姚志強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

1 工程概況

晉華宮礦位于山西大同，開(kāi)采大同煤田北東位置，井田內(nèi)賦存10 層煤，目前礦井主采7-4#煤、11#煤、12#煤，11#煤8709 工作面屬于該盤(pán)區(qū)內(nèi)最后一個(gè)工作面，煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度2.2～4.5 m，平均3.3 m，煤層傾角1.5°～4.5°，平均3°，煤層整體呈一單斜構(gòu)造，工作面布置5709 回風(fēng)巷、2709運(yùn)輸巷，工作面與同煤層8707 工作面相鄰，煤柱寬度設(shè)計(jì)25 m。上部為上煤層7-4#煤8709 工作面。11#煤直接頂為3.3 m 厚的灰黑色炭質(zhì)泥巖，基本頂為2.2 m 厚的灰白色粗砂巖，直接底為8.2 m 厚的灰白色細(xì)砂巖。11#煤8709 工作面距上煤層7-4#煤8709 工作面（開(kāi)采厚度1.4 m）平均垂距約32 m。根據(jù)采掘計(jì)劃，5709 回風(fēng)巷將受到上煤層7-4#煤8709 工作面、鄰近8707 工作面以及本工作面重復(fù)采動(dòng)影響，巷道極易出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象，巷道維護(hù)成為制約工作面快速開(kāi)采的關(guān)鍵因素。

2 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)原理

錨桿（索）支護(hù)具有成本低、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)煤礦巷道主要的支護(hù)形式之一[1-5]。高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)是采用桁架和專(zhuān)用鎖具將兩根傾斜布置的錨索連接在一起，兩根錨索同時(shí)施加高預(yù)緊力，采用的專(zhuān)用鎖具向頂板巖層水平方向和豎直方向形成一定的擠壓約束力，促使錨固區(qū)巖層處于多向擠壓。高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)以巷道肩角深部堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層作為錨固承載區(qū)域，高預(yù)緊力通過(guò)設(shè)置的同軸式連接緊縮器對(duì)拉預(yù)緊，使其在巷道頂板形成多向預(yù)應(yīng)力，巷道圍巖應(yīng)力得到明顯改善。高預(yù)緊力、桁架結(jié)構(gòu)、錨索良好的延伸率使該系統(tǒng)具有“先剛”、“先抗”、“后柔”、“后讓”的支護(hù)特點(diǎn)，尤其適用于多煤層采動(dòng)影響巷道圍巖穩(wěn)定控制[6]。

圖1 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)原理[6]

3 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)技術(shù)

基于晉華宮礦11#煤5709 回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)原理，開(kāi)發(fā)適用于多次采動(dòng)影響巷道的高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)技術(shù)。巷道為矩形斷面，尺寸4.5 m×2.8 m（寬×高），具體支護(hù)參數(shù)如下：

1）頂板采用“錨桿+單體錨索+桁架錨索”支護(hù)。頂錨桿規(guī)格為長(zhǎng)度2.0 m、直徑18 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，每排布置6 根，其中中間4 根垂直于頂板施工；兩側(cè)錨桿以與水平夾角65°～75°施工，每根錨桿配套1 支MSCK2330、2 支MSZKZ 2330 樹(shù)脂錨固劑，保證錨固長(zhǎng)度不小于0.9 m；配套10 mm厚的規(guī)格110 mm×110 mm的鋼板托盤(pán)，間排距1 000 mm×1 000 mm。錨桿采用3 mm厚的W鋼帶連接，鋼帶規(guī)格3 500 mm×220 mm。頂單體錨索規(guī)格為長(zhǎng)度6.3 m、直徑15.24 mm的鋼絞線，錨索孔深6.0 m，每排布置1 根，垂直于頂板施工，每根錨索配套1 支MSCK2360、2 支MSZKZ 2360 樹(shù)脂錨固劑，保證錨固長(zhǎng)度不小于1.8 m；配套16 mm厚的規(guī)格400 mm×400 mm的鋼板托盤(pán)，排距4 000 mm。桁架錨索采用2 根長(zhǎng)度6.3 m、直徑15.24 mm的鋼絞線，錨索孔深5.0 m，配套專(zhuān)用的桁架和鎖具，兩側(cè)錨桿以與豎直夾角20°施工，底部跨距2 100 mm，排距4 000 mm，預(yù)緊力不低于120 kN，具體巷道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖2。

2）巷幫采用錨桿支護(hù)。錨桿規(guī)格為長(zhǎng)度2.0 m、直徑18 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，每根錨桿配套1 支MSCK2330、2 支MSZKZ2330 樹(shù)脂錨固劑，保證錨固長(zhǎng)度不小于0.9 m，三花布置，間排距1 500 mm×1 000 mm，幫錨桿配套10 mm厚的規(guī)格110 mm×110 mm的鋼板托盤(pán)和5 mm厚的規(guī)格450 mm×280 mm的W鋼帶，具體巷道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 5709 回風(fēng)巷支護(hù)斷面

4 巷道圍巖控制效果分析

采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)技術(shù)在晉華宮礦11#煤5709 回風(fēng)巷進(jìn)行了150 m的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，采用應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)了本工作面回采期間巷道煤柱幫應(yīng)力變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)了巷道頂板和兩幫的位移收斂情況。

圖3為實(shí)測(cè)工作面回采巷道煤柱幫應(yīng)力變化情況。由圖可知，隨著工作面的推進(jìn)煤柱受到的支承應(yīng)力逐漸增加，并隨煤柱幫深度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；巷道應(yīng)力峰值最大約為25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)超過(guò)了3.0，峰值距煤柱幫4.0 m；在距巷道煤柱幫12 m左右，煤柱幫應(yīng)力與原巖應(yīng)力接近，約7.5 MPa；表明煤柱幫中部煤體處與穩(wěn)定范圍，煤柱較好地控制了巷道的穩(wěn)定，表明了煤柱寬度設(shè)計(jì)的合理性以及支護(hù)技術(shù)和參數(shù)的可靠性。

圖3 5709 回風(fēng)巷煤柱幫應(yīng)力變化情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的150 m范圍內(nèi)巷道受上煤層7-4#煤8709 工作面采動(dòng)影響，巷道的頂板巖層最大下沉量約80 mm，兩幫圍巖最大移近量約90 mm，巷道采動(dòng)影響較小；受鄰近8707 工作面采動(dòng)影響，累積下沉量約160 mm，兩幫圍巖移近110 mm，累計(jì)移近量約200 mm，受工作面重復(fù)采動(dòng)，巷道圍巖變形加劇；受工作面自身采動(dòng)支承應(yīng)力影響，巷道的頂板巖層下沉50 mm，累積下沉量約210 mm，兩幫圍巖移近130 mm，累積移近量約330 mm；受工作面多次采動(dòng)影響巷道變形量持續(xù)增加，而未采用該技術(shù)的巷道頂板巖層最大下沉量達(dá)500 mm，兩幫出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象，底鼓劇烈。綜上表明，巷道受多次采動(dòng)影響，巷道圍巖變形量持續(xù)增加，采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)技術(shù)和參數(shù)區(qū)域巷道整體變形量較小，圍巖控制效果良好，所采用的技術(shù)優(yōu)越、參數(shù)合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

晉華宮礦11#煤5709 回風(fēng)巷受多次采動(dòng)影響，巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞，為此，提出了高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)可使頂板巖層處于形成多向擠壓狀態(tài)，有效改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境；同時(shí)，高預(yù)緊力、桁架結(jié)構(gòu)以及錨索良好的延伸率使其具有 “先剛”、“先抗”、“后柔”、“后讓” 的支護(hù)特點(diǎn)?；诖?，采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)技術(shù)，在晉華宮礦11#煤5709 回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后監(jiān)測(cè)了煤柱幫應(yīng)力和巷道變形情況，驗(yàn)證了煤柱寬度設(shè)計(jì)以及高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)技術(shù)參數(shù)的合理性和優(yōu)越性，具有現(xiàn)實(shí)推廣意義。