桿，每排錨桿的數(shù)量為5 根，錨桿的長(zhǎng)度為2.0 m、直徑為18 mm，相鄰錨桿間的距離為1 m，兩排錨桿間的距離為1 m。錨索長(zhǎng)度為5.3 m、直徑為17.8 mm，相鄰錨索間的距離為1.8 m，兩排錨索間的距離為3 m。

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及頂板破碎成因分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

當(dāng)前巷道掘進(jìn)采用的掘進(jìn)機(jī)型號(hào)為EBZ200，已掘進(jìn)距離為462 m。掘進(jìn)至455 m 處時(shí)遇到F7 斷層，斷層布置平面如圖1 所示。斷層屬于逆斷層，斷層傾角為42°，高度為1.7 m；斷層對(duì)圍巖的整體性和變形量產(chǎn)生了一定影響，也改變了巷道圍巖的應(yīng)力分布，所以在掘進(jìn)至斷層附近時(shí)巷道頂板下沉量顯著增加，局部最大下沉量達(dá)到0.45 m；掘進(jìn)至斷層后，頂板逐漸出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象，冒漏高度為1.4 m，現(xiàn)有支護(hù)方式對(duì)圍巖變形和破碎的控制效果難以滿足實(shí)際要求，部分區(qū)域出現(xiàn)支護(hù)失效現(xiàn)象[1]。

圖1 9102 運(yùn)輸順槽F7 斷層布置平面圖

2.2 巷道頂板破碎成因分析

1）圍巖穩(wěn)定性：已知巷道的直接頂由巖與泥巖組成，頂板整體性較差、強(qiáng)度硬度較低、圍巖裂隙容易因掘進(jìn)過程而逐漸發(fā)育，其普氏硬度約為1.5，由此可見其受應(yīng)力分布變化的影響較大。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查能夠發(fā)現(xiàn)，圍巖存在局部離層現(xiàn)象，由此導(dǎo)致離層區(qū)域在掘進(jìn)過程中會(huì)由于掘進(jìn)應(yīng)力導(dǎo)致一定的剪切破壞現(xiàn)象出現(xiàn)，降低了圍巖的穩(wěn)定性和整體性。

2）構(gòu)造應(yīng)力影響：F7 斷層構(gòu)造應(yīng)力在斷層處釋放。應(yīng)力釋放過程中兩幫圍巖在拉應(yīng)力的作用下變形量顯著增加。

3）原支護(hù)強(qiáng)度低：掘進(jìn)至斷層區(qū)域后，頂板下沉破碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重，形成了較大范圍的圍巖松動(dòng)圈，數(shù)據(jù)分析后得出圍巖松動(dòng)圈直徑約為2.2 m，當(dāng)前的錨桿長(zhǎng)度僅為1.8 m，因此錨固區(qū)域必然在圍巖松動(dòng)圈范圍內(nèi)，降低了錨桿的錨固效果；此外由于頂板的鋼帶型號(hào)為M型，強(qiáng)度較低且支護(hù)范圍較小，因此對(duì)于頂板的下沉量控制難以起到足夠的效果。

3 巷道支護(hù)方式優(yōu)化

3.1 錨桿（索）參數(shù)優(yōu)化

1）頂板錨桿支護(hù)優(yōu)化：為了加強(qiáng)錨桿錨固的作用效果，選用無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、直徑為22 mm，相鄰錨桿間的距離為1 m，兩排錨桿間的距離為1 m，最大屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到450 MPa。

2）頂板鋼帶優(yōu)化：支護(hù)鋼帶選用W 型鋼帶，其優(yōu)勢(shì)在于截面形狀抗壓效果較好，鋼帶長(zhǎng)度為4.2 m、寬度為0.28 m。

3）頂板錨索支護(hù)優(yōu)化：此前的錨索支護(hù)方式為點(diǎn)性支護(hù)，支護(hù)效果較差，因此將其更換為線性恒阻錨索支護(hù)，實(shí)現(xiàn)錨索的聯(lián)動(dòng)支護(hù)，具體方式為每排錨索的數(shù)量為3 根，錨索長(zhǎng)度為6 m、直徑為21.8 mm，相鄰錨索間的距離為1.5 m，兩排錨索間的距離為3 m。

3.2 桁架錨索支護(hù)

3.2.1 支護(hù)原理

錨索支護(hù)首先通過錨固劑將錨索固定在指定位置的實(shí)現(xiàn)鉆孔區(qū)域之中，隨后對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，通過錨索將預(yù)應(yīng)力傳遞至圍巖中，達(dá)到錨桿懸吊和應(yīng)力組合梁的作用目標(biāo)。但是由于9102 運(yùn)輸順槽斷層圍巖破碎較為嚴(yán)重，難以對(duì)頂板施加主動(dòng)應(yīng)力；此外桁架支護(hù)在錨索支護(hù)的作用下，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)斜向上的分力，抵消頂板應(yīng)力破壞效果。

3.2.2 支護(hù)工藝

1）當(dāng)前采用的桁架錨索主要構(gòu)成零部件包括：桁架托桿、預(yù)緊張拉器以及桁架錨索等，其中桁架錨索長(zhǎng)度為4.0 m、直徑為17.8 mm，數(shù)量共計(jì)2 根，托桿兩端加工為圓柱體，確保托架對(duì)頂板具有足夠的支撐作用。

2）相鄰桁架錨索間的距離為2.0 m，和頂板夾角為75°兩側(cè)夾角保持一致，鉆孔直徑為30 mm，深度為6.0 m，錨固工作應(yīng)當(dāng)和鉆孔工作同步進(jìn)行。

3）每排錨索兩側(cè)外露部分加設(shè)桁架托桿，通過預(yù)緊張拉器施加預(yù)緊力，確保桁架托桿和頂板的預(yù)緊效果。

3.3 超前管棚支護(hù)

為了避免掘進(jìn)過程中掘進(jìn)應(yīng)力造成頂板破碎現(xiàn)象，在掘進(jìn)開始前首先加設(shè)超前管棚起到預(yù)先支護(hù)的作用。

1）超前管棚選用中空無縫鋼管，管棚長(zhǎng)度為3.5 m、直徑為35 mm，每排管棚的數(shù)量為15 根，相鄰管棚的距離為0.3 m，管棚兩端設(shè)置成尖端形式，便于固定。

2）根據(jù)管棚的放置位置在巷道頂板對(duì)應(yīng)位置鉆孔，鉆孔同巷道頂板垂直，直徑為40 mm，孔深為3.8 m。鉆孔完畢后將管棚放入其中，巷道掘進(jìn)過程中管棚對(duì)頂板起到一定的支護(hù)效果，有效避免了圍巖破碎給掘進(jìn)工作帶來的影響。

3）超前管棚支護(hù)安裝過程中，需要采用激光定位的方式，確保施工管棚的一致性，單根管棚施工過程中角度差應(yīng)當(dāng)控制在3°以內(nèi)[2]。

4 應(yīng)用效果分析

直到2021 年10 月3 日，該運(yùn)輸順槽掘進(jìn)距離為540 m，整體已通過F7 斷層應(yīng)力影響區(qū)。斷層應(yīng)力影響區(qū)掘進(jìn)過程中，在460 m 和475 m 處設(shè)置2 個(gè)頂板離層儀，在450～460 m 范圍內(nèi)適用原始的支護(hù)方式，通過離層儀檢測(cè)不同支護(hù)方式的離層情況，進(jìn)行不同支護(hù)方式的效果對(duì)比，經(jīng)過20 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察能夠發(fā)現(xiàn)：

1）原始的支護(hù)方式下，巷道0～9 d 頂板下沉量顯著增加，最大下沉量能夠達(dá)到0.38 m；9～17 d 頂板下沉量逐漸減??；16 d 后逐漸穩(wěn)定，最終下沉量穩(wěn)定在0.45 m，其結(jié)果如圖2 所示。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行支護(hù)效果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)錨桿的支護(hù)失效情況十分嚴(yán)重，失效率高達(dá)15%。

圖2 應(yīng)力破碎頂板支護(hù)優(yōu)化前后下沉量變化曲線

2）聯(lián)合支護(hù)方式下，巷道0～8 d 頂板下沉量逐漸增大，最大下沉量能夠達(dá)到0.14 m；8～14 d 聯(lián)合支護(hù)的方式顯著降低了頂板的下沉量；14 d 后下沉量逐漸穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.19 m。原有的頂板錨桿失效概率較高的現(xiàn)象得到了顯著控制，失效率降低至每25根錨桿僅有1 根失效。

5 結(jié)論

1）9102 運(yùn)輸順槽錨桿支護(hù)方案的優(yōu)化避免了原有方案存在的支護(hù)強(qiáng)度較低、支護(hù)質(zhì)量較差、圍巖變形量難以控制等諸多問題，顯著提升了錨桿支護(hù)組合拱以及懸吊作用。

2）斷層應(yīng)力區(qū)頂板使用桁架錨索支護(hù)方式后，提升了頂板的整體性，避免了掘進(jìn)過程導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈面積擴(kuò)大，避免了離層和頂板破碎等現(xiàn)象的出現(xiàn)導(dǎo)致錨桿支護(hù)效果難以發(fā)揮。

3）加設(shè)超前管棚支護(hù)后，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)過程的主動(dòng)支護(hù)和超前支護(hù)，避免了掘進(jìn)應(yīng)力造成圍巖破碎量增加、裂隙發(fā)育以及整體性較差等現(xiàn)象，也避免了巷道掘進(jìn)過斷層區(qū)域時(shí)由于支護(hù)不及時(shí)造成的頂板冒漏、片幫等現(xiàn)象。