張 超

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 寺河煤礦，山西 晉城 048019)

·試驗(yàn)研究·

復(fù)雜應(yīng)力影響下大巷支護(hù)技術(shù)研究

張 超

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 寺河煤礦，山西 晉城 048019)

以山西晉城煤業(yè)集團(tuán)公司寺河礦二號井97采區(qū)盤區(qū)97102巷為工程背景，對巷道在原有支護(hù)方式下圍巖的變形進(jìn)行分析，提出了預(yù)應(yīng)力"鳥窩"錨索、蛇形錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。該技術(shù)的研究結(jié)果表明：提高了支護(hù)系統(tǒng)對巷道圍巖的支護(hù)效果，巷道兩幫移近量僅為原支護(hù)方式的三分之一，頂?shù)装逡平繛樵ёo(hù)方式的70%；巷道圍巖的整體性及抗變形能力得到極大地提高，并為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的依據(jù)。

“鳥窩”錨索；蛇形錨桿；聯(lián)合支護(hù)；抗變形能力

礦井開采深度逐漸增大，巷道圍巖較淺部的變形、失穩(wěn)及破壞現(xiàn)象更加明顯，過去單一的支護(hù)方式將無法滿足深部巷道支護(hù)的需要，因此有必要采用組合支護(hù)形式。我國許多專家學(xué)者對組合支護(hù)形式進(jìn)行了研究。將耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于軟巖復(fù)合頂板突出煤層巷道，有效解決了巷道的支護(hù)問題[1]；康虹等[2]采取錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)解決深部松軟破碎煤層巷道支護(hù)問題；牛福龍[3]將錨桿錨索變形匹配技術(shù)應(yīng)用于巷道支護(hù)；李書民等[4]將錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于深部回采巷道中；何宗禮等[5]用預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)技術(shù)解決這類高應(yīng)力破碎圍巖巷道的支護(hù)問題；在錨桿-錨索支護(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，只有使錨索與錨桿協(xié)同配合，才能使錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)的效果達(dá)到最優(yōu)[6]. 基于此，本文以山西晉城煤業(yè)集團(tuán)公司寺河礦二號井97采區(qū)97102盤區(qū)大巷高強(qiáng)錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)為研究對象，以提高巷道穩(wěn)定性，減少巷道圍巖的變形量。

1 工程概況

97102巷為山西晉城煤業(yè)集團(tuán)公司寺河礦二號井97采區(qū)盤區(qū)大巷，巷道上部3#煤為小煤窯破壞區(qū)，東為已掘進(jìn)的97102巷；西為實(shí)體煤；南為實(shí)體煤；北為實(shí)體煤。97102巷斷面呈矩形，掘進(jìn)寬度為5.2 m，高3.2 m，掘進(jìn)斷面積為16.64 m2.

9#煤層位于石炭系太原組中部，含夾矸0～2層，直接頂板為3.3 m粉砂巖，局部地段為石灰?guī)r，老頂為5.3 m的細(xì)砂巖，底板為0.8 m的石灰?guī)r。9#煤層頂部距3#煤層51 m左右。9#煤層較穩(wěn)定，煤層厚度平均為1.42 m，平均傾角為5°，煤層結(jié)構(gòu)簡單。

2 巷道原支護(hù)方式及巷道變形觀測

2.1 巷道原支護(hù)方式

97102巷主要采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，鋼筋托梁采用d12 mm鋼筋焊接而成，寬度100 mm，長度2 300 mm、4 700 mm.

頂板：錨桿排距1 200 mm，間距1 100 mm/1 200 mm，每排5根錨桿；錨索排距為2 400 mm，間距為2 400 mm.

兩幫：錨桿排距1 200 mm，間距1 100 mm，錨桿距頂距離為500 mm.原支護(hù)方案見圖1.

圖1 原巷道支護(hù)示意圖

2.2 巷道變形觀測

為觀測巷道的變形規(guī)律，為下一步對巷道支護(hù)方式改進(jìn)提供依據(jù)，采用“十字”布點(diǎn)法觀測巷道表面變形。沿大巷掘進(jìn)方向每掘進(jìn)50 m布置一個(gè)測試斷面。原支護(hù)方式巷道表面位移見圖2.

圖2 原支護(hù)方式巷道表面位移曲線圖

由圖2可以看出，原有支護(hù)方式下，巷道兩幫移近量為550 mm，頂?shù)装逡平繛?01 mm. 巷道圍巖的變形量大，該巷道條件不能滿足礦井的正常生產(chǎn)。因此，對原支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)，提高巷道的支護(hù)效果，降低巷道的維修成本是很有必要的。

3 巷道圍巖變形分析

97102巷受到上覆3#煤層開采時(shí)留下的殘留煤柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造以及回采動壓等多重因素的影響，巷道礦壓顯現(xiàn)比較明顯。

巷道在受到上覆殘留煤柱的應(yīng)力集中影響后，應(yīng)力通過頂板傳送給巷道圍巖，通過巷道頂?shù)装寮皟蓭歪尫懦鰜恚瑢?dǎo)致巷道圍巖發(fā)生變形，特別是巷道兩幫的變形量較大。

圍巖既是被支護(hù)的對象，又是支護(hù)體的一部分。錨桿支護(hù)必須把圍巖和錨桿系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮。合理的支護(hù)設(shè)計(jì)必須保證圍巖整體性的前提下具有一定的變形讓壓性能，從而保護(hù)支護(hù)體具有變形耦合和讓均壓能力。根據(jù)傳統(tǒng)理論，圍巖應(yīng)力-變形特性曲線見圖3.

圖3 圍巖應(yīng)力和變形特性曲線圖

在靜壓力條件下，從圖3可以看出，從支護(hù)角度將曲線分為3個(gè)區(qū)：

1) A區(qū)：圍巖處于彈性變形階段，圍巖整體性較完好，變形量小。支護(hù)體的工況點(diǎn)應(yīng)設(shè)在低位(60 t/m)，錨桿支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該具有最小讓壓距離20 mm.

2) B區(qū)：圍巖基本處于彈塑性變形階段，基本保持穩(wěn)定，彈塑性變形區(qū)沒有超過錨桿的支護(hù)范圍，錨桿系統(tǒng)仍然起到支護(hù)作用。

3) C區(qū)：圍巖破壞，支護(hù)系統(tǒng)承受破碎巖石的靜載荷。若錨桿系統(tǒng)的支護(hù)范圍小于破壞范圍，則錨桿系統(tǒng)受力將變?yōu)?，徹底失去其支護(hù)作用，錨桿支護(hù)系統(tǒng)將與圍巖一起移動。

支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到保證巷道長期穩(wěn)定、適應(yīng)回采工作面的動壓需求及地質(zhì)條件變化的目的。因此需在原有巷道支護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)，特別是對錨桿、錨索進(jìn)行改進(jìn)，提高其抗變形、讓壓性能，可以提高對巷道的支護(hù)效果。

4 改進(jìn)后巷道支護(hù)方式及巷道變形觀測

在上述理論的基礎(chǔ)上，對錨桿進(jìn)行改進(jìn)，采用蛇形錨桿，提高錨桿的可變形性、讓壓性能，見圖4；采用快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索，提高錨索的錨固力、錨固范圍及讓壓性能，見圖5.

圖4 蛇形錨桿示意圖

圖5 快裝高預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索示意圖

4.1 巷道改進(jìn)后支護(hù)方式

改進(jìn)后的巷道支護(hù)方式為：預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索、蛇形錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

頂板：錨桿排距1 200 mm，間距1 100 mm，每排5根錨桿，錨桿150 mm×150 mm×8 mm高強(qiáng)托盤；錨索采用“三花”布置，排距為2 400 mm，間距為2 200 mm，300 mm×300 mm×10 mm高強(qiáng)托盤。

改進(jìn)后的支護(hù)方案見圖6.

圖6 改進(jìn)后的巷道支護(hù)示意圖

4.2 支護(hù)方式改進(jìn)后巷道變形觀測

為觀測巷道的變形規(guī)律，確定改進(jìn)后的支護(hù)方式對巷道的支護(hù)效果，采用“十字”布點(diǎn)法觀測巷道表面變形。沿大巷掘進(jìn)方向每掘進(jìn)50 m布置一個(gè)測試斷面。支護(hù)方式改進(jìn)后巷道表面位移見圖7.

圖7 支護(hù)方式改進(jìn)后巷道表面位移曲線圖

由圖7可以看出，對支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)后，巷道圍巖變形在距工作面100 m后趨于穩(wěn)定，巷道兩幫移近量為170 mm，頂?shù)装逡平繛?0 mm. 巷道圍巖的變形量較原支護(hù)形式有大幅的降低，巷道兩幫移近量僅為原支護(hù)方式的1/3，頂?shù)装逡平繛樵ёo(hù)方式的70%，取得了良好的支護(hù)效果。

5 結(jié) 論

本文提出了預(yù)應(yīng)力“鳥窩”錨索、蛇形錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)提高了支護(hù)系統(tǒng)對巷道圍巖的支護(hù)效果，巷道兩幫移近量僅為原支護(hù)方式的1/3，頂?shù)装逡平繛樵ёo(hù)方式的70%，保證了巷道長期正常安全使用；通過該技術(shù)巷道圍巖的整體性及抗變形能力得到極大地提高，有效地解決了復(fù)雜應(yīng)力影響下巷道支護(hù)技術(shù)難題，并為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的依據(jù)。

[1] 黃 銳，郭 琪，馬 馳，等.大變形巷道彈性錨噴混凝土耦合支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2012,22(7):95-100.

[2] 康 虹，胡尚斌，陳 建，等.復(fù)雜地質(zhì)條件下回采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新,2015(20):84-85.

[3] 牛福龍.錨桿錨索變形匹配技術(shù)在巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(6):29-33.

[4] 李書民，孫小巖，白楊楊.深部回采巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(1):39-41.

[5] 何宗禮，陳高君.煤礦深部巷道預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(3):35-38.

[6] 李春生.深部大巷圍巖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械管理開發(fā),2015,30(7):33-36.

ResearchonSupportTechnologyofRoadwayinInfluenceofComplexStress

ZHANGChao

Taking the engineering of No.97102 roadway in Sihe mine, Jincheng coal industry group, Shanxi Province as the case for research. After analyzing the original surrounding rock deformation, the paper proposed the joint support scheme of pre-stress "bird's nest" plus anchor, snake shaped bolt and metal net comprehensive technology. The results showed that the two sidewall deformation reduced by 2/3 and the convergence between roof and floor decreased by 30% respectively compared with the originals. This technique improved the effect of support system on roadway surrounding rock, increased the integrity of surrounding rock and its ability to resist deformation, and provided a new basis for support .

Bird's nest anchor; Snake shaped bolt; Combined support; Deformation resistance

2017-08-16

張 超(1988—)，男，山西晉城人，2011年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作

(E-mail)liuchengwei0128@163.com

TD353

B

1672-0652(2017)11-0039-04