孫晉鵬 楊利偉 孫艷清

（1.棗礦集團(tuán)中興建安工程有限公司，山東 棗莊 277000；2.棗礦集團(tuán)濱湖煤礦，山東 棗莊 277000）

1 實(shí)施的背景

工作面順槽巷道支護(hù)強(qiáng)度隨著采深增加而增大，支護(hù)工序占用工時(shí)比重不斷增加，制約掘進(jìn)單機(jī)水平提升。局部區(qū)域的圍巖松動(dòng)圈及壓力分布情況不能全面掌握，雖采取“錨網(wǎng)索+架棚”的復(fù)合支護(hù)仍然不能較好地解決巷道頂板破碎、底鼓等難題。濱湖煤礦對(duì)16煤深部圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，在16117材料巷實(shí)施“高強(qiáng)度、低密度”深部巷道支護(hù)工藝，取得較好成果。

2 不同條件下支護(hù)方案的確立

在巷道支護(hù)技術(shù)方面，根據(jù)不同地質(zhì)條件，本著因地制宜、注重實(shí)效的原則，相繼進(jìn)行了一系列的優(yōu)化創(chuàng)新，具體分為四個(gè)階段：

（1）埋深-500m以上的裸體支護(hù)工藝。埋深在-500m以上161西采區(qū)上部5個(gè)工作面、161東采區(qū)的工作面，頂板均為裸體支護(hù)，這種支護(hù)工藝簡(jiǎn)單，用時(shí)少，有利于掘進(jìn)水平提升，但易造成頂板局部不穩(wěn)定。

（2）埋深在-500m～ -550m的“中強(qiáng)度、低密度”支護(hù)工藝。161西采區(qū)中部標(biāo)高在-500m～ -550m之間的8個(gè)工作面，工作面順槽采用錨桿支護(hù)工藝，支護(hù)工序用時(shí)略有增加，對(duì)掘進(jìn)單進(jìn)水平影響不大，頂板相對(duì)較穩(wěn)定。

（3）埋深在-550m～ -650m的“高強(qiáng)度、中密度”支護(hù)工藝。161西采區(qū)下部標(biāo)高在-550m～ -650m之間的3個(gè)工作面，圍巖壓力明顯增大，工作面順槽采用“錨網(wǎng)索”全錨支護(hù)工藝，增加了巷道支護(hù)的可靠性，缺點(diǎn)是增加工序，用時(shí)較多，制約單進(jìn)水平提升。

（4）-650m以下的“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)工藝。隨著采深的增加，支護(hù)改革及時(shí)跟進(jìn)，雖然總結(jié)出一系列深部圍巖分布規(guī)律，但在16111、16115運(yùn)輸巷沿空送巷施工時(shí)，仍出現(xiàn)前掘后整、多次擴(kuò)修的現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)研學(xué)習(xí)，目前正在施工的16117材料巷創(chuàng)新實(shí)施了“高強(qiáng)度、低密度”頂板全錨索支護(hù)技術(shù)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，效果顯著。

3 “高強(qiáng)度、低密度”頂板全錨索支護(hù)

在16煤深部應(yīng)力集中區(qū)頂板采用全錨索支護(hù)技術(shù)尚屬首次，沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)可以參考，完全借鑒到其他煤礦調(diào)研學(xué)習(xí)的注漿錨索支護(hù)技術(shù)，并委托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究分析深部開(kāi)采圍巖變形破壞機(jī)理，制定切實(shí)可行的圍巖控制技術(shù)方案。在此基礎(chǔ)上礦成立了技術(shù)攻關(guān)小組，抓好該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施、觀測(cè)、研討、改進(jìn)等工作。通過(guò)在施工過(guò)程中不斷檢驗(yàn)、修正支護(hù)參數(shù)，取得了較好的效果。

3.1 方案確立依據(jù)

3.1.1 對(duì)比法論證

在16111材料巷、16115材料巷沿空送巷施工時(shí)，頂板錨桿錨固長(zhǎng)度為2m，幫錨錨固長(zhǎng)度為1.6m，掘進(jìn)期間幫部變形、底鼓現(xiàn)象較輕，最大變形量約為0.3m，頂板壓力始終相對(duì)穩(wěn)定，完整性好。在工作面推采工程中，由于超前壓力影響，幫及底板變形量變大，最大至0.5m，超前段頂板整體下沉。為此，在施工16117材料巷時(shí)，頂幫均需增加錨固深度，提高支護(hù)的可靠性。

3.1.2 深部圍巖破碎機(jī)理觀測(cè)法

在鄰近的16112材料巷合理布置觀測(cè)站，實(shí)測(cè)圍巖松動(dòng)圈、錨桿受力、頂板巖層離層等圍巖變形破壞關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，掌握在深部開(kāi)采條件下巷道變形破壞規(guī)律。

通過(guò)對(duì)4個(gè)測(cè)站、24個(gè)鉆孔進(jìn)行測(cè)試，測(cè)站Ⅰ鉆孔揭示的松動(dòng)圈范圍0～1m，測(cè)站Ⅱ鉆孔揭示的松動(dòng)圈范圍0～1.5m，測(cè)站Ⅳ鉆孔揭示的松動(dòng)圈范圍0～1m?？梢钥闯觯牧舷镯敯宓耐暾暂^差（測(cè)站Ⅲ除外），頂板局部區(qū)域有破碎、離層或裂隙發(fā)育現(xiàn)象。大的破碎帶多位于1m以?xún)?nèi)，離層及裂隙發(fā)育帶多位于2m以?xún)?nèi)，所設(shè)計(jì)巷道圍巖為較穩(wěn)定圍巖，屬中松動(dòng)圈，未經(jīng)過(guò)松動(dòng)圈測(cè)試的巷道可參考相似巷道實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1、圖2。

3.1.3 建立簡(jiǎn)單連續(xù)梁模型論證

巷道開(kāi)挖后，頂板的應(yīng)力發(fā)生改變重新分布，應(yīng)力由零增加到應(yīng)力峰值，然后由應(yīng)力峰值降低，慢慢降低到原巖應(yīng)力。依據(jù)巷道周邊的應(yīng)力改變規(guī)律，劃分出來(lái)幾個(gè)區(qū)域，破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，通過(guò)支護(hù)的合理選擇將巷道圍巖控制在彈性區(qū)范圍內(nèi)。

圖 1 裂隙和離層帶示意圖

圖2 頂板鉆孔成像柱狀圖

圖3 錨桿支護(hù)巷道受力簡(jiǎn)圖

圖4 全錨索支護(hù)巷道受力簡(jiǎn)圖

由于巷道是對(duì)稱(chēng)的矩形，因而簡(jiǎn)化的梁兩端受力也是對(duì)稱(chēng)的。梁的兩端受巷道圍巖固定，因而將梁看做固支梁。其中梁的厚度為h，梁的長(zhǎng)度為l，巷道的跨度為l1，巷道一幫距梁端距離為l2，巷高為b。通過(guò)對(duì)比分析，采用全錨索支護(hù)后（見(jiàn)圖4），頂板加固拱厚度、跨度增加，最大應(yīng)力區(qū)向巷道兩側(cè)推移，幫部雖有變形，但相對(duì)于圖3變形量較小。

3.1.4 理論分析計(jì)算

當(dāng)松動(dòng)圈大于1.5m時(shí)，一般采用組合拱理論計(jì)算，當(dāng)松動(dòng)圈小于1.5m時(shí)，選用懸吊理論計(jì)算，因本礦的實(shí)測(cè)松動(dòng)圈均小于1.5m，所以可使用懸吊理論計(jì)算。

懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上，阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，根據(jù)錨桿懸吊的不穩(wěn)定巖層重量計(jì)算錨桿直徑和間排距。

（1）錨桿長(zhǎng)度

錨桿長(zhǎng)度用下式計(jì)算：

式中：

L-錨索長(zhǎng)度，m；

LP-圍巖松動(dòng)圈厚度，1.5m；

L1-錨索錨入松動(dòng)圈以?xún)?nèi)穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取0.5m；

L2-錨索在巷道中的外露長(zhǎng)度（包括錨具長(zhǎng)度），一般取0.35m。

（2）錨桿錨固力與直徑

錨桿錨固力應(yīng)不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量，用下式計(jì)算：

式中：

Q-錨桿錨固力，kN；

K-安全系數(shù)，一般取1.5～2；

ɑ1、ɑ2-錨桿間排距，m；

γ-不穩(wěn)定巖層平均容重，kN/m3。

如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑可由下式得出：

式中：

Q-錨索設(shè)計(jì)錨固力，300kN/根；

Δ-錨索材料抗拉強(qiáng)度。

（3）錨桿間排距

當(dāng)錨桿間排距相等時(shí)，即ɑ=ɑ1=ɑ2，則間排距為：

式中：

ɑ-錨索間排距，m；

Q-錨索設(shè)計(jì)錨固力，kN；

LP-道頂板被懸吊擠壓的破碎巖體厚度,m；

γ-被懸吊巖石的容重；

K-安全系數(shù)；

3.2 確立方案

經(jīng)驗(yàn)算，16117材料巷頂板采用全錨索支護(hù)，錨索規(guī)格Φ21.8×4000mm，間排距1.5×1.5m，錨索盤(pán)規(guī)格300×300×16mm，錨注3根錨固劑。幫部采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格Φ18×2000mm全螺紋錨桿，間排距1100×1300mm，錨桿盤(pán)規(guī)格250×250×12mm。錨索預(yù)緊力不低于200 kN，幫部錨桿預(yù)緊扭矩不小于150N·m。可根據(jù)頂幫變化情況，技術(shù)修改變更支護(hù)參數(shù)。

4 方案實(shí)施及效果分析

4.1 方案實(shí)施

16117 工作面東臨16115工作面采空區(qū)，16117材料巷與采空區(qū)留設(shè)5m煤柱沿空送巷，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1620m，標(biāo)高在-670m～-740m 之間，施工期間沿16煤頂板灰?guī)r掘進(jìn)，煤厚度平均1.3m，頂板為十下灰?guī)r，平均厚度4.5m，硬度系數(shù)大于6，底板為砂質(zhì)泥巖，遇水膨脹。自8月份實(shí)施錨索代替錨桿、配合大錨盤(pán)護(hù)幫支護(hù)工藝以來(lái)，已施工約300m，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，效果顯著。

4.2 施工工藝流程

（1）打錨索孔：鉆頭Ф29mm，鉆孔要直，錨索鉆孔施工的過(guò)程中，必須保證“三徑”（鉆孔Φ29mm、錨索Φ21.8mm、藥卷Φ23mm）合理匹配。

（2）錨固：錨索鉆孔施工完畢后，立即安裝樹(shù)脂藥卷，并保證樹(shù)脂藥卷推到孔底，推進(jìn)鋼絞線擠壓樹(shù)脂藥卷入孔底，攪拌30s，保證鋼絞線深入孔底。

（3）安裝錨索盤(pán)、錨具：裝上大錨索托板，卡緊鎖具并將其托到緊貼頂板。

（4）張緊：錨固15min后進(jìn)行初次緊固，安裝預(yù)緊力不得低于200kN。

5 效果

（1）-650m以深巷道頂幫圍巖得到了更為有效的控制，避免了前掘后整“多次擴(kuò)修”的被動(dòng)局面，以16111材料巷、16115材料巷后期擴(kuò)修為例，可減少4個(gè)月、減少投入1支掘進(jìn)隊(duì)伍的整修量。

（2）簡(jiǎn)化了支護(hù)工序占用時(shí)間，每米減少鉆孔施工長(zhǎng)度6m，減少工序用時(shí)20min/m，較原先可提高單進(jìn)6m/d，有效地促進(jìn)了單進(jìn)水平的提升。

（3）經(jīng)濟(jì)效益可觀，單從支護(hù)材料費(fèi)用計(jì)算，取消頂板錨桿使用錨索支護(hù)后，每米可節(jié)省投入約120元，僅8月份節(jié)約材料費(fèi)用3.6萬(wàn)元。

（4）支護(hù)工作量大大降低，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了工人的幸福指數(shù)。