李 剛

(潞安集團(tuán) 潞寧孟家窯煤業(yè)公司，山西 忻州 036000)

煤炭回采過程中，軟巖巷道常伴隨著持續(xù)大變形和難支護(hù)等問題[1]，兩幫移近和底鼓問題明顯，嚴(yán)重制約了工作面生產(chǎn)，巷道需多次返修導(dǎo)致維護(hù)費(fèi)用提高[2]，且對支護(hù)技術(shù)有較高要求。為解決軟巖巷道難支護(hù)問題，多數(shù)學(xué)者通過提高支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到削弱圍巖變形的目的[3]。本文針對孟家窯煤礦軟巖巷道的大變形破壞現(xiàn)象，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對軟巖大變形巷道長效控制。

1 工程概況

孟家窯煤礦11505工作面開采5號煤層，煤層平均厚度4.1 m，傾角18～30°，埋深約400 m，工作面為一單斜構(gòu)造。煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育，直接頂和直接底均主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖構(gòu)成，強(qiáng)度較低承載性差；老頂和老底以中、細(xì)粒砂巖為主，屬半堅(jiān)硬類巖石。頂?shù)装逶敿?xì)參數(shù)見表1。運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度為1 258 m，斷面形式為5.2 m×3.1 m的矩形斷面。在原支護(hù)設(shè)計(jì)下，巷道表現(xiàn)出持續(xù)的大變形現(xiàn)象，返修后短時間內(nèi)易再次發(fā)生，給工作面的正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。

表1 頂?shù)装鍘r性

2 巷道變形破壞特征及影響因素分析

為對11505工作面運(yùn)輸巷采取針對性圍巖控制措施，通過對目標(biāo)巷道現(xiàn)場勘測，對原有支護(hù)方案和變形破壞特性進(jìn)行分析，確定了引起巷道變形破壞的影響因素。

2.1 變形破壞特征

如圖1所示，11505工作面運(yùn)輸巷原支護(hù)方案采用常規(guī)錨桿索組合支護(hù)的方式，頂板按間排距0.94 m×0.9 m布置規(guī)格為D20 mm×2 200 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配合以間排距為2.0 m×2.7 m對稱布置D15.24 mm×7 300 mm的錨索，兩幫則選用D18 mm×2 000 mm的圓鋼麻花頭錨桿，按間排距0.85 m×0.9 m進(jìn)行布置。在實(shí)地勘測中，巷道圍巖變形明顯，尤其是底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，在巷道兩幫巖體呈現(xiàn)高度破碎狀態(tài)，尤其頂角破壞嚴(yán)重，同時可發(fā)現(xiàn)支護(hù)體系存在許多錨桿索內(nèi)斷及頂板錨桿脫落現(xiàn)象，可判斷支護(hù)體系已經(jīng)失效。

圖1 原支護(hù)方案布置(mm)

2.2 變形破壞原因

1) 圍巖松動圈大。為了更直觀了解巷道破壞范圍，在勘察中借助圍巖松動圈探測儀進(jìn)行了檢測，測試結(jié)果見表2。

表2 松動圈測試結(jié)果

表2為選取的3個斷面測試結(jié)果，由表2可知，多數(shù)測點(diǎn)的松動圈范圍超過了1.6 m，圍巖松動破壞較大，同時考慮施工中存在支護(hù)不到位導(dǎo)致支護(hù)效果不能發(fā)揮出來，這也是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)許多錨桿拉伸脫落的原因。

2) 巷道圍巖性質(zhì)影響。11505運(yùn)輸巷整體處于煤層內(nèi)部，且頂?shù)装逡阅鄮r等軟巖為主，巷道圍巖本身在地應(yīng)力條件下易呈現(xiàn)出一系列破碎、松散等流變特性，導(dǎo)致在巷道開挖后破碎程度加劇，巖層強(qiáng)度和整體性隨之降低，圍巖自身承載性能變差，開挖后在應(yīng)力場二次平衡過程中不易穩(wěn)定，且在返修后仍表現(xiàn)為反復(fù)且持續(xù)的變形破壞現(xiàn)象。

3) 支護(hù)體系不協(xié)調(diào)。原支護(hù)屬于剛性支護(hù)，未能給軟巖巷道留有足夠的能量釋放空間，因而表現(xiàn)出較強(qiáng)的不適應(yīng)性。另外錨桿索布置忽略了幫角和底板的影響，造成巷道受力不均，使這些部位成為應(yīng)力釋放的主要方向，任一關(guān)鍵部位的率先破壞進(jìn)一步誘發(fā)整體支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。況且在兩錨桿之間沒有限制圍巖變形結(jié)構(gòu)，在破碎程度較高的軟巖巷道中錨桿索的約束效果無法得到體現(xiàn)，使圍巖受力結(jié)構(gòu)不完善，表現(xiàn)為持續(xù)的變形趨勢。

3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

考慮原支護(hù)體系下巷道變形特征和影響因素，提出采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式，使圍巖與支護(hù)體系協(xié)調(diào)統(tǒng)一，充分發(fā)揮支護(hù)效果。

1) 優(yōu)化錨桿索布置。聯(lián)合支護(hù)方案仍以錨桿索為主要支護(hù)手段，其布置方式影響著巷道受力狀態(tài)，首先重新評估地質(zhì)狀況重新計(jì)算錨桿索間排距，同時考慮頂角為施加支護(hù)導(dǎo)致受力不均的影響，將頂角處的錨桿和錨索向外側(cè)偏轉(zhuǎn)加固幫角，改善圍巖應(yīng)力分布。

2) 錨網(wǎng)支護(hù)。在兩幫和頂板鋪設(shè)錨網(wǎng)，限制巷道圍巖表面位移，將錨桿索對圍巖的約束力擴(kuò)散至整個巷道表面，改善圍巖表面受力效果同時防止破碎巖體的垮落。

3) 地錨支護(hù)。通過增設(shè)地錨，使巷道具有一個完整的支護(hù)體系，抵抗應(yīng)力在底板部位釋放的同時改善圍巖整體受力分布效果。

3.2 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

1) 錨桿支護(hù)參數(shù)。錨桿均選用D22 mm×2 200 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，頂錨桿和幫錨桿的間排距分別為0.9 m×1.0 m和0.8 m×1.0 m，最外側(cè)頂錨桿距巷幫350 mm，并向巷幫偏轉(zhuǎn)20°，最外側(cè)幫錨桿距頂?shù)装甯?50 mm，并分別向頂?shù)装宸较蚱D(zhuǎn)20°，地錨按間排距1.8 m×2.0 m對稱布置兩根，各距煤幫1 700 mm并向外偏轉(zhuǎn)20°。

2) 錨索支護(hù)參數(shù)。頂板按間排距1 800 mm×3 000 mm，對稱布置兩根規(guī)格為D15.24 mm×6 300 mm的錨索，施加150 kN預(yù)緊力，鉆孔深度為6 000 mm，并使錨索分別向煤幫偏轉(zhuǎn)20°，錨索托盤采用長×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm的剛托板。

3) 錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)。頂錨網(wǎng)采用D6.5 mm的鋼筋焊接成網(wǎng)片尺寸為長×寬=5 200 mm×1 000 mm的網(wǎng)片，網(wǎng)孔尺寸留置為120 mm×120 mm，網(wǎng)片搭接100 mm且每間隔200 mm聯(lián)網(wǎng)兩道；幫錨網(wǎng)則采用D4.0 mm鉛絲編織成網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm、網(wǎng)片長×寬=3 000 mm×1 000 mm的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片間搭接100 mm，每間隔200 mm聯(lián)網(wǎng)兩道，另外還需保持幫部與頂板錨網(wǎng)的對接。

支護(hù)示意如圖2所示。

圖2 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案布置(mm)

4 現(xiàn)場試驗(yàn)效果分析

為了驗(yàn)證錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)效果的可靠性，在100 m試驗(yàn)區(qū)段巷道上，間隔25 m布置四個圍巖表面位移測站，對運(yùn)用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)條件下巷道變形情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形時程曲線

由圖3可知，在支護(hù)后約15 d范圍內(nèi)，巷道表面變形量迅速增加，變形量占總變形量的80%左右，在支護(hù)15～20 d范圍內(nèi)，巷道變形量緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定，分析可知此時間段內(nèi)錨網(wǎng)索支護(hù)體系開始逐漸生效，提高了圍巖的承載能力，此階段圍巖變形量占總變形量的14%左右，在支護(hù)20 d后，巷道圍巖基本停止變形。最終變形量為頂板65 mm，底板55 mm，兩幫移近量76 mm，巷道圍巖變形得到有效控制。