大斷面沿空煤巷錨索桁架非對稱支護技術(shù)研究

武潤虎

（晉能控股煤業(yè)集團興峪公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽煤集團興峪煤礦現(xiàn)階段主采15#煤層，該煤層為簡單結(jié)構(gòu)煤層，傾角0°～15°，平均3°，煤層平均厚6.0 m。15502 工作面埋深334～438 m，東部為五采區(qū)大巷，西部礦界與坤寧煤礦相鄰（實體），北部為15503 工作面（已采），南部為15501 工作面（實體）。15#煤基本頂為K2石灰?guī)r，直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，基本底為K2灰色石灰?guī)r。頂?shù)装鍘r層具體情況詳見表1。15502 工作面回風(fēng)順槽緊鄰15503 采空區(qū)掘進，區(qū)段煤柱寬度7.0 m，掘進初期巷道圍巖出現(xiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象，為有效控制圍巖的變形展開相關(guān)研究。

表1 15#煤頂?shù)装鍘r性特征

2 15502 回風(fēng)順槽原支護及變形現(xiàn)狀

15502 回風(fēng)順槽掘巷初期設(shè)計采用錨索+錨桿+梯子梁+拱形托板+金屬經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護。巷道沿15#煤底板布置，頂錨索選用Ф17.8 mm×6200 mm 鋼絞線，錨桿選用Ф22 mm×2500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫錨桿選用Ф20 mm×2000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部及幫部鋼筋梯子梁均由直徑8 mm 的圓鋼焊制。頂錨索托板選用高強可調(diào)心拱形錨索托板，鋼號不小于Q235，形狀為拱形，托板尺寸300 mm×270 mm×12 mm，配用Ф68 mm×23 mm 調(diào)心球墊。錨具規(guī)格為KM18（1860），錨固劑為MS 雙速Ф23 mm×1200 mm。

15502 回風(fēng)順槽屬于典型的大斷面煤巷，由于礦井采掘接續(xù)緊張，在鄰近的15503 工作面未采掘完成前即開始了掘進施工作業(yè)。因此，沿空巷道不僅經(jīng)受自身掘進擾動，而且受到鄰近工作面采動影響，引發(fā)掘巷期間巷道表面局部出現(xiàn)較為劇烈的礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為頂板網(wǎng)兜、局部下沉，煤柱幫開裂嚴(yán)重、明顯內(nèi)移，10%～15%的錨桿、錨索失效，嚴(yán)重影響巷道的掘進。

3 大斷面煤巷非對稱支護技術(shù)

3.1 高預(yù)應(yīng)力錨索桁架支護原理

沿空巷道緊鄰采空區(qū)邊緣掘進，一側(cè)為大面積的實體煤，一側(cè)為小煤柱和大面積的采空區(qū)，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)并非對稱分布，支護設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮圍巖變形的不對稱性。15502 回風(fēng)順槽掘進初期，巷道表面變形即表現(xiàn)為不對稱性，靠近采空區(qū)側(cè)頂板下沉更為嚴(yán)重，煤柱幫內(nèi)移也更為明顯。由此，提出采用高預(yù)應(yīng)力錨索桁架非對稱支護技術(shù)進行治理，其作用原理如圖1。通過高強度桁架對頂板淺部巖層施加垂直向上和水平方向的約束力，減小巷道表面的變形，并將淺部巖層自重及載荷轉(zhuǎn)移至深部巖層；通過長錨索的作用向兩側(cè)煤壁轉(zhuǎn)移，提高頂板巖層的整體穩(wěn)定性；通過調(diào)節(jié)桁架中心與巷道中線間偏移距離，達到不對稱支護的效果[1-2]。

圖1 錨索桁架系統(tǒng)的支護原理

3.2 不對稱支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

為考察錨索桁架支護技術(shù)的控制效果，確定15502 回風(fēng)順槽錨索桁架布置參數(shù)，采用FLAC3D軟件模擬巷道的開挖及支護[3-4]。巷道斷面寬、高為5.6 m、3.6 m，巷道一側(cè)為實體煤，一側(cè)為7 m 小煤柱及采空區(qū)。采用摩爾-庫倫模型，模型邊界尺寸為400 m×180 m×65 m。模擬時首先進行鄰近采空區(qū)的開挖，之后進行巷道的開挖。為確定最優(yōu)的支護參數(shù)，在原支護設(shè)計的錨網(wǎng)支護基礎(chǔ)上，分別設(shè)計4 種錨索長度、4 種桁架跨度、4 種桁架偏心距條件下的錨索桁架支護方案，根據(jù)模擬結(jié)果對比分析進而確定最優(yōu)參數(shù)。首先進行錨索長度的優(yōu)化研究，設(shè)計錨索長度分別為6 m、7 m、8 m、9 m，各錨索長度條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布及表面變形量如圖2。

根據(jù)巷道圍巖塑性區(qū)分布可以看出，隨著錨索長度的增大，巷道頂板及兩幫圍巖塑性破壞區(qū)分布范圍逐漸減小。錨索長度為6 m 時，巷道圍巖塑性破壞范圍很大，頂板最深處為3.4 m，實體煤幫最深處為2.0 m；錨索長度為7 m 時，巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍顯著減小，尤其是巷道實體煤側(cè)肩角處，但頂板最大破壞高度仍達到3.8 m；錨索長度為8 m時，圍巖塑性破壞區(qū)相對于錨索長度7 m 條件下顯著減小，頂板最大破壞深度為2.4 m，實體幫部最大破壞深度2.0 m；錨索長度為9 m 時，巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布與8 m 時基本無明顯差異，說明錨索長度為8 m 較合理。根據(jù)巷道表面變形量變化規(guī)律可知，隨著錨索長度增大巷道表面變形量減小，當(dāng)錨索長度由7 m 增大為8 m 時，巷道表面變形量減小非常明顯，錨索長度增大為9 m，表面變形量減小不明顯，由此說明錨索長度8 m 最為合理。

同理進行桁架錨索跨度1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m 條件下及桁架偏心距200 mm、300 mm、400 mm、500 mm 條件下的模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果整理得到圍巖變形隨參數(shù)變化規(guī)律如圖3?？梢钥闯?，隨著桁架錨索跨度、偏心距的增大，圍巖變形呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢。桁架跨度1.6 m、偏心距為400 mm 為圍巖變形量曲線的拐點，此時巷道圍巖整體變形最小，支護效果最佳，因此建議桁架錨索跨度1.6 m、偏心距400 mm。

圖3 桁架跨度、偏心距對圍巖變形影響模擬結(jié)果

4 應(yīng)用實踐及效果分析

4.1 15502 回風(fēng)順槽非對稱支護方案

基于對15502 回風(fēng)順槽支護方案優(yōu)化研究結(jié)果，設(shè)計錨索桁架布置參數(shù)：錨索規(guī)格Ф17.8 mm×8250 mm，每排3 根，間排距1600 mm×1800 mm，錨索間采用16#槽鋼制作的桁架，長3700 mm。具體支護形式如圖4。

圖4 15502 回風(fēng)順槽支護方案（mm）

4.2 效果考察

15502 回風(fēng)順槽在距開口300 m 處開始采用錨索桁架非對稱支護技術(shù)。為掌握該支護方案現(xiàn)場工況，設(shè)置綜合礦壓監(jiān)測站，整理監(jiān)測數(shù)據(jù)得到巷道表面變形曲線及錨桿、錨索載荷變化曲線如圖5。分析可知，巷道支護完成后，表面變形量隨著距迎頭距離增大而快速增加，距迎頭40 m 時增速開始放緩，距迎頭55 m 以后，表面變形量基本平穩(wěn)不再變化，兩幫最大移近量128 mm，頂?shù)装遄畲笠平?4 mm，控制效果良好；錨桿、錨索載荷在支護完成后先迅速增大而后輕微減小并穩(wěn)定，錨索載荷峰值小于150 kN，錨桿載荷峰值小于90 kN，均在其設(shè)計承載能力范圍內(nèi)，工作性能良好。綜上可得，錨索桁架非對稱支護方案對15502 回風(fēng)順槽圍巖控制效果良好。

圖5 掘巷階段礦壓監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

以興峪煤礦15502 回風(fēng)順槽窄煤柱沿空掘巷為工程背景，通過現(xiàn)場調(diào)研，現(xiàn)有支護條件下圍巖表現(xiàn)為顯著的不對稱變形特征，無法有效控制圍巖變形破壞。提出采用高強預(yù)應(yīng)力錨索桁架進行支護，通過數(shù)值軟件模擬巷道的開挖支護，確定錨索最佳長度8 m，桁架錨索最佳跨度1.6 m、最佳偏心距400 mm。應(yīng)用實踐期間進行礦壓監(jiān)測，巷道表面收斂變形很小，錨桿、錨索載荷穩(wěn)定，工作性能較好，取得良好支護效果。