寧 勇，王 斌, 2, 3，馮 濤，郭澤洋

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高地應(yīng)力下大斷面煤巷防沖錨固控制技術(shù)*

寧 勇1，王 斌1, 2, 3，馮 濤1，郭澤洋1

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭市 411201)

針對現(xiàn)有支護(hù)方法未能有效解決深部高地應(yīng)力條件下沖擊危險(xiǎn)煤巷沖擊地壓的問題，以及錨桿和錨索耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)常發(fā)生破斷失效特征的現(xiàn)場實(shí)際情況，采用“錨帶網(wǎng)索+錨索梁+槽鋼梁配錨索護(hù)幫”的防沖錨固控制技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，巷道表面位移和頂板離層都得到了有效控制，起到了良好的支護(hù)和加固作用，具有良好的推廣及應(yīng)用前景。

高地應(yīng)力；大斷面煤巷；沖擊地壓；防沖錨固控制技術(shù)

0 引 言

隨著我國煤炭現(xiàn)代機(jī)械化開采技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對大尺寸斷面巷道的需求日趨顯著[1?2]，而煤巷斷面尺寸的加大又會導(dǎo)致巷道圍巖的變形增大、礦壓顯現(xiàn)加劇。尤其在深部高地應(yīng)力礦井中，對沖擊大變形巷道使用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時，強(qiáng)烈沖擊條件下大變形巷道支護(hù)要求已遠(yuǎn)不能被現(xiàn)有的支護(hù)結(jié)構(gòu)所滿足，錨桿、錨索主要表現(xiàn)為2種破壞形式：錨桿和錨索在巷道圍巖變形過程中未能達(dá)到協(xié)同支護(hù)導(dǎo)致兩者依次被毀壞；沖擊下的錨桿和錨索支護(hù)體系都遭到嚴(yán)重?fù)p壞。導(dǎo)致巷道頂板冒落，甚至造成巷道整體堵塞的現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，極大地增加了巷道圍巖的支護(hù)難度[3?4]。

大量工程實(shí)踐表明[5?9]，采用高預(yù)應(yīng)力和高強(qiáng)度的錨桿、錨索支護(hù)對大斷面煤巷圍巖的變形破壞具有良好的控制效果。但支護(hù)參數(shù)及工藝的選取不同，造成錨網(wǎng)索的整體支護(hù)效果也不盡相同，不盡合理的支護(hù)參數(shù)則難以滿足控制沖擊煤巷圍巖的大變形、強(qiáng)沖擊等要求，很多學(xué)者就此開展了大量的研究。潘一山等[10]針對傳統(tǒng)支護(hù)理論、方法不能有效解決現(xiàn)有煤巷沖擊地壓的問題，提出了在沖擊地壓巷道支護(hù)中可提高支護(hù)體系的整體剛度和快速吸能讓位支護(hù)兩個不同于傳統(tǒng)的支護(hù)方法。王平等[11]結(jié)合已有支護(hù)系統(tǒng)在強(qiáng)沖擊大變形巷道中頻繁出現(xiàn)的錨桿、錨索破斷問題，研究分析了錨桿和錨索耦合支護(hù)的協(xié)調(diào)防沖原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并給出了相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。姚精明等[12]在深部沖擊地壓巷道圍巖難以控制的問題上提出了在沖擊地壓巷道中采用桁架錨索-錨桿聯(lián)合支護(hù)的新方法，并基于抗沖擊效果研究了其與普通單體錨索的異同點(diǎn)。金戈等[13]針對永安煤礦某礦壓顯現(xiàn)煤巷的現(xiàn)場變形規(guī)律提出了“錨桿+錨索”的聯(lián)合支護(hù)方式，取得了一定的工程效果。

綜上所述，高地應(yīng)力下大斷面煤巷防沖錨固控制技術(shù)的關(guān)鍵在于須選用同時具有大變形、高強(qiáng)度、協(xié)同支護(hù)和防沖擊特性的錨桿和錨索等支護(hù)體系，基于這種支護(hù)理念，本文以某煤礦深部運(yùn)輸平巷為例，提出“錨帶網(wǎng)索+錨索梁+槽鋼梁配錨索護(hù)幫”的加強(qiáng)支護(hù)措施。

1 地質(zhì)及開采條件

以海平面為基準(zhǔn)，?810水平地面標(biāo)高為+43 m，二采區(qū)井下標(biāo)高?920~?891 m，上平巷地面投影為工作面地面塌陷區(qū)，走向338°~16°，傾向68°~106°。

可采的3煤層為穩(wěn)定煤層，煤層傾角2°~8°，本區(qū)域煤巖層大致為一走向近南北的寬緩向斜構(gòu)造。根據(jù)物探資料及附近巷道實(shí)際揭露，巷道在掘進(jìn)過程中將先后揭露落差為2 m、落差10.3 m(FD6斷層)、落差5 m、落差2 m及落差1.5 m斷層，并且局部可能發(fā)育隱伏小斷層，對掘進(jìn)影響較大。延展長度983 m，傾向東，傾角70°，落差0~10 m。下平巷掘進(jìn)及工作面回采過程中均過該斷層，預(yù)計(jì)上平巷掘進(jìn)過程中將揭露該斷層，屆時揭煤層下跳，預(yù)計(jì)落差10.3 m，對掘進(jìn)影響較大。表1給出了各頂?shù)装宓拿Q及其巖性特性。

2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 前期礦壓監(jiān)測

礦壓觀測顯示，運(yùn)輸平巷在正常掘進(jìn)期間的頂板離層量最大值是36 mm，水平位移量最大值是90 mm，垂直位移量的最大值是112 mm；根據(jù)實(shí)測的礦壓數(shù)據(jù)分析，上平巷在同煤層和不受采動應(yīng)力影響的情況下，預(yù)計(jì)在施工過程中巷道變形量與相鄰巷道相同，在斷層帶時，往往造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨固力下降，支護(hù)強(qiáng)度也隨之減弱。所以，應(yīng)該提前采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施以達(dá)到提高巷道支護(hù)強(qiáng)度的目的。

表1 頂?shù)装鍘r性特性

2.2 巷道斷面的確定

根據(jù)巷道周圍巖石的特性、巷道圍巖壓力以及巷道的服務(wù)總年限，巷道斷面形式采用矩形斷面。為滿足運(yùn)輸平巷的運(yùn)輸、行人、通風(fēng)、管線鋪設(shè)的眾多需要，最終確定矩形巷道斷面的尺寸如下：凈寬度為4.8 m，凈高度為4 m，凈斷面面積為19.2 m2，開挖斷面面積為20.5 m2。

2.3 支護(hù)參數(shù)的確定

錨桿支護(hù)作為一種具有良好支護(hù)效果的主動支護(hù)措施，其支護(hù)阻力也可隨圍巖變形的增大而不斷增加，可與錨固區(qū)內(nèi)的巷道圍巖共同作用形成協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)；錨索錨固具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大預(yù)緊力等一系列優(yōu)點(diǎn)，同樣是加固巷道圍巖不可或缺的支護(hù)手段；對于破碎巖塊的支護(hù)，?？刹捎靡恍╀搸?、鋼筋托梁、網(wǎng)等構(gòu)件與錨桿一起配套使用，以加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度(見圖1)。

巷道支護(hù)形式為“錨帶網(wǎng)索+錨索梁”進(jìn)行頂板支護(hù)，并使用槽鋼梁配錨索護(hù)幫，如圖1所示。

(1) 巷道頂板支護(hù)。采用6根直徑22 mm和長度2500 mm的等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿、長度4800 mm和眼距900 mm的壓W鋼帶、長寬分別為2700 mm和1100 mm的鋼筋網(wǎng)，并在頂板鋼帶之間打設(shè)長度4500 mm和眼距1800 mm的錨索梁，錨索梁間距為2000 mm，錨索則使用直徑為21.8 mm，長度為8300~10300 mm的高強(qiáng)鳥巢錨索。

圖1 巷道的永久支護(hù)斷面

打設(shè)錨桿和錨索時，中間眼位必須垂直于巷道巖面打設(shè)，而肩窩眼位處向兩幫部傾斜并與垂直夾角成10°~30°打設(shè)。

(2) 巷道幫部支護(hù)。進(jìn)行巷道幫部支護(hù)時，采用5根與頂板相同型號的等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿，配長度為2200 mm或1300 mm和眼距為900 mm的T型鋼帶，可用長寬分別為1700 mm和1100 mm或2600 mm和1100 mm的壓鋼筋網(wǎng)支護(hù)，兩幫打設(shè)的頂角錨桿和底角錨桿分別與頂、底板水平面的夾角均為10°~30°。并采用長度3200 mm、間距2000 mm和眼距為1100 mm或1800 mm的壓槽鋼作為巷道幫部的加強(qiáng)支護(hù)。其中，上中下眼打設(shè)的錨索直徑均為21.8 mm，上、下眼位分別按30°~45°的仰角和30°~45°的俯角打設(shè)6300 mm長度的錨索，中間眼位處打設(shè)的錨索必須垂直于煤壁，長度4300 mm。

2.4 支護(hù)效果

在進(jìn)行上平巷的掘進(jìn)施工以及整個支護(hù)過程中，主要對巷道圍巖的變形過程進(jìn)行監(jiān)測。雖然在掘進(jìn)期間巷道圍巖發(fā)生位移不可避免，但在此防沖錨固技術(shù)的控制下，總的來說巷道沒有出現(xiàn)大幅度的變形，并且巷道圍巖在掘進(jìn)期間也未發(fā)生明顯的破壞，因此，此支護(hù)系統(tǒng)對巷道有良好的支護(hù)和加固作用。

3 結(jié) 語

隨著煤炭開采向地下深部發(fā)展和煤礦機(jī)械化開采的廣泛應(yīng)用，深部施工巷道的尺寸隨之增大，發(fā)生沖擊地壓的可能性和危險(xiǎn)性也越大，深部大斷面巷道更難支護(hù)，迫切需要對高地應(yīng)力條件下大斷面巷道提出更加安全可靠的防沖錨固控制技術(shù)，提出的“錨帶網(wǎng)索+錨索梁和槽鋼梁配錨索護(hù)幫”加強(qiáng)支護(hù)措施，可提高支護(hù)系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，抑制巷道圍巖的大幅變形，達(dá)到減少井下巷道施工期間存在的安全隱患的目的，其在該巷道的成功應(yīng)用為深部地下沖擊危險(xiǎn)巷道的支護(hù)提供了良好的成功范例。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51674116，51874130).

(2018?11?14)

寧 勇(1993—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)研究，Email：Ningyong_hnust@163.com。

王 斌(1975—)，男，廣東梅縣人，博士，副教授，主要從事采礦與巖石力學(xué)研究，Email: wangbinhnust@sina.com。