吳 博

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100）

受成巖環(huán)境和沉積過程的影響，我國煤系地層中部分巖體成巖質(zhì)量差。在該類巖體中施工的巷道具有自穩(wěn)時(shí)間短、巷道變形量大、變形時(shí)間長的特點(diǎn)，極易出現(xiàn)離層甚至冒頂，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患[1-5]。臺(tái)頭煤業(yè)2號(hào)煤層頂板中存在一層軟弱夾層，采用常規(guī)的錨桿索支護(hù)后，工作面順槽礦壓顯現(xiàn)劇烈，維護(hù)工程量大，影響了煤礦的正常生產(chǎn)。

1 工程概況

臺(tái)頭煤業(yè)位于山西省臨汾市，7202工作面位于+790 m水平，地面標(biāo)高+1187～ +1020 m，井下標(biāo)高+820～ +840 m。工作面開采2號(hào)煤，煤層厚度2.80～3.00 m，平均厚2.90 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 2號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

7202工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)斷面為4700 mm×3100 mm（寬×高），設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度1100 m。

2 圍巖變形特征及原因分析

2.1 變形特征

原工作面順槽掘進(jìn)后斷面收縮率大，對(duì)生產(chǎn)造成了一定的影響，主要變形特征為：

（1）變形速度快

頂板保持穩(wěn)定的時(shí)間較短，變形劇烈，來壓快?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，頂板最大變形速度可達(dá)70 mm/d。在掘進(jìn)過程中就會(huì)出現(xiàn)頂板冒落的現(xiàn)象，支護(hù)不及時(shí)極有可能造成大范圍冒頂。

（2）初期變形量大

弱膠結(jié)巷道在掘進(jìn)后頂板表現(xiàn)出明顯的非線性特征，巷道開挖后一周內(nèi)的變形量達(dá)到變形總量的60%以上。

（3）變形時(shí)間長

巷道掘進(jìn)后，巷道頂板及兩幫急劇變形，頂板變形速度穩(wěn)定的時(shí)間可達(dá)35 d以上。持續(xù)觀測(cè)表明，60 d后頂板仍以0.60 mm/d的速度下沉。

（4）部分支護(hù)構(gòu)件發(fā)生破壞

部分地段的錨桿托盤外翻，甚至桿體斷裂，錨索托盤被吸入頂板，局部出現(xiàn)裂紋等，在斷層、破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造附近尤為明顯。

2.2 原因分析

頂板中的軟弱夾層存在是造成巷道變形大的主要原因，如圖2所示。7202回風(fēng)順槽軟弱夾層位于巷道頂板以上2 m左右，處于錨桿錨固區(qū)域的邊緣。沿軟弱夾層的上下邊緣容易發(fā)生脫離，從而出現(xiàn)離層甚至冒頂。夾層為松散破碎的巖塊，強(qiáng)度低，不利于圍巖形成穩(wěn)定的自承載結(jié)構(gòu)。

圖2 軟弱夾層位置示意圖

另外錨桿索等出現(xiàn)桿體斷裂，說明桿體材料的力學(xué)性能選取不合理，圍巖載荷超過了桿體的極限強(qiáng)度，支護(hù)體破壞以后，對(duì)圍巖的控制水平降低，造成圍巖承載能力不能充分發(fā)揮，巷道變形量大。

3 控制原理及支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 控制機(jī)制

對(duì)含軟弱夾層頂板的巷道支護(hù)，主要包括強(qiáng)化巖體強(qiáng)度、強(qiáng)化錨桿支護(hù)性能和強(qiáng)化圍巖的承載結(jié)構(gòu)等方面。

（1）強(qiáng)化巖體強(qiáng)度

研究表明，對(duì)于巷道周邊處于低圍壓狀態(tài)下的巖體，其強(qiáng)度與圍壓大小成正比例關(guān)系。隨著圍壓的增大，圍巖的承載能力增強(qiáng)。巷道掘進(jìn)后，及時(shí)安裝高預(yù)應(yīng)力錨桿，改善淺部巖體的受力狀態(tài)，通過錨桿的抗剪阻滑作用，避免裂隙的擴(kuò)展，提高承載能力。

（2）錨桿承載性能強(qiáng)化

在提高錨桿桿體強(qiáng)度的同時(shí)，采用高剛度的護(hù)表材料及相關(guān)附件，巷道掘進(jìn)初期提供高支護(hù)力，在頂板圍巖的后期變形中實(shí)現(xiàn)高增荷，保持頂板穩(wěn)定。

（3）頂板圍巖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化

將巷道表面淺部圍巖承受的高應(yīng)力向巷道頂板深處轉(zhuǎn)移，將淺部圍巖和軟弱夾層與深部圍巖連接到一起，以多種形式的聯(lián)合支護(hù)提高頂板的整體性，促進(jìn)承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，利用不同支護(hù)體和圍巖的相互作用，減少頂板的松動(dòng)破壞。

3.2 支護(hù)方式的選擇

針對(duì)7202回風(fēng)順槽的變形特點(diǎn)及變形機(jī)理分析，確定采用高強(qiáng)錨桿和錨索桁架的聯(lián)合支護(hù)方式。

（1）高強(qiáng)錨桿支護(hù)體系

在采用高強(qiáng)度錨桿桿體的同時(shí)，增加樹脂藥卷的用量，同時(shí)選用高強(qiáng)度托盤，優(yōu)先選用鋼帶護(hù)頂?shù)?，提高錨桿支護(hù)體系的護(hù)頂能力，減少由于頂板下沉引起的破壞，提高巷道頂板的整體性。

（2）錨索桁架支護(hù)系統(tǒng)

錨索桁架是一種主動(dòng)支護(hù)方式，利用連接件將兩根錨索連接到一起，通過施加預(yù)緊力在巷道頂板淺部形成擠壓加固層，提高頂板的抗彎能力。由于錨索桁架的錨固點(diǎn)位于巷道上方的穩(wěn)定巖層內(nèi)，因此，隨著頂板的下沉，錨索桁架的支護(hù)阻力隨之增大，對(duì)頂板的擠壓作用增強(qiáng)。當(dāng)受載超過桁架的工作阻力時(shí)，錨固點(diǎn)內(nèi)移，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡。

3.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)7202工作面的實(shí)際情況，結(jié)合工程類比等方法，確定回風(fēng)順槽支護(hù)方案如圖3。

圖3 7202回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)（單位：mm）

（1）高強(qiáng)頂錨桿系統(tǒng)

頂錨桿為Ф25 mm×2400 mm高強(qiáng)螺紋鋼，牌號(hào)為BHRB500。錨桿間排距800 mm×800 mm，每排布置6根，中間4根垂直頂板。錨桿使用加厚螺母和拱形調(diào)心托盤，配三卷Z2360樹脂藥卷全長錨固，錨固力不得低于200 kN，預(yù)緊扭矩不得小于220 N?m。每排錨桿用Q235鋼材制作的W鋼帶連接到一起，鋼帶厚度為5 mm。頂網(wǎng)為6 mm鋼筋制成的金屬網(wǎng)，網(wǎng)格100 mm×100 mm。

（2）桁架錨索支護(hù)

頂錨索全部采用桁架的形式，錨索為1×19結(jié)構(gòu)，規(guī)格Ф22 mm×7500 mm，鉆孔深度6.0 m，距兩幫各1100 mm，錨索桁架底部跨距為2500 mm，向巷道兩幫方向傾斜15°，排距為800 mm。每根錨索采用4卷Z2360樹脂藥卷加長錨固。

（3）巷幫支護(hù)

幫錨桿為Ф20 mm×2200 mm 的左旋無縱筋螺紋錨桿，牌號(hào)為BHRB335，間排距800 mm×800 mm，最上位錨桿距頂板300 mm，向上傾斜15°布置。巷道每排布置4根錨桿，用梯子梁連接。每根錨桿用兩卷Z2360樹脂藥卷錨固，錨固力不低于120 kN，預(yù)緊扭矩不低于200 N?m。

4 應(yīng)用效果

7202工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中，每隔50 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，記錄巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛?，同時(shí)安設(shè)離層指示儀，淺部基點(diǎn)取2.0 m，深部基點(diǎn)取6 m。

4.1 巷道變形觀測(cè)

以3號(hào)測(cè)站為例，該測(cè)站觀測(cè)到的巷道變形情況如圖4。

圖4 3號(hào)測(cè)站巷道變形觀測(cè)結(jié)果

由觀測(cè)結(jié)果可以看出，在該支護(hù)方式下，巷道變形時(shí)間仍然較長，掘進(jìn)30 d左右變形基本穩(wěn)定，但巷道頂板下沉量小，最大下沉量45 mm，較之前的工作面順槽減沉60%以上。最大底鼓量23 mm，兩幫收斂20 mm，對(duì)生產(chǎn)影響較小。

離層觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，巷道掘進(jìn)后，離層增長速度慢，并且10 d左右達(dá)到穩(wěn)定，頂板總離層量在20 mm以內(nèi)，主要為淺部離層，桁架錨索錨固的深部頂板穩(wěn)定，離層值較小。

4.2 錨桿受力監(jiān)測(cè)

在錨桿端部安裝錨桿測(cè)力計(jì)，對(duì)錨桿錨固力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)表明，與巷道表面圍巖同步，巷道掘進(jìn)35 d后，錨桿錨固力達(dá)到穩(wěn)定值。頂錨桿最大受力為359 MPa，幫錨桿最大受力為273 MPa，低于錨桿的屈服強(qiáng)度，未有錨桿及支護(hù)體損壞的情況。

5 結(jié)論

（1）臺(tái)頭礦2號(hào)煤工作面順槽具有變形速度快、變形量大、變形時(shí)間長的特點(diǎn)，而頂板軟弱夾層的存在及支護(hù)材料的選取不合理是主要原因。

（2）頂板含軟弱夾層巷道的變形破壞原因在于夾層本身的強(qiáng)度低，膠結(jié)性差，沿層面極易產(chǎn)生離層破碎區(qū)，導(dǎo)致支護(hù)體系失效。

（3）通過采用錨索桁架、高強(qiáng)錨桿及配件等實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖體強(qiáng)度和頂板圍巖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，在7202工作面回風(fēng)順槽取得了較好的支護(hù)效果，可為類似條件下的回采巷道支護(hù)提供參考。