下分層回采巷道的全錨索支護(hù)技術(shù)研究

李學(xué)鵬

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 高平 048499）

在我國(guó)大中型煤礦中，巷道采用錨桿支護(hù)的比例已超過(guò)90%[1]。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，近些年煤礦巷道的掘進(jìn)速率和支護(hù)效果得到了很大的提高。然而，煤巷錨桿（索）支護(hù)技術(shù)還有很大的發(fā)展空間[2-4]，研究采動(dòng)影響條件下回采巷道錨索支護(hù)，對(duì)快速掘進(jìn)和支護(hù)安全有著重要的意義。長(zhǎng)平煤礦下分層回采巷道現(xiàn)采用鋼棚支護(hù)形式，支護(hù)效果不佳、工作量大、支護(hù)成本高。

1 工程概況

1.1 41052 運(yùn)輸巷位置

長(zhǎng)平煤礦41052 工作面位于3 號(hào)煤層41 采區(qū)西翼，工作面位置如圖1 所示。3 號(hào)煤層厚4.7 m，傾角13°，采用分層開(kāi)采法，上分層厚2.4 m，下分層厚2.3 m。41052 工作面為下分層工作面，北部和西部為上下分層均已回采的采空區(qū)，南部為大巷保護(hù)煤柱，東部為上山保護(hù)煤柱。

圖1 工作面位置示意圖

41052 運(yùn)輸巷位于41051 工作面之下，41051工作面2016 年2 月回采結(jié)束，采空區(qū)存在積水。41052 運(yùn)輸巷長(zhǎng)度為356 m，平均埋深為473 m。

1.2 41052 運(yùn)輸巷頂?shù)装甯艣r

41052 運(yùn)輸巷直接頂為金屬網(wǎng)假頂，基本頂為6.2 m 厚的細(xì)粒砂巖與砂質(zhì)泥巖互層。41052 運(yùn)輸巷的綜合柱狀圖如圖2。

圖2 綜合柱狀圖

1.3 41052 運(yùn)輸巷頂板結(jié)構(gòu)分析

在41052 運(yùn)輸巷中41052 開(kāi)切眼附近進(jìn)行頂板鉆孔窺視，3 號(hào)煤層頂板以上0～4.2 m 圍巖破碎嚴(yán)重，4.2～6.0 m 頂板相對(duì)較好，但6.0 m 處有一處明顯裂隙破碎，6.0 m 以上頂板完好，巖體為整體塊狀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)該礦多個(gè)頂分層工作面回采期間的礦壓觀測(cè)總結(jié)，直接頂冒落高度2～4 m，破斷步距12～17 m，煤層傾斜方向基本頂分段下沉垮落長(zhǎng)度7.5～15 m。根據(jù)多條下分層煤巷頂板鉆孔窺視情況和打鉆過(guò)程排渣情況分析，冒落的破碎帶巖層最大發(fā)育高度為6 m，6 m 往上鉆孔壁趨于完整，裂隙較少，推測(cè)進(jìn)入裂隙帶內(nèi)。

2 下分層回采巷道新型支護(hù)形式的提出

2.1 傳統(tǒng)支護(hù)形式問(wèn)題分析

按照長(zhǎng)平礦以往下分層回采巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，此類(lèi)巷道均采用12#工字鋼棚+工字鋼抬棚被動(dòng)支護(hù)，支架不能提高巷道圍巖的殘余強(qiáng)度，使得巷道松動(dòng)圍巖壓力全部由支架承受。下分層巷道頂板為垮落后重新壓實(shí)和膠結(jié)的頂板，支架在對(duì)巷道徑向圍巖支護(hù)阻力不足時(shí)，頂板會(huì)發(fā)生離層和下沉，圍巖殘余強(qiáng)度會(huì)降低，使得巷道松動(dòng)圈增加，造成巷道變形嚴(yán)重。底板為泥巖時(shí)，在水的作用下，棚腿會(huì)鉆底嚴(yán)重，加劇巷道變形。下分層的弱膠結(jié)頂板在受到采動(dòng)影響后，巷道頂板破碎范圍會(huì)進(jìn)一步增加，工字鋼變形嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)頂梁擋塊脫焊現(xiàn)象，在工作面回采過(guò)程中，需要不斷重復(fù)修棚換棚，支護(hù)成本大大提升。

2.2 新型支護(hù)形式的提出

根據(jù)相鄰采區(qū)下分層回采巷道掘進(jìn)觀測(cè)結(jié)果可知，巷道開(kāi)口后初期頂板破斷前并不淋水，證明此地質(zhì)條件下的下分層巷道頂板已經(jīng)壓實(shí)并膠結(jié)，具有隔水性，推斷其具有一定承載能力。

根據(jù)錨桿支護(hù)的“組合梁”[5-6]，如果采用長(zhǎng)錨索支護(hù)，將錨索錨固在深部中粒砂巖層中，通過(guò)向錨索施加一定的預(yù)應(yīng)力，巷道頂板下部的破碎膠結(jié)層和深部砂巖層可以形成組合梁，巷道兩幫可以看作為組合梁的支點(diǎn)，此種組合梁可以防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，增加了整體的抗彎能力，可以穩(wěn)定支承其上部的巖層載荷。深部裂隙帶的穩(wěn)定巖層對(duì)下部垮落松散層起到懸吊作用。各層間摩擦阻力愈大，整體強(qiáng)度愈大，補(bǔ)強(qiáng)效果愈好。對(duì)于回采巷道揭露的層狀巖體，直接頂均有彎曲下沉變形趨勢(shì)，如果使用錨索及時(shí)將其擠壓，并懸吊在基本頂上，直接頂板就不會(huì)與基本頂離層乃至脫落。

實(shí)施錨網(wǎng)索支護(hù)后，錨索和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)，改善圍巖的力學(xué)性能。下分層煤巷的圍巖錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于破碎區(qū)和塑性區(qū)，錨固后可以提高其殘余強(qiáng)度，可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少兩幫破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。

錨索支護(hù)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化了施工過(guò)程，降低了成本。

2.3 錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)懸吊理論，頂板錨索錨固力最低要能懸吊頂板淺部松散巖體的重力。

1）頂板錨索長(zhǎng)度Lt

式中：La為錨入完整巖體的錨固長(zhǎng)度，取1.5 m；Lb為被懸吊的巖層厚度，取6 m；Lc為索具及托盤(pán)的厚度，一般取0.15 m；Ld為外露長(zhǎng)度，取0.25 m。經(jīng)計(jì)算Lt≥7.90 m。最終，錨索長(zhǎng)度定為8.00 m。

2）頂板錨索直徑

錨索的直徑應(yīng)先按照錨索能承受的最大錨固力進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

式中：φ為錨索的直徑，mm；Fmax為錨索最大錨固力，500 kN；Rm為鋼絞線的抗拉強(qiáng)度，1860 MPa。經(jīng)計(jì)算可得錨索φ=18.50 mm。因此，可選擇直徑為18.9 mm 的錨索。

3）頂板錨索間排距

按照等間排距計(jì)算：

式中：Fmax為最大錨固力，取500 kN；K為1.5～2，取2；γ為懸吊巖石平均容重，取19 000 N/m3；s1、s2為錨索間排距，m。經(jīng)計(jì)算s1=s2=1.48 m?？紤]到此巷道為下分層回采巷道，應(yīng)適當(dāng)減小錨索間排距，頂錨索間排距初定為900 mm×900 mm。

4）通過(guò)懸吊松散層重力驗(yàn)證頂板錨索直徑

式中：W為破碎巖層單位長(zhǎng)度巷道承受頂板的總重力，W=γ×B×Lb，B為巷道寬，4.8 m，經(jīng)計(jì)算，W=547 200 N；n為每排錨索的根數(shù)，取5；Ka為安全系數(shù)，取0.5。經(jīng)計(jì)算φ=12.2 mm。因此，實(shí)際選用錨索的直徑為18.9 mm，符合要求。

5）幫錨索的長(zhǎng)度

巷道兩幫潛在破壞區(qū)寬度由公式（5）計(jì)算：

式中：L1為破壞區(qū)寬度，m；h為巷道高度，取3 m；β為煤層內(nèi)摩擦角，取35°。經(jīng)計(jì)算L1=0.528 m。

幫錨索長(zhǎng)度Lw由公式（6）計(jì)算：

式中：La為錨入完整巖體的錨固長(zhǎng)度，取1.5 m；Lc為索具及托盤(pán)的厚度，一般取0.15 m；Ld為外露長(zhǎng)度，取0.25 m。經(jīng)計(jì)算Lt≥2.428 m。考慮到此巷道為下分層回采巷道，煤層受上分層回采影響，煤層巖體強(qiáng)度有所減弱，巷幫的上半部煤層幫錨索長(zhǎng)度定為4.3 m，下半部巖層幫錨索長(zhǎng)度定為2.5 m。

6）幫錨索的間排距

考慮到施工工藝的統(tǒng)一性，令幫錨索間排距相等為sb，sb≤0.5Lt。經(jīng)計(jì)算sb≤1.214 m。綜合考慮頂幫的統(tǒng)一施工，最終將幫錨索間排距定為900 mm×900 mm。

巷道斷面為梯形斷面，底板寬4800 mm，中線高3000 mm，低幫高2450 mm，高幫高3550 mm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論計(jì)算結(jié)果提出以下支護(hù)方案。

頂板錨索：頂板采用Φ18.9 mm×8000 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索排距為900 mm?？紤]到巷道跨度較大，巷道中間的頂板區(qū)域在受力變形時(shí)彎曲變形將較為嚴(yán)重，拉應(yīng)力區(qū)較大，需要通過(guò)加密中部頂板錨索間距補(bǔ)償壓應(yīng)力，以達(dá)到改善頂板應(yīng)力狀態(tài)的效果。因此，將頂板中間三根錨索的間距定為800 mm，兩側(cè)的兩根錨索間距變?yōu)?000 mm，如圖3 所示。錨索預(yù)緊力不小于200 kN，錨固力不小于500 kN。沿巷道中心線打設(shè)一排單體柱抬棚，單體液壓支柱間距為900 mm。

圖3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖（mm）

幫部錨索：如圖3 所示，煤段采用Φ18.9 mm×4300 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，巖段采用Φ18.9 mm×2500 mm 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索。錨索預(yù)應(yīng)力不小于200 kN，錨固力不小于500 kN。

3 新型支護(hù)方案的數(shù)值模擬效果驗(yàn)證

3.1 模型建立

采用FLAC3D6.0 數(shù)值模擬軟件對(duì)錨網(wǎng)索支護(hù)效果進(jìn)行計(jì)算分析。模型在巷道軸向方向長(zhǎng)為0.9 m，模型尺寸為50 m×50 m×0.9 m，模型頂部邊界施加大小為1.648 MPa 的均布載荷代替頂部巖層，四周限制水平位移，z軸方向限制z方向位移，側(cè)壓系數(shù)均設(shè)為1。

3.2 參數(shù)取值

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖樣采集、實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定后，測(cè)得巖塊物理力學(xué)參數(shù)，再通過(guò)Hoek-Brown 準(zhǔn)則將巖塊物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減得到各巖層巖體的物理力學(xué)參數(shù)，最終巖體的密度ρ、彈性模量Em、泊松比μ、單軸抗拉強(qiáng)度σtm、內(nèi)聚力cm等巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[7]。

3.3 錨網(wǎng)索支護(hù)效果驗(yàn)證

將表1 中參數(shù)帶入數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，錨索支護(hù)參數(shù)完全按照2.3 中的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，最終得到巷道的位移云圖如圖4。對(duì)巷道的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)位置進(jìn)行巷道表面位移量監(jiān)測(cè)，最終得到頂板下沉量為72 mm，底鼓量為230 mm，高幫移近量為42 mm，低幫移近量為35 mm。從數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)后整體的變形量符合安全需求。

圖4 錨網(wǎng)索支護(hù)位移云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

將錨網(wǎng)索支護(hù)方案在41042 運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。巷道掘進(jìn)后，在距開(kāi)口距離為50 m和100 m 位置，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道的表面位移量進(jìn)行觀測(cè)。距開(kāi)口50 m 處巷道頂板下沉量為32 mm，底鼓量為103 mm，高幫移近量為23 mm，低幫移近量為15 mm；距開(kāi)口100 m 處巷道頂板下沉量為46 mm，底鼓量為113 mm，高幫移近量為45 mm，低幫移近量為24 mm。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬的監(jiān)測(cè)結(jié)果比較接近，巷道的變形量可以滿(mǎn)足安全要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)效果

采用錨網(wǎng)索支護(hù)后成本大大減少。傳統(tǒng)工鋼棚支護(hù)單價(jià)為4562 元/m，錨網(wǎng)索新型支護(hù)前期施工中成本為2850 元/m，每米減少投入1712 元。另外，工作面回采時(shí)，采用錨網(wǎng)索支護(hù)可回收全部頂板錨索梁和托盤(pán)，錨網(wǎng)索支護(hù)實(shí)際投入為1463 元/m，成本單價(jià)降低了3099 元/m，全巷預(yù)計(jì)可減少材料費(fèi)投入110 萬(wàn)元。

采用錨網(wǎng)索支護(hù)后，勞動(dòng)組織方式得到了優(yōu)化，相較于工鋼棚支護(hù)每班減少卸、運(yùn)工鋼棚人員，減少了后期巷道修理人員，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全系數(shù)。

5 結(jié)論

1）通過(guò)總結(jié)分析長(zhǎng)平煤礦下分層回采巷道傳統(tǒng)支護(hù)形式的缺點(diǎn)，提出新的錨索支護(hù)方案；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論計(jì)算的方法，確定了錨索支護(hù)方案。

2）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了41052 運(yùn)輸巷模型，對(duì)錨網(wǎng)索支護(hù)效果進(jìn)行模擬分析，證明了錨網(wǎng)索支護(hù)方案的可行性。

3）將所確定的錨網(wǎng)索支護(hù)方案應(yīng)用于41052運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)施工，巷道掘進(jìn)后變形量可以滿(mǎn)足安全要求，證明下分層回采巷道在頂板膠結(jié)較好時(shí)，可以采用錨索梁+金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，可為同等條件下工程提供借鑒和參考。