李小忠

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

在煤礦生產(chǎn)過程中，掘進(jìn)和回采是兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，綜采技術(shù)得到快速發(fā)展，與之對比的是相對落后的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)。為滿足煤礦綜采高效回采，對巷道成巷速度和服務(wù)期內(nèi)圍巖的穩(wěn)定控制提出了更多要求。目前錨桿支護(hù)由于其具有支護(hù)效果好、成本低、成巷速度快等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道以及其他地下工程支護(hù)[1-2]。錨桿支護(hù)發(fā)展于20 世紀(jì)四十年代，經(jīng)過多年來的發(fā)展，形成了諸如懸吊、組合梁、壓力拱、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化等理論假說[3-4]。同時，針對巷道的不同需求，研發(fā)了機(jī)械、管縫、膨脹、樹脂等多種類型的錨桿。針對復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道支護(hù)問題，配套錨索、金屬網(wǎng)、型鋼等材料形成了錨網(wǎng)索、錨架、錨網(wǎng)索架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[5-6]。隨著錨桿支護(hù)理論和技術(shù)的逐漸成熟，對于一些賦存較好的煤礦，幾乎實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。

1 工程概況

王坡煤業(yè)3213 工作面位于+690 m 水平二采區(qū)，地面標(biāo)高為+1086～ +1230 m，工作面標(biāo)高為+510～+550 m。3213 工作面北部為改造回采段，現(xiàn)已完成回采，南部為北集中回風(fēng)巷，東部為3211 運(yùn)輸順槽，西部為3215 采空區(qū)。3213 工作面整體傾向東高西低，設(shè)計(jì)走向長度1912 m，傾向長度171 m。工作面開采3 號煤層，屬無煙煤煤種，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度5.7 m，煤層傾角2°～9°，呈黑色，亮煤為主，具有金屬-玻璃光澤，堅(jiān)硬、性脆，局部煤質(zhì)松軟、破碎，局部含1～2 層夾矸。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度10.68 m，灰黑色，夾薄層泥巖，局部有粗粉砂巖，可見植物化石碎片；偽頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度0.3 m，黑色，質(zhì)軟，含植物化石，隨采掘脫落；直接底為泥巖或細(xì)粉砂巖，平均厚度9.16 m，灰黑、深灰色泥巖夾薄層狀粉砂質(zhì)泥巖，上部含植物化石。3213 運(yùn)輸順槽為工作面進(jìn)風(fēng)巷，掘進(jìn)寬度5.0 m，掘進(jìn)高度3.4 m。

2 高強(qiáng)度主動支護(hù)原則

（1）采用具有高強(qiáng)度的錨桿和錨索，在保證巷道足夠支護(hù)強(qiáng)度的同時進(jìn)一步減小支護(hù)密度，降低錨桿索施工時間，提高成巷速度。

（2）采用端部加長錨固，提高錨桿索錨固系統(tǒng)的整體剛度，增強(qiáng)錨桿索錨固區(qū)域抵抗圍巖變形的能力。

（3）采用高預(yù)緊力錨桿主動支護(hù)，成巷后進(jìn)行高預(yù)緊力主動支護(hù)，約束巷道圍巖早期擴(kuò)容變形，強(qiáng)化錨桿錨固控制區(qū)域圍巖力學(xué)性能和完整性。

（4）采用具有一定強(qiáng)度和剛度的支護(hù)組件，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)護(hù)表面積和強(qiáng)度，最大程度約束巷道圍巖表面碎脹變形。

（5）根據(jù)巷道具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)參數(shù)，盡可能降低錨桿支護(hù)密度。

3 高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)技術(shù)

3.1 高強(qiáng)度錨桿索材料及其構(gòu)件

（1）高強(qiáng)度錨桿及其構(gòu)件

高強(qiáng)度錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼筋，材質(zhì)為500#鋼材，直徑22 mm，極限拉斷力在255 kN 以上，延伸率不低于17%，配套150 mm×150 mm×16 mm 的高強(qiáng)度拱形托盤。

（2）高強(qiáng)度錨索及其構(gòu)件

目前常用的預(yù)應(yīng)力錨索主要為1×7 結(jié)構(gòu)的鋼絞線，如圖1（a），直徑為15.24 mm 和17.8 mm，存在一定的局限：① 直徑偏小，與鉆孔直徑匹配性差，錨固效果差；② 破斷載荷低，高應(yīng)力環(huán)境下易出現(xiàn)破斷；③ 延伸率低，無法有效適應(yīng)圍巖變形。為此，需研發(fā)一種具有高強(qiáng)度、延伸率大的高強(qiáng)度錨索，如圖1（b）。高強(qiáng)度錨索為1×19s 結(jié)構(gòu)的鋼絞線，直徑為22 mm，破斷載荷在550 kN 以上，斷時伸長率在7%以上。

為保障高預(yù)應(yīng)力有效傳遞至巷道圍巖，充分發(fā)揮錨索的承載性能，需配套采用高強(qiáng)度的錨具和托盤，如圖2。高強(qiáng)度錨具承載性能在614 kN 以上，直徑65 mm，高65 mm。高強(qiáng)度托盤為拱形，具備一定的變形能力，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，配調(diào)心球墊，與錨索、錨具配套可充分發(fā)揮強(qiáng)力錨索的支護(hù)性能。

圖1 不同類型錨索結(jié)構(gòu)

圖2 高強(qiáng)度錨具

3.2 支護(hù)參數(shù)確定

3213 運(yùn)輸順槽為工作面進(jìn)風(fēng)巷，掘?qū)?.0 m，掘高3.4 m，采用了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)技術(shù)，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。頂板采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)。頂板錨桿規(guī)格為長度2.2 m、直徑24 mm 的BHR500 左旋無縱筋螺紋鋼筋高強(qiáng)度錨桿，間排距1000 mm×1200 mm，預(yù)緊扭矩不低于400 N·m。每根錨桿配套2 支錨固劑，1 支K2335，1 支Z2360，錨固長度為1.15 m。每排錨桿采用型號BHW-280-4的W 鋼帶連接，配套150 mm×150 mm×16 mm 的高強(qiáng)度拱形托盤。頂板錨索采用1×19s 結(jié)構(gòu)的鋼絞線，直徑為22 mm，長度為7.3 m，間排距為 2200 mm×2400 mm，預(yù)緊力不低于250 kN。每根錨索配套3 支錨固劑，1 支K2335，2 支Z2360，錨固長度為1.97 m，配套規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度拱形托盤和相應(yīng)錨具。金屬網(wǎng)采用6 mm的鋼筋焊接而成，規(guī)格5400 mm×1200 mm，如圖3。高預(yù)緊力錨桿索形成主動支護(hù)結(jié)構(gòu)，形成支護(hù)圍巖統(tǒng)一體，充分發(fā)揮巷道圍巖承載能力。

（2）幫部支護(hù)。幫部采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)主動支護(hù)。幫部錨桿規(guī)格為長度2.0 m、直徑24 mm 的BHR500 左旋無縱筋螺紋鋼筋高強(qiáng)度錨桿，間排距1000 mm×1200 mm。金屬網(wǎng)采用6 mm 的鋼筋焊接而成，規(guī)格3300 mm×1200 mm。其余參數(shù)同頂板支護(hù)。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

4 巷道變形規(guī)律分析

采用十字監(jiān)測法監(jiān)測巷道圍巖移近情況，圖4給出了3213 運(yùn)輸順槽掘出后120 d 的圍巖移近曲線。如圖所示，巷道在掘出后30 d 內(nèi)圍巖變形速度較快，頂板移近速度平均為1.5 mm/d，兩幫移近速度平均為2.0 mm/d；巷道掘出30～90 d 圍巖變形速度有所減緩，頂板移近速度平均0.8 mm/d，兩幫移近速度平均1.2 mm/d；巷道掘出90 d 后圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道圍巖穩(wěn)定后，頂?shù)装遄畲笠平考s97 mm，兩幫最大移近量約141 mm。整體看，巷道圍巖變形均在允許范圍內(nèi)，圍巖控制效果良好，表明了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性。

圖4 3213 運(yùn)輸順槽圍巖移近曲線

5 結(jié)論

為充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道快速成巷，提出了高強(qiáng)度主動支護(hù)原則，設(shè)計(jì)優(yōu)選了高強(qiáng)度錨桿索材料及其構(gòu)件，主張利用高強(qiáng)度左旋錨桿以及具備高強(qiáng)度、高剛度、大延伸率的高強(qiáng)度錨索形成高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效提高巷道圍巖控制能力，充分發(fā)揮支護(hù)材料承載性能?；诖?，開發(fā)了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明了高強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性。