王軍朝，崔千里

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司，山西 陽泉 045000； 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

松軟厚煤層留頂煤動壓巷道掘進(jìn)支護(hù)，一直以來都是巷道支護(hù)研究的重點(diǎn)[1-2]。隨著開采深度和強(qiáng)度的增加，松軟厚煤層留頂煤巷道存在圍巖應(yīng)力大、頂煤隨掘隨冒、圍巖變形破碎等問題，巷道支護(hù)十分困難。尤其當(dāng)巷道受到臨近工作面或采空區(qū)動壓影響時，圍巖控制將變得更加困難，會出現(xiàn)頂板下沉、底板底鼓、兩幫劇烈收縮等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)錨桿錨索破斷、頂板冒落等安全事故[3-4]。國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，提出了多種支護(hù)方式，如聯(lián)合支護(hù)、卸壓支護(hù)及可伸縮錨索支護(hù)等，但仍存在諸多不足之處，如二次返修、圍巖完整性破壞等，需要針對性地研究動壓軟煤巖巷道的變形規(guī)律及圍巖與支護(hù)體協(xié)同作用機(jī)理。本文在分析松軟厚煤層留頂煤巷道變形破壞的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了顯著的效果。

1 地質(zhì)條件

陽泉某礦81206回風(fēng)巷，地面標(biāo)高+1158～+1052m，井下標(biāo)高+711～+733m。試驗(yàn)巷道相鄰工作面回采完畢約1a，保護(hù)煤柱凈寬15m，受動壓影響。該工作面采用綜采放頂煤方法管理頂板，巷道布置如圖1所示。

圖1 巷道布置平面

巷道位于15號煤層，沿煤層底板掘進(jìn)，留頂煤。15號煤層俗稱“丈八煤”，賦存穩(wěn)定，煤層厚度7.1～7.5m，平均7.3m，煤層傾角最小2°，最大12°，平均約7°；煤層堅固性系數(shù)約1.0，節(jié)理、層理發(fā)育。煤層直接頂為黑色泥巖，平均厚度0.9m；基本頂為石灰?guī)r、泥巖互層交錯分布，總厚約12.6m，堅固性系數(shù)3.0～4.0；底板為黑色泥巖，致密，平均厚度0.4m，頂?shù)装鍘r性如圖2所示。

圖2 巷道頂?shù)装鍘r性

采用單孔多參數(shù)耦合快速井下地質(zhì)力學(xué)測試系統(tǒng)，對巷道圍巖地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行井下原位測試。試驗(yàn)巷道所在位置最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力分別為18.6MPa，10.9MPa，10.6MPa，最大主應(yīng)力方向N60.6°E，量值上屬于高應(yīng)力區(qū)。相互垂直的主應(yīng)力差值達(dá)到7.7MPa，圍巖偏應(yīng)力作用顯著。在高地應(yīng)力和大偏應(yīng)力作用下，巷道開挖后，松軟圍巖容易出現(xiàn)擠壓剪切和滑移錯動現(xiàn)象。如圖3所示，煤體單軸抗壓強(qiáng)度平均值為7.0MPa，整體較軟；加上煤層含有瓦斯，絕對涌出量0.79m3/min，煤體松軟破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖整體性和穩(wěn)定性較差。

圖3 煤體單軸抗壓強(qiáng)度曲線

2 圍巖變形特征與支護(hù)參數(shù)分析

2.1 原支護(hù)形式與參數(shù)

頂板采用“主錨索+補(bǔ)強(qiáng)錨索+金屬網(wǎng)+槽鋼”聯(lián)合支護(hù)，主錨索和補(bǔ)強(qiáng)錨索分別為φ21.6mm×7200mm和φ28.6mm×8200mm的鋼絞線，配套14號槽鋼和300mm×300mm×12mm大墊片、200mm×95mm×12mm小墊片。錨索間排距0.8m×0.8m。兩幫采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，每排布置2根錨桿2根錨索，從頂板往下第1，2孔布置錨索，第3，4孔布置錨桿。錨索為φ17.8mm×4200mm鋼絞線，配套“14號槽鋼+300mm×300mm×12mm的大墊片+200mm×95mm×12mm的小墊片”。原方案要求φ28.6mm錨索預(yù)緊力360kN，φ21.6mm錨索預(yù)緊力200kN，φ17.8mm錨索預(yù)緊力150kN；幫錨桿預(yù)緊扭矩不小于120N·m。支護(hù)斷面示意如圖4所示。

圖4 原支護(hù)斷面

2.2 巷道變形與破壞狀況

采用原支護(hù)方式和參數(shù)，巷道變形顯著，圍巖收縮劇烈。部分區(qū)段頂板破碎，凹凸不平，出現(xiàn)鼓包和冒落；幫錨索配套的槽鋼彎曲折斷，煤壁片幫、破碎，出現(xiàn)兜網(wǎng)和錨索后空現(xiàn)象，頂?shù)装逡平畲筮_(dá)1000mm之多，嚴(yán)重部分錨索鎖具下滑或錨索破斷。分析可知，巷道兩幫采用單體錨索配14號槽鋼和平鋼板，沒有把錨索形成有效整體，護(hù)表效果差；加之錨索預(yù)應(yīng)力偏低，巷幫支護(hù)較弱。

2.3 支護(hù)存在問題

(1)支護(hù)系統(tǒng)預(yù)緊力偏低。錨桿、錨索實(shí)際施加預(yù)緊力偏低，加之預(yù)緊力損失，導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生破壞變形而產(chǎn)生大量裂隙，后期補(bǔ)強(qiáng)后雖然預(yù)緊力較高但仍無法有效控制圍巖變形。

(2)護(hù)表面積較小，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果差。由于采用槽鋼和平鋼板進(jìn)行護(hù)表支護(hù)，一方面護(hù)表面積較小，另一方面護(hù)表強(qiáng)度較弱，尤其在松軟破碎煤體巷道中，容易出現(xiàn)頂幫鼓包變形，甚至是破碎圍巖從托板、槽鋼的四周鼓出來并將其掩埋，破壞了圍巖的完整性和承載結(jié)構(gòu)[5]。

(3)巷幫支護(hù)較弱，出現(xiàn) “重頂板、輕兩幫”現(xiàn)象，一方面巷幫支護(hù)強(qiáng)度較低，下部采用支護(hù)力較低的錨桿支護(hù)；另一方面巷幫支護(hù)剛度較低，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果較差。兩幫鼓包變形，支護(hù)能力較差，從而誘發(fā)圍巖深部變形位移；同時也造成水平應(yīng)力對頂?shù)装宓臄D壓破壞，最終導(dǎo)致巷道整體失穩(wěn)破壞。

(4)巷道護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度低、護(hù)表面積小、抗變形能力差，與強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)不匹配。如14號槽鋼，存在抗彎能力差、護(hù)表面積小等缺點(diǎn)；巷幫錨桿平托板無法調(diào)心，且護(hù)表面積較小，無法有效支護(hù)松軟圍巖和實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散。

3 支護(hù)理念與參數(shù)選取

(1)提高預(yù)緊力 高預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場應(yīng)力值大，形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍廣，形成有機(jī)整體，能充分發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)的主動支護(hù)作用和圍巖自承能力。預(yù)應(yīng)力選擇原則是使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)，錨索一般選取其承載能力的50%～70%[6]。

(2)頂幫協(xié)調(diào)支護(hù) 加強(qiáng)巷幫支護(hù)，一方面改善幫部應(yīng)力狀態(tài)和圍巖完整，另一方面也有效抑制水平應(yīng)力對頂?shù)装宓臄D壓破壞作用，減小頂板下沉、底板底鼓。

(3)擴(kuò)大支護(hù)構(gòu)件護(hù)表面積 錨桿錨索預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散對支護(hù)效果起著決定性作用，通過金屬網(wǎng)、托板和鋼帶等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿錨索更遠(yuǎn)的圍巖中，可有效保證圍巖穩(wěn)定，特別是對于松軟破碎巷道表面，即使施加很小的支護(hù)力，也會明顯抑制圍巖的變形與破壞，保持頂幫的完整。

(4)改善支護(hù)系統(tǒng)受力狀態(tài) 通過改進(jìn)護(hù)表構(gòu)件，如抗彎性能優(yōu)越的W鋼帶、調(diào)節(jié)支護(hù)角度的調(diào)心球墊、擴(kuò)大護(hù)表面積的拱形大托板等，改善支護(hù)體受力狀態(tài)，提高預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果，保證圍巖完整和巷道穩(wěn)定[7]。

4 強(qiáng)力支護(hù)材料研發(fā)

4.1 強(qiáng)力錨索

強(qiáng)力錨索是以預(yù)應(yīng)力鋼絞線為原材料，通過壓制攪拌頭和擋圈，并配以夾片式錨具和附件組裝而成。φ21.8mm、1×19股鋼絞線具有承載力大、延伸率高等優(yōu)點(diǎn)，在施加較高預(yù)緊力的同時，還可以獲得較大變形，是比較理想的支護(hù)材料[8]。

4.2 錨索托板

錨索托板由Q235鋼板壓制成型，搭配錨索進(jìn)行巷道支護(hù)， 托板有高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板和高強(qiáng)度W型可調(diào)心托板兩種，型號分別為300mm×300mm×14mm和300mm×280mm×14mm。托板中心拱形部分為高承載力的球形結(jié)構(gòu)，底面平整無翹曲現(xiàn)象。對W型錨索托板承載能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，3個試件最大承載力分別為893.6kN，909.2kN和733.5kN，均大于600kN，可以與錨索強(qiáng)度相匹配。

拱形(或W型)錨索托板配套調(diào)心球墊，一方面托板的承載能力顯著提高，與大噸位錨索強(qiáng)度相匹配，具有一定抗變形能力；另一方面托板可調(diào)心，改善了錨索受力狀態(tài)。另外，W型錨索托板與W型鋼帶配合使用，實(shí)現(xiàn)了材料的高度匹配。

4.3 調(diào)心球墊

在托板與鎖具之間加設(shè)調(diào)心球墊，可有效應(yīng)對巷道表面不平整，改善錨桿錨索受力狀態(tài)。通過球墊與托板之間的半球面接觸，提高支護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)性和支護(hù)效果。

4.4 W形鋼帶

W形鋼帶是用薄鋼板經(jīng)多道軋輥連續(xù)冷彎、滾壓制作而成的型鋼產(chǎn)品。鋼帶在冷彎成型過程中有硬化效應(yīng)，可使鋼帶強(qiáng)度提高10%～15%。W型鋼帶具有護(hù)表面積大、抗彎性能好等優(yōu)點(diǎn)，有利于支護(hù)系統(tǒng)作用范圍擴(kuò)大和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散。

5 井下試驗(yàn)與支護(hù)效果評價

根據(jù)試驗(yàn)巷道現(xiàn)場條件和支護(hù)現(xiàn)狀，在地質(zhì)力學(xué)測試、存在問題分析、參數(shù)選取原則合理確定基礎(chǔ)上，確定采用“高預(yù)應(yīng)力全斷面強(qiáng)力錨索支護(hù)”的綜合圍巖控制方法。

頂板錨索材料為φ21.8mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度6.2m,配套300mm×280mm×14mm高強(qiáng)度可調(diào)心W型錨索托板及對應(yīng)鎖具，托板高度不低于50mm，兩凹槽間距210mm，尺寸和W鋼帶相吻合，承載能力不低于500kN。W鋼帶寬度280mm，厚度4mm，長度4.4m。錨索間排距0.8m×0.9m，初始預(yù)緊力張拉至300kN以上。

巷幫錨索材料為φ17.8mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4.2m，配套300mm×280mm×14mm 的W型托板或300mm×300mm×14mm拱形托板，W型托板與鋼筋托梁相吻合。鋼筋托梁為直徑14mm鋼筋焊接而成，寬度210mm，長度1.4m。錨索間排距1.0m×0.9m，初始預(yù)緊力達(dá)200kN以上。

頂幫錨索均樹脂加長錨固，1支雙速樹脂錨固劑MSCK2340+Z2380；均垂直巖面打設(shè)，允許5°誤差。采用經(jīng)緯金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，材料為10號鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，搭接鋪滿整個巷道表面。巷道斷面支護(hù)布置如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)斷面

掘進(jìn)過程中，對巷道礦壓進(jìn)行了詳細(xì)監(jiān)測。巷道表面位移監(jiān)測曲線如圖6所示，頂板最大下沉量33mm，兩幫最大變形量44mm，相對于巷道斷面尺寸，巷道整體變形較小。巷道變形時間主要集中在掘進(jìn)面40m范圍內(nèi)，之后趨于穩(wěn)定。

圖6 表面位移監(jiān)測曲線

如圖7～8所示，頂板錨索初始預(yù)緊力主要集中在140～210kN之間，錨索受力在第2天迅速增大，然后維持在高受力狀態(tài)直至穩(wěn)定，最大受力約380kN。巷幫錨索初始預(yù)緊力在40～120kN之間，在掘進(jìn)第2天顯著增加，然后趨于穩(wěn)定；個別錨索會出現(xiàn)震蕩式變化，如左幫2號位錨索。巷幫錨索整體受力小于頂板錨索，但頂幫錨索都是在掘進(jìn)面10m范圍內(nèi)急劇變化。

圖7 頂板錨索受力曲線

圖8 巷幫錨索受力曲線

6 結(jié) 論

(1) 高預(yù)應(yīng)力全斷面錨索支護(hù)是實(shí)現(xiàn)圍巖有效控制的關(guān)鍵，需通過頂板協(xié)調(diào)支護(hù)、構(gòu)件合理匹配、維持圍巖完整等措施保證預(yù)應(yīng)力的有效施加和擴(kuò)散。

(2) 加強(qiáng)巷幫支護(hù)，維持巷幫煤體完整性和承載能力，實(shí)現(xiàn)“頂板-巷幫協(xié)同支護(hù)”，恢復(fù)和強(qiáng)化圍巖的承載能力。

(3) 改進(jìn)護(hù)表構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)材料合理匹配，從而改善支護(hù)系統(tǒng)的受力狀態(tài)和支護(hù)效果，保證了巷道安全。

(4) 高預(yù)應(yīng)力全斷面錨索支護(hù)的綜合控制技術(shù)，有效控制了松軟厚煤層留頂煤動壓巷道的圍巖變形，可為類似條件巷道提供有利借鑒。