1402 皮帶順槽耦合支護(hù)技術(shù)研究

劉傳祥 牛 川 付騰飛

（三門峽龍王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472434）

煤礦井下巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)時多為對稱布置方式，隨著回采煤層傾角增大，巷道采用常規(guī)矩形斷面及普通的錨網(wǎng)支護(hù)易出現(xiàn)局部變形嚴(yán)重、支護(hù)體系失效甚至引起巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)等情況[1-3]。龍王莊煤礦回采的二1 煤層傾角平均14°，埋深均值600 m，為有效控制巷道圍巖變形，將巷道斷面設(shè)計(jì)為倒梯形，同時用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)方式實(shí)現(xiàn)圍巖變形控制，現(xiàn)場應(yīng)用取得較好效果。

1 工程概況

1402 皮帶順槽沿山西組二1煤層掘進(jìn)，根據(jù)資料，掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)二1 煤層賦存不穩(wěn)定，局部煤厚變化較大，煤厚0.4～7.33 m，平均4.30 m；煤層傾角12°～16°，平均14°；煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含夾矸，厚度0.1～0.5 m。煤層受滑動構(gòu)造影響，強(qiáng)度低，普氏硬度系數(shù)小于0.3，回采時煤層易冒落、片幫。二1 煤頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 巷道圍巖變形及支護(hù)方式設(shè)計(jì)

2.1 圍巖變形特征分析

1402 皮帶順槽沿二1 煤層頂板掘進(jìn)，由于二1煤層傾角平均為14°，使得覆巖重力沿煤巖交匯層面方向分力增大，從而導(dǎo)致圍巖變形、頂板冒落以及變形破壞特征等，與近水平煤層巷道有顯著的差異。結(jié)合以往二1 煤層回采巷道圍巖變形特征以及數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖應(yīng)力、變形呈現(xiàn)出明顯的非對稱性特征。模擬得到1402 皮帶順槽圍巖變形、應(yīng)力分布情況如圖1。從圖1 看出，巷道開挖后引起圍巖應(yīng)力釋放，巷道淺表圍巖形成應(yīng)力降低區(qū)，深部應(yīng)力則不斷增加；巷道垂向應(yīng)力在巷幫位置集中，水平應(yīng)力在頂?shù)装寮?；巷道圍巖應(yīng)力分布及圍巖變形均呈明顯非對稱性，其中頂板、底板應(yīng)力集中區(qū)均偏左側(cè)。

圖1 模擬結(jié)果

巷道圍巖應(yīng)變主要原因：受煤層傾角影響，巷道圍巖應(yīng)力呈非對稱性。以往巷道均采用對稱支護(hù)方式，支護(hù)體系與巷道圍巖應(yīng)力、圍巖應(yīng)變情況不匹配，在采動影響時巷道非對稱變形更為顯著。1402 皮帶順槽掘進(jìn)后，煤巖層在覆巖重力影響下出現(xiàn)下沉，煤巖層沿著煤層傾斜面呈現(xiàn)出一定的下滑趨勢；沿著煤層傾斜面方向的應(yīng)力會導(dǎo)致巷道頂板與巷幫交匯位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致煤巖體破壞。由于二1 煤層強(qiáng)度較低、松軟且結(jié)構(gòu)面發(fā)育，煤層頂板為較為堅(jiān)硬的中砂巖，在巷道掘進(jìn)及支護(hù)初期，松軟煤層容易滑動，從而引起頂板下沉量增加。

2.2 圍巖耦合支護(hù)設(shè)計(jì)

2.2.1 圍巖耦合支護(hù)方式分析

1402 皮帶順槽圍巖應(yīng)力呈非對稱分布特征，圍巖支護(hù)體系受到載荷也呈非對稱性，傳統(tǒng)的對稱支護(hù)方式難以滿足圍巖控制需要，為此提出采用非對稱耦合支護(hù)方式。采用的支護(hù)方式首先應(yīng)降低圍巖應(yīng)力集中程度，避免局部應(yīng)力過于集中導(dǎo)致圍巖破壞和變形，可通過改變巷道斷面即將巷道斷面設(shè)計(jì)為倒梯形來實(shí)現(xiàn)。其次，強(qiáng)化應(yīng)力集中區(qū)域圍巖支護(hù)強(qiáng)度，適當(dāng)增大錨桿（索）長度、密度及預(yù)應(yīng)力等使圍巖應(yīng)力集中區(qū)向深度轉(zhuǎn)移，以便解決局部圍巖變形量過大問題。采用金屬網(wǎng)、鋼帶等連接支護(hù)體系，以便將巷道圍巖中高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，使得巷道圍巖應(yīng)力分布更為均衡[4-5]。

2.2.2 耦合支護(hù)參數(shù)

1402 皮帶順槽斷面優(yōu)化為倒梯形，凈寬5.0 m，巷高3.3 m，凈斷面面積16.5 m2，沿煤層頂板掘進(jìn)。設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)帶+錨索+錨索梁耦合支護(hù)形式，具體支護(hù)斷面如圖2。

圖2 1402 皮帶順槽耦合支護(hù)斷面圖（mm）

1402 皮帶順槽頂部采用5.1 mM5 鋼帶+ 鋼板網(wǎng)+Ф22 mm×L2400 mm 阻尼左旋無縱肋錨桿支護(hù)，間排距為800 mm×800 mm，扭矩不小于300 N·m；幫部采用2.4 mM5 鋼帶+1.6 mM5鋼帶/1 mM5 鋼帶+ 鋼板網(wǎng)+Ф22 mm×L2400 mm 阻尼左旋無縱肋錨桿支護(hù)，間排距為700 mm×800 mm，扭矩不小于200 N·m；每根錨桿使用錨固劑2 卷，按順序注錨固劑時，第1 卷用MSK2350 錨固劑，第2 卷用MSZ2350 錨固劑，錨桿外露長度10～50 mm；鋼絲網(wǎng)采用14#鐵絲連接，扭結(jié)不少于3 圈，鐵絲扭結(jié)頭外露不超過30 mm，朝向內(nèi)側(cè)，連網(wǎng)間距≤300 mm，鋼板網(wǎng)搭接長度100～120 mm。

在1402 皮帶順槽頂部距中線偏左1.6 m 位置打設(shè)一排錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，眼距（中-中）1.5 m，頂部錨索規(guī)格Ф21.6 mm×L6300 mm 鋼絞線（頂板巖性破碎或遇構(gòu)造帶時采用Ф21.6 mm×L8300 mm鋼絞線）；在掘進(jìn)巷道幫部左、右各打設(shè)一排錨索梁，錨索梁布置于距頂板1.4 m 位置處，錨索規(guī)格Ф21.6 mm×L5000 mm 鋼絞線，錨索梁為12#工字鋼加工而成，長度2.5 m，眼距（中-中）1.5 m，頂、幫同一排相鄰錨索梁間距不大于0.5 m，上下偏差不大于0.12 m。每根錨索使用錨固劑4 卷，按順序安注錨固劑時第1 卷用MSK2350 錨固劑，第2、3、4 卷用MSZ2350 錨固劑，錨固力不小于120 kN，錨索張拉儀張緊時，壓力表讀數(shù)不得小于30 MPa，錨索外露長度150～250 mm。

3 圍巖支護(hù)效果分析

為評價(jià)1402 皮帶順槽耦合支護(hù)效果，在巷道掘進(jìn)迎頭布置監(jiān)測站對錨桿受力、圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如圖3。

圖3 錨桿受力及圍巖變形監(jiān)測曲線

從圖3（a）看出，在耦合支護(hù)初期由于給錨桿上施加較大預(yù)緊力，錨桿可給圍巖提供較大的支護(hù)阻力；在距離巷道迎頭27 m 時錨桿受力快速增加，高預(yù)緊力及錨桿阻力快速增大可抑制圍巖早期變形破壞、淺部巖層離層；隨著測站與掘進(jìn)迎頭距離不斷增大，頂錨桿及巷幫錨桿工作阻力均趨于穩(wěn)定。

從圖3（b）看出，在耦合支護(hù)初期圍巖變形量快速增加，隨測站與掘進(jìn)迎頭距離增加（支護(hù)時間增加）圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；巷道頂板及左幫變形量較右?guī)偷?，但是整體變形量較小，其中頂板、左幫及右?guī)妥冃瘟孔畲蠓謩e為36 mm、39 mm、57 mm；巷幫底板變形量較大，主要是由于底板巖性為泥巖（自身承載能力較差）且未對底板進(jìn)行支護(hù)，若底板布置錨桿則會顯著增加圍巖支護(hù)耗時，雖然未支護(hù)底板，但底鼓量最大為97 mm，不會影響巷道后續(xù)使用，表明采用的耦合支護(hù)措施取得較好圍巖控制效果。

4 結(jié)語

根據(jù)以往二1 煤層巷道圍巖變形特征以及數(shù)值模擬結(jié)果分析，1402 皮帶順槽圍巖應(yīng)力、應(yīng)變等呈現(xiàn)明顯的非對稱特性，分析原因主要是由于煤層傾角大、頂?shù)装鍘r性以煤層差異大以及回采的二1 煤層自身松軟。

為降低巷道圍巖局部應(yīng)力集中程度，將1402皮帶順槽斷面設(shè)計(jì)為倒梯形，巷道頂板與煤層頂板平行，同時采用耦合支護(hù)方式控制圍巖變形。通過強(qiáng)化支護(hù)強(qiáng)度及護(hù)表強(qiáng)度，充分發(fā)揮耦合支護(hù)體系圍巖控制效果，現(xiàn)場應(yīng)用后，頂板及巷幫錨桿工作阻力分別保持在98 kN、75 kN，巷道圍巖變形量隨著支護(hù)時間增加逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖變形量均在允許范圍內(nèi)，可滿足巷道后續(xù)使用需要。