郝登云，陳?？?，王 龍

對于采用單翼布置或開采強度較大以及地質(zhì)條件復雜的礦井，采掘接替緊張問題較為突出，為了保證正常的采掘銜接，在毗鄰工作面回采的同時，沿上一區(qū)段工作面邊緣相迎掘進下一區(qū)段工作面的回采巷道，便會出現(xiàn)工作面與巷道對采對掘情況[1-3]。此類巷道是在未穩(wěn)定采空區(qū)邊緣和采動應(yīng)力影響下掘進，將承受掘進和采動應(yīng)力等多重應(yīng)力的疊加影響，巷道維護比較困難[4-7]，尤其是特厚煤層放頂煤工作面沿底掘進的回采巷道，該問題更為突出。

圖1 13313工作面回風巷平面位置

孫家溝煤礦因采掘銜接緊張，在13309工作面回采期間，為準備出13311工作面的回采系統(tǒng)，其回風巷就是迎采動掘進，工作面布置如圖1所示。當13311工作面回風巷與13309工作面相距200m左右時，巷道開始變形，甚至出現(xiàn)了小范圍的冒頂現(xiàn)象，直到13309工作面推過150m左右才逐漸趨于穩(wěn)定。13309工作面回采結(jié)束后，13311工作面巷道變形嚴重，部分巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平窟_到了2m左右，不得不多次起底返修，嚴重影響了礦井正常的安全生產(chǎn)。13311工作面回采期間，又要準備13313工作面的回采系統(tǒng)，13313工作面回風巷也不得不迎采動掘進，為了避免出現(xiàn)類似13311工作面回風巷的變形現(xiàn)象，對該巷道合理支護方式和參數(shù)開展研究就顯得十分必要和及時。

1 工程背景

孫家溝礦井已實現(xiàn)機械化開采(一礦一井一面)，采煤方法為走向長壁綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。13313工作面北部50m為原同保煤礦準備巷，南部為13號煤北回風巷，西部為尚未開采的13315工作面，東部為正在回采的13311工作面，工作面走向長1600m，傾斜長150m，開采13號煤層，煤層平均厚度為13m左右，煤層傾角為6°左右，平均埋深約250m。煤層直接頂為黑色泥巖，平均厚度1.93m，含砂質(zhì)泥巖薄層；基本頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，總厚度平均約8.02m，夾砂巖條帶，具滑面；直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.1m；老底為灰色石灰?guī)r，平均厚度2.6m。工作面回風巷為矩形斷面，寬4.8m，高3.6m，沿煤層底板掘進。

2 現(xiàn)場地質(zhì)力學測試

2.1 地應(yīng)力測試

采用水力壓裂的方法對該巷道周圍進行了地應(yīng)力測試，所測區(qū)域最大水平主應(yīng)力16.65MPa，最小水平主應(yīng)力9.15MPa，垂直應(yīng)力5.58MPa，測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域，應(yīng)力場類型為σH>σh>σv，最大水平主應(yīng)力定向北偏西33.6°。而13313工作面回風巷為南北向，因此最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線呈銳角關(guān)系，有利于巷道的維護。由于巷道圍巖最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，在支護設(shè)計時要注重控制巷道頂板圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 煤巖體強度測試

對13313工作面回風巷頂板進行了煤巖體強度測試以及圍巖結(jié)構(gòu)觀察， 13號煤強度主要集中在18～23MPa，直接頂泥巖巖層強度主要集中在48～52MPa，基本頂砂質(zhì)泥巖巖層強度主要集中在55～60MPa，頂板完整性較好，局部存在少量的裂隙。綜合評價13號煤體中硬，有利于巷道維護。

2.3 頂煤及煤幫可錨性測試

2.3.1 幫錨桿拉拔力試驗

巷道圍巖錨桿拉拔力試驗的目的是判定巷道圍巖的可錨性，評價錨桿、樹脂、圍巖錨固系統(tǒng)的性能和錨桿的錨固力。在13313工作面回風巷巷幫進行了錨桿錨固力拉拔力測試，錨桿材質(zhì)為HRB500高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，直徑20mm，共試驗了3根錨桿，其中2根使用了MSCKb2360樹脂錨固劑，另1根使用了MSCKb2380樹脂錨固劑，拉拔力分別達到了159kN，161kN和165kN后，仍保持完好。按照單根錨桿的拉拔力不得低于設(shè)計值的90%計算，幫錨桿錨固力設(shè)計值最少可以達到177kN。

2.3.2 頂煤錨索和巷幫錨索預應(yīng)力試驗

錨索錨固性能試驗采用不同直徑、不同長度、不同型號錨固劑進行了多次試驗，詳細試驗結(jié)果見表1所示。

表1 錨索預應(yīng)力試驗結(jié)果統(tǒng)計

由表1可以看出，長度為5.2m和8.2m的頂煤錨索，其預應(yīng)力能達到313～350kN，為錨索破斷載荷的51%～56%。4.2m長的幫錨索預應(yīng)力可拉到200kN左右，為幫錨索破斷載荷的55%。

2.4 幫錨桿預緊力測試

預應(yīng)力是錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)主動支護最主要的因素之一，確定合理的預應(yīng)力水平是提高巷道錨桿支護效果的重要途徑。通常情況下，錨桿預應(yīng)力是通過給錨桿螺母施加一定的預緊力來實現(xiàn)的，因此，錨桿預緊力是錨桿支護的關(guān)鍵參數(shù)之一。為了掌握井下現(xiàn)場錨桿預緊力情況，在13313工作面回風巷進行了錨桿預緊力測試試驗，錨桿材質(zhì)為HRB500高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，直徑20mm、長度2400mm，共試驗了3根錨桿，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 錨桿桿體預緊力隨螺母扭矩變化

從圖2可知，隨著錨桿螺母扭矩的增大，錨桿預緊力基本呈現(xiàn)直線增長趨勢，當螺母扭矩由100N·m增加到400N·m時，錨桿預緊力增大到60kN左右，達到桿體屈服載荷的38%，屬于比較合理的預緊扭矩。

3 巷道支護參數(shù)設(shè)計

3.1 13313工作面回風巷原支護方案

13313工作面回風巷設(shè)計斷面凈寬4600mm，凈高3400mm，掘進斷面寬4800mm，掘進高度3600mm。

13313工作面回風巷原支護方案為：巷道頂板采用4500mm×220mm×4mm(5眼)W鋼帶，鋼帶上按眼孔布置4根φ21.6mm×12000mm的錨索，錨索墊片為240mm×200mm×80mm(鑄鐵托盤)，錨索錨固劑采用1支MSCKa23120，要求錨索初始張拉力≥250kN。巷道布置1根φ20mm×2000mm HRB335 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，墊片為100mm×100mm×10mm的平托盤，錨桿采用1支MSCKa2380的錨固劑，要求錨固力≥70kN，預緊扭矩≥150N·m。

巷道煤柱幫側(cè)布置4根φ20mm×2000mm HRB335 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距均為1000mm，錨桿墊片為200mm×200mm×8mm，錨固劑采用1支MSCKa2360，要求錨固力≥50kN，預緊扭矩≥120N·m。工作面?zhèn)葞统税疵褐鶐蛡?cè)的支護方案布置錨桿外，每隔3排打設(shè)2根φ17.86mm×5200mm的錨索，并用槽鋼相連，錨固劑采用1支 MSCKa23120，要求錨索張拉力≥160kN。

3.2 巷道支護設(shè)計原則

根據(jù)13313工作面回風巷特定的地質(zhì)和開采條件，在進行錨桿支護設(shè)計時需要堅持以下支護設(shè)計原則[8]：

(1)一次支護 采用足夠高的支護強度與剛度，實現(xiàn)一次支護就能有效控制巷道在整個服務(wù)期間的變形，保證巷道圍巖穩(wěn)定，不需要二次支護和加強支護。

(2)高強度和高剛度的支護系統(tǒng) 對采對掘巷道受強烈動壓影響，圍巖變形大，應(yīng)采用高預應(yīng)力、強力錨桿與錨索支護，甚至是全錨索支護。通過采用高強度錨桿材料及大直徑、大噸位錨索鋼絞線提高支護強度。

(3)高預應(yīng)力 預應(yīng)力是錨桿支護能否有效的關(guān)鍵影響因素，因此，無論是錨索還是錨桿都要采用高預應(yīng)力，實現(xiàn)主動支護，發(fā)揮錨桿支護作用，更重要的是通過施加高預應(yīng)力也提高了支護系統(tǒng)的剛度。

(4)分段支護 對采對掘巷道各段所處的圍巖環(huán)境及受力特征不同，錨桿支護設(shè)計也應(yīng)分段設(shè)計，根據(jù)各段受力特點提出有針對性的錨桿支護方案。

3.3 13313工作面回風巷頂板支護方式選擇

文獻[9]研究結(jié)果表明：錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、張開裂隙等擴容變形與破壞，在錨固區(qū)內(nèi)形成次生承載層，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，避免圍巖有害變形的出現(xiàn)，提高錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性。由于錨索的強度、長度、預應(yīng)力和承載能力遠大于錨桿，因此頂板全錨索支護時形成的次生承載層厚度和強度要比使用錨桿時所形成的次生承載層大得多，其承載能力也顯著提高。

現(xiàn)場應(yīng)用也表明[10]，與采用錨桿支護時相比，松軟煤層碎脹頂板巷道采用高預應(yīng)力、短錨索支護后，頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量分別降低了95%，84%和72%，巷道支護狀況發(fā)生了質(zhì)的變化。

因此，確定采用長短錨索結(jié)合的方式來支護13313工作面回風巷頂板，一種為短錨索，用來代替錨桿，主要作用是對煤層直接頂起組合加固作用，形成厚度遠大于錨桿支護時的次生承載層。另一種為長錨索，主要作用是將短錨索、金屬網(wǎng)和W鋼帶所形成的次生承載層與圍巖的主承載層相連，提高次生承載層的穩(wěn)定性。

3.4 錨索支護作用數(shù)值模擬

根據(jù)13313工作面地質(zhì)資料及地應(yīng)力測試結(jié)果，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對13313工作面回風巷建立了數(shù)值模型，分析支護參數(shù)的變化對巷道圍巖的影響，以選擇合理的支護參數(shù)。模型范圍為長、寬和高分別為100m，20m和30m。模型兩側(cè)限制水平位移，底部限制垂直位移，上部施加覆巖自重應(yīng)力，覆巖壓力5.58MPa。模型采用摩爾—庫侖破壞準則。

固定其余支護參數(shù)，分別改變短錨索長度和短錨索數(shù)量，分析巷道頂板下沉值、兩幫移近量和底鼓情況，其結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 頂板短錨索長度對巷道圍巖變形的影響

圖4 頂板短錨索數(shù)量對巷道圍巖變形的影響

由圖3可以看出，當短錨索長度由3500mm增加到5000mm時，巷道頂板下沉量降低了58.3%，兩幫移近量降低了58.6%，底鼓量降低了54.2%。而當短錨索長度由5000mm增加到6000mm時，巷道頂板下沉量只比5000mm時降低了22.2%、兩幫移近量降低了12.5%、底鼓量降低了5%。由此可見即使短錨索長度增至6000mm，支護狀況與5000mm時相差不大?？梢姡敯宥体^索長度為5000mm左右時比較合理。

已有研究結(jié)果表明[11]，錨索越長，施加的預應(yīng)力水平應(yīng)越大，才能充分發(fā)揮錨索的支護作用，當錨索預應(yīng)力水平在80～150kN時，錨索合理長度為4000～6000mm。隨著預應(yīng)力水平的增加，錨索長度可以適當加長，但錨索長度一般過長，根據(jù)13313工作面回風巷實際地質(zhì)條件，補強的長錨索長度確定為8200mm。

由圖4可以看出，當每排短錨索數(shù)量由2根增加到5根時，巷道頂板下沉量降低了75%，兩幫移近量降低了61.4%，底鼓量降低了26.6%。而當每排短錨索數(shù)量由5根增加到7根時，巷道頂板下沉量只比5根時降低了20%、兩幫移近量降低了15%、底鼓量只降低了6%。由此可見即使將短錨索數(shù)量增至7根，巷道支護狀況與5根時相差不大?？梢姡敯迕颗?根短錨索比較合理。

3.5 支護方案

13311工作面回風巷整體情況與13313工作面回風巷基本相似，13311工作面回風巷與13309工作面相距200m的時候開始整體變形，甚至出現(xiàn)了幾次小范圍的冒頂，直到與13309工作面錯開150m左右才趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵七M量均在2m左右。參考13311工作面回風巷的支護方案及變形情況，再結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出了13313工作面回風巷錨桿支護方案，如圖5所示。

圖5 13313工作面回風巷支護參數(shù)

3.5.1 AB和BC段

AB段巷道雖然掘進時是在實體煤中進行，但當13311工作面回采過來后，該段巷道就成為有煤柱留巷段，要經(jīng)受13311工作面回采動壓影響。BC段為動壓影響段，要經(jīng)受工作面超前和滯后動壓的影響，AB段和BC段的巷道維護都相對困難，這兩段巷道采用相同的支護方案。

頂板支護 短錨索選用φ21.8mm×1×19股高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線，長度為5200mm，每排5根，間距1000mm，排距1000mm。采用1支MSK23120和1支MSCK2335樹脂加長錨固，錨固長度為1890mm。托板采用高強度可調(diào)心W型托板，規(guī)格300mm×280mm×14mm，配套調(diào)心球墊，托板高度不低于50mm，兩凹槽間距210mm，托板承載能力不低于607kN，用雙層經(jīng)緯網(wǎng)進行巷道護頂，所選材料為10號鐵絲，網(wǎng)孔為50mm×50mm，網(wǎng)片為5200mm×1100mm，網(wǎng)片采用搭接方式進行連接，搭接長度100mm，采用16號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣梳辮法隔孔相連，并不得小于3扣。

長錨索布置方式 8200mm的長錨索布置在5200mm的短錨索兩排中間，每排2根，間距2000mm，排距1000mm。材料及錨固方式同短錨索一致。與鋼筋托梁配合使用。托梁采用直徑16mm的鋼筋，長度為2600mm，與W型錨索托板配套使用，鋼筋中對中間距210mm。

錨索全部垂直頂板布置，要求錨索初始張拉力不低于300kN，預緊力損失后不低于180kN。

巷幫支護 錨桿采用φ20mm的HRB500高強度左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2400mm，桿尾螺紋為M22，采用1支MSCKa2360樹脂錨固劑，錨固長度為820mm。螺母為M22的高強錨桿螺母，配合高強托板，調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板為拱型高強度托板，托板尺寸150mm×150mm×10mm，承載能力≥210kN。采用W鋼護板護表，寬280mm，長450mm，厚度不低于4mm。巷幫鋪設(shè)經(jīng)緯網(wǎng)，材料為10號鐵絲，網(wǎng)孔為50mm×50mm，網(wǎng)片為3500mm×1100mm，兩網(wǎng)片之間搭接100mm，采用16號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣梳辮法隔孔相連，并不得小于3扣。每排4根錨桿，錨桿間排距為900mm×1000mm，全部垂直煤幫打設(shè)。錨桿預緊扭矩為400N·m。

煤柱幫每排打設(shè)2根錨索，錨索間排距為1800mm×1000mm。采用錨索為φ17.8mm×1×17股高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線，長度4200mm。承載能力≥353kN，采用1支MSCKa23100樹脂錨固劑錨固，錨固長度1130mm。采用高強度可調(diào)心托板，規(guī)格為300mm×300mm×12mm，高度不低于56mm。幫錨索垂直煤柱幫打設(shè)，錨索初始張拉力不低于200kN，預緊力損失后不低于120kN。

3.5.2 CD段

該階段位于滯后動壓影響段之后，為沿煤柱掘巷段，此時相鄰的13311工作面上覆巖層移動基本結(jié)束，回采引起的側(cè)向支承應(yīng)力也基本趨于穩(wěn)定；同是由于采用了寬煤柱護巷，巷道處于側(cè)向支承應(yīng)力相對較小的區(qū)域，因此，巷道掘進并不會影響到相鄰工作面上覆巖層所形成的巖層結(jié)構(gòu)，因此，與前兩個階段相比，該階段巷道的維護相對容易。該段頂板支護方案及兩幫錨桿支護均與AB和BC段相同，唯一不同是該段巷道煤柱側(cè)的錨索布置，雖然煤柱幫每排仍打設(shè)2根錨索，但錨索間排距調(diào)整為1800mm×2000mm。

4 支護效果觀測與分析

4.1 觀測內(nèi)容及方法

為了掌握對采對掘巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，檢驗13313工作面巷道錨桿支護效果，對13313工作面巷道進行了錨索錨桿受力和巷道圍巖表面位移監(jiān)測。

預計13313工作面回風巷掘進至1400m位置時將與13311回采工作面相遇，在1200m位置處布置表面位置和錨桿索測力計觀測站，隨著13311工作面回采和13313工作面回風巷的掘進，可全面監(jiān)測在上區(qū)段工作面全程動壓影響期間錨索錨桿受力和巷道變形情況。測站包括2個巷道表面位移監(jiān)測斷面，1個錨桿受力監(jiān)測斷面，1個錨索受力測站。

(1)巷道表面位移 巷道表面位移測點采用十字布點法。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蚋縻@直徑28mm、深400mm的孔，將直徑30mm、長400mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測釘，底板和下幫木樁端部安設(shè)平頭測釘。兩監(jiān)測斷面沿巷道軸向間隔1.0m。測點安設(shè)后，立即進行觀測，并將觀測值填入記錄表中。從測站安設(shè)始至13311工作面推過后150m期間，每天觀測2次；其他巷道掘進期間，每天1次，掘巷完成1周后，每周2次。

(2)錨桿(索)受力觀測 錨桿(索)受力采用錨桿測力計進行觀測，觀測斷面上所有錨索和錨桿都安裝測力計，安設(shè)完成后，立即進行觀測，并將觀測值填入記錄表中。隨后測試頻度與表面位移觀測相同。

4.2 觀測結(jié)果分析

典型的監(jiān)測曲線分別見圖6、圖7和圖8。由圖6可以得出，掘進面離13311回采面50m左右時，頂板錨索受力開始增大，隨后隨著與13311回采面靠近，頂板錨索受力逐漸增大。從掘進面與13311回采面相會開始，一直到工作面后方80m左右范圍，錨索受力明顯增加，當巷道位于工作面后方150m以外時，圍巖應(yīng)力重新分布逐漸趨于穩(wěn)定，頂板錨索受力也隨之趨于穩(wěn)定，達到250～300kN，約為錨索破斷力的50%。說明所選錨索強度及預張力大小合適，較好地控制了巷道頂板離層及兩幫圍巖變形。

圖6 頂錨索受力曲線

圖7 幫錨桿受力曲線

圖8 巷道表面位移監(jiān)測曲線

由圖7可知：與巷道頂板錨索受力相比，幫錨桿受力增大的時間要早一些，當掘進面離13311回采面170m左右時，巷道幫錨桿受力即開始增大，隨后隨著離13311回采面距離的減小，巷幫錨桿受力逐漸增大。從掘進面與13311回采面相會開始，一直到工作面后方80m左右，錨桿受力都處于明顯增加階段；當巷道位于工作面后方150m以外時，兩幫錨桿受力趨于穩(wěn)定，達到140～160kN，約為錨桿破斷力的70%。說明所選錨桿強度及預緊力大小合適，較好地控制了巷道兩幫的圍巖變形。

由圖8可知：巷道在實體中掘進階段圍巖變形很小，當掘進面距離13311回采面100m左右時，由于13311工作面超前支承壓力的影響，圍巖應(yīng)力不斷增大，巷道變形量增加，且底板底鼓量明顯大于頂板下沉量，煤柱側(cè)煤幫變形量大于實體煤側(cè)變形量。

從掘進面與回采面相會開始，一直到工作面后方80m左右，巷道變形速度明顯增加，當巷道位于工作面后方150m以外時，巷道表面變形也隨之趨于穩(wěn)定。其中以底鼓最為明顯，達到380mm左右，兩幫移近量達300mm左右，頂板幾乎沒有下沉。

5 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果表明最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線呈銳角關(guān)系，有利于巷道的維護。同時，巷道圍巖最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力，在巷道支護設(shè)計時要注重控制巷道頂板圍巖穩(wěn)定性。

(2)特厚煤層對采對掘巷道是一類比較特殊的巷道，它在成巷過程中及成巷后都要受到相鄰工作面開采動壓的影響，依據(jù)巷道圍巖應(yīng)力特點，可將整條巷道分為3段：第1段為實體煤掘進段，該段后期為有煤柱留巷段；第2段為迎采動掘巷段，可分為超前和滯后動壓影響段，觀測表明，當掘進面距回采面50m時，巷道圍巖開始變形；工作面后方80m左右為劇烈影響階段，該段巷道是支護的重點和難點。第3段為沿煤柱掘巷段。

(3)提出了巷道頂板采用全錨索、兩幫采用錨桿加錨索的高預應(yīng)力強力支護方案，有效地控制了對采對掘巷道圍巖變形破壞。工程實踐表明，巷道頂?shù)装遄畲笠平考s400mm，兩幫移近量380mm，巷道維護狀況良好；取消了先前使用的加點柱和木垛等加強支護措施，降低了支護成本，減輕了工人的勞動強度。