張 劍，劉 棟，李洪賓，閆永林

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 介休 032000)

采動(dòng)巷道圍巖穩(wěn)定控制為制約煤礦安全生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，而無(wú)煤柱沿空留巷圍巖控制的難度更大[1]。但無(wú)煤柱沿空留巷適合煤炭資源高效開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，解決工作面上下端頭隅角瓦斯超限隱患，具有廣闊推廣應(yīng)用前景[2]，特別近年來(lái)何滿(mǎn)潮[3]院士提出的切頂自成巷無(wú)煤柱開(kāi)采工法得到了廣泛應(yīng)用[4-9]。沿空留巷圍巖能否保持穩(wěn)定與巷內(nèi)支護(hù)有直接關(guān)系，我國(guó)學(xué)者對(duì)巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，張兆一[10]等針對(duì)切頂留巷頂板矩形結(jié)構(gòu)特征，提出錨桿和密集預(yù)應(yīng)力超長(zhǎng)錨索強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)較好滿(mǎn)足了留巷支護(hù)需求；沙旋[11]等結(jié)合厚煤層沿空留巷圍巖受力特點(diǎn)，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)有效保證了留巷圍巖穩(wěn)定；陳勇[12]等以沁新礦沿空留巷為工程背景，利用高預(yù)緊力、高強(qiáng)度、大延伸率錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大變形留巷圍巖穩(wěn)定控制；上述側(cè)重研究錨桿錨索及其預(yù)應(yīng)力對(duì)控制留巷效果的重要影響[13，14]，而缺乏研究錨桿錨索安裝偏斜度及其預(yù)應(yīng)力對(duì)控制留巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵作用。

曙光煤礦1226運(yùn)輸巷試驗(yàn)切頂自成巷無(wú)煤柱沿空留巷工法，留巷服務(wù)期出現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞，與巷內(nèi)支護(hù)質(zhì)量有密切關(guān)系，故后續(xù)1228切頂留巷需優(yōu)化巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)。本文分析留巷原支護(hù)存在問(wèn)題，基于圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，提出并優(yōu)化留巷錨桿支護(hù)技術(shù)，井下應(yīng)用取得預(yù)期效果。

1 留巷原支護(hù)分析

1.1 原錨桿支護(hù)方案

曙光煤礦1226運(yùn)輸巷為沿空留巷，設(shè)計(jì)為矩形斷面，寬×高為5.0m×3.5m，留巷原錨桿支護(hù)如圖1所示。頂板錨桿錨索同排布置，錨桿選用鋼號(hào)335#，規(guī)格為?20mm-M22-2400mm左旋螺紋鋼錨桿，3/4隔排交替布置，間排距為900mm×1000mm，配套?120mm×120mm×8mm圓形托板，采用1支MSZ2355和1支MSM2355樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固；錨索采用1860級(jí)，規(guī)格為?21.6mm-1×7-13000mm低延伸率錨索，配套規(guī)格300mm×300mm×12mm平鋼板，3/2隔排交替布置，間排距為1800mm×1000mm，采用2支MSZ2355和1支MSM2355樹(shù)脂端部錨固；采用規(guī)格為BHW3-280-4800型W鋼帶及12#鐵絲網(wǎng)護(hù)表。兩幫錨桿與頂板錨桿規(guī)格相同，各布置4根，間排距900mm×1000mm，輔助?14mm-2000mm型鋼筋托梁及12#鐵絲網(wǎng)護(hù)幫。頂幫錨桿預(yù)緊力矩為190N·m，錨索預(yù)緊力為140kN。

圖1 留巷錨桿支護(hù)(mm)

留巷復(fù)用期間出現(xiàn)了強(qiáng)烈變形破壞，巷道頂板下沉普遍超過(guò)300mm，兩幫位移1000mm，底板鼓起量平均超過(guò)500mm，大量錨桿錨索破斷失效，反復(fù)維修后才勉強(qiáng)滿(mǎn)足使用要求。

1.2 存在主要問(wèn)題

1.2.1 錨桿錨索布置方式

1226留巷錨桿錨索采用混合式布置方式，即同一斷面既布置錨桿又布置錨索，與錨桿錨索支護(hù)基本原理相沖突[15]。錨桿長(zhǎng)度相對(duì)較短，在巷道淺部圍巖形成主承載結(jié)構(gòu)，控制巷道淺部圍巖離層破壞同時(shí)抵抗深部圍巖擴(kuò)容變形，采用同排混合式布置錨索取代錨桿，造成同排錨桿支護(hù)區(qū)域內(nèi)無(wú)法形成整體預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，從而削弱了淺部圍巖自身的穩(wěn)定性和承載能力。錨索長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，錨桿錨索間隔交替布置，錨索控制巷道深部圍巖變形同時(shí)在巷道深部圍巖形成次生承載結(jié)構(gòu)，與錨桿控制的淺部圍巖形成深淺部整體共同承載結(jié)構(gòu)，進(jìn)而共同抵御更深部圍巖擴(kuò)容變形，保持巷道圍巖穩(wěn)定。

1.2.2 錨索托盤(pán)

1226留巷錨索平托板規(guī)格為300mm×300mm×12mm，錨索承受較高載荷時(shí)平托板四角翹起，錨索索體作用到巷道圍巖表面應(yīng)力無(wú)法傳遞擴(kuò)散到深部圍巖，影響錨索控制深部圍巖效果。另外，平托板無(wú)壓縮變形性能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)讓壓保護(hù)索體的功能。鑒于此，研制出拱形高強(qiáng)度錨索托板，托板大小仍為300mm×300mm，但厚度由12mm增厚為14mm，托板承載力實(shí)驗(yàn)曲線如圖2所示，由圖2可知，托板平均承載力為715.8kN，最大承載力位移平均為27.2mm，不僅與強(qiáng)力錨索索體強(qiáng)度相匹配，而且能夠配套調(diào)心球墊調(diào)整錨索偏斜度，托板拱部壓縮變形實(shí)現(xiàn)讓壓保護(hù)索體。

圖2 錨索托板承載力實(shí)驗(yàn)

1.2.3 錨桿錨索預(yù)緊力

錨桿錨索預(yù)應(yīng)力為決定巷道支護(hù)質(zhì)量和效果的核心參數(shù)[16]。錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)應(yīng)力關(guān)系曲線如圖3所示，由圖3可知，假如錨桿垂直安裝，曙光煤礦錨桿預(yù)緊扭矩為190N·m，對(duì)應(yīng)錨桿預(yù)應(yīng)力不足30kN，預(yù)應(yīng)力水平偏低[17]。錨桿錨索安裝角度對(duì)其預(yù)應(yīng)力大小有重要影響，由圖3可知，盡管兩種安裝角度錨桿預(yù)應(yīng)力均隨預(yù)緊扭矩增加而增大，但相同預(yù)緊扭矩前提下錨桿預(yù)應(yīng)力卻相差較大，如預(yù)緊扭矩為300N·m，偏斜度為0°的錨桿預(yù)應(yīng)力為52.4kN，而偏斜度10°的錨桿預(yù)應(yīng)力為40.6kN，相比降低了22.5%，且預(yù)緊扭矩愈大，錨桿預(yù)應(yīng)力損失愈大，故錨桿應(yīng)垂直巷道圍巖表面安裝。

圖3 錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)應(yīng)力關(guān)系

錨索張拉力與預(yù)緊力關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可知，兩種安裝角度錨索預(yù)緊力也均隨著張拉力增長(zhǎng)而增大，但相同張拉力條件下錨索預(yù)應(yīng)力值卻有明顯不同，如張拉力為40MPa，偏斜度10°時(shí)，錨索預(yù)緊力為138.0kN，而偏斜度0°時(shí)，錨索預(yù)緊力為164.1kN，相比高出18.9%。由此可見(jiàn)，錨桿錨索垂直安裝呈最佳受力狀態(tài)，如果錨桿錨索安裝偏斜度過(guò)大，不僅錨桿錨索獲得的初始預(yù)應(yīng)力偏低，而且極易造成錨桿錨索尾部承受復(fù)合應(yīng)力作用而導(dǎo)致非正常拉伸斷裂失效[18]。

圖4 錨索張拉力與預(yù)緊力關(guān)系

2 留巷圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

2.1 地應(yīng)力評(píng)估

曙光煤礦1226工作面成功實(shí)施沿空留巷，在材料巷完成兩個(gè)測(cè)站的原位地應(yīng)力實(shí)地測(cè)量，為留巷支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，地質(zhì)力學(xué)測(cè)量測(cè)站分別位于材料巷150m和1100m位置，如圖5所示。

圖5 地質(zhì)力學(xué)測(cè)量測(cè)站

采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置在井下巷道實(shí)地測(cè)量了地應(yīng)力[19]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，表中，Pb為啟裂壓力，MPa；Pr為關(guān)閉壓力，MPa；Ps為重張壓力，MPa；σH為水平最大主應(yīng)力；MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa。由表1可見(jiàn)，最大主應(yīng)力為12.29～15.88MPa，應(yīng)力量級(jí)屬于中等水平[20]，形成以構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力場(chǎng)，水平最大主應(yīng)力方位為N31.8°W～N83.0°W。總體來(lái)看，留巷區(qū)域?yàn)橹械葢?yīng)力水平，地應(yīng)力大小對(duì)留巷圍巖控制難度影響相對(duì)較小，但應(yīng)重點(diǎn)考慮水平主應(yīng)力方向?qū)ο锏理攷徒欠€(wěn)定的影響。

表1 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2.2 頂幫煤巖強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)評(píng)析

巷道頂幫煤巖結(jié)構(gòu)鉆孔成像結(jié)果和巷道頂板強(qiáng)度分布情況表明，巷道頂板0～3.0m為砂質(zhì)泥巖，深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，0～1.5m段完整，1.6m位置破碎，1.7～3.0m段完好，其強(qiáng)度平均為43.32MPa；3.0～4.5m為細(xì)砂巖，灰白色，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖層完整，強(qiáng)度平均為53.50MPa；4.5～7.0m為砂質(zhì)泥巖，深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，4.5～4.6m段為煤線，4.6～6.6m段完好，其強(qiáng)度平均為38.35MPa。巷道兩幫0～2.7m段松散裂隙發(fā)育，完整性差，其中0～0.8m范圍破碎嚴(yán)重；2.7～4.0m段完整性好，2#煤層現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為13.0MPa。

圍巖強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)表明：①巷道頂板7.0m范圍內(nèi)由砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖組成，巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育程度弱，整體較為完整，對(duì)于保持頂板穩(wěn)定具有重要作用；②巷道頂板3.0m范圍為砂質(zhì)泥巖，巖層較為完好無(wú)明顯層理等弱結(jié)構(gòu)面，而3.0～7.0m范圍為細(xì)砂巖，巖層無(wú)弱結(jié)構(gòu)面，錨索合理長(zhǎng)度為4～6m[21]，有助于發(fā)揮錨索高承載能力；③巷道煤幫強(qiáng)度低軟弱，特別煤幫淺部破碎嚴(yán)重，削弱樹(shù)脂錨桿錨固效果，應(yīng)加強(qiáng)煤幫支護(hù)。

3 1228留巷支護(hù)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)巷道圍巖條件

1228運(yùn)輸巷實(shí)施切頂沿空留巷，巷道埋深為490～525m，圍巖綜合柱狀如圖6所示，2#煤厚度2.83m，傾角2°～5°，頂板直接頂為厚約2.56m粉砂質(zhì)泥巖；基本頂為厚約7.0m砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，深灰色，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，碎屑成分以石英為主；直接底為厚約1.2m為粉砂巖，淺黑色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合。

圖6 圍巖綜合柱狀

3.2 留巷錨桿支護(hù)優(yōu)化

1228留巷仍采用矩形斷面，斷面積由5000mm×3500mm加寬為5500mm×3500mm，留巷寬度加大，支護(hù)難度也增大。針對(duì)切頂沿空留巷壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈易發(fā)生大變形的破壞特征，基于前文分析原留巷支護(hù)存在問(wèn)題，再結(jié)合留巷地質(zhì)力學(xué)評(píng)估的前提下，提出并優(yōu)化1228留巷錨桿支護(hù)技術(shù)，1228留巷錨桿支護(hù)優(yōu)化方案如圖7所示。具體參數(shù)說(shuō)明如下：

圖7 1228留巷錨桿支護(hù)優(yōu)化(mm)

提高錨桿錨索材料強(qiáng)度，錨桿材料由原鋼號(hào)335#增大到鋼號(hào)500#，直徑由20mm增粗到22mm，即錨桿極限載荷相比原錨桿材料提高1.8倍，顯著提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度，加大對(duì)留巷大變形的控制能力。頂板布置6根、兩幫各布置4根型號(hào)為?22mm-M24-2400mm高強(qiáng)度錨桿，頂板錨桿采用1支CK2355和1支Z2355樹(shù)脂藥卷，而兩幫采用1支Z2355樹(shù)脂藥卷，均為加長(zhǎng)錨固，配套托板由原來(lái)?120mm×8mm圓形托板配套為150mm×150mm×10mm方形高強(qiáng)度拱形托板，以改善錨桿桿體與附件托板配套的兼容性；錨索由原來(lái)1×7股、直徑?21.6mm升級(jí)為1×19股、直徑為?21.8mm，最大力延伸率由3.5%提高為7%，以適應(yīng)沿空留巷圍巖大變形，頂板布置3根型號(hào)為?21.8mm-1×19-6300mm強(qiáng)力錨索，采用1支MSCK2355和2支MSZ2355樹(shù)脂藥卷端部錨固，配套高強(qiáng)度拱形托板，規(guī)格為300mm×300mm×14mm，承載力不低于700kN，以改善錨索索體與附件托板配套兼容性。輔助構(gòu)件頂板采用型號(hào)為BHW4.5-280-5300-1000-6型W鋼帶，兩幫采用BHW4.5-280-450型鋼護(hù)板，頂幫均采用10#鐵絲金屬網(wǎng)護(hù)表，加強(qiáng)兩幫支護(hù)強(qiáng)度。頂錨桿間排距為1000mm×1000mm，幫錨桿間排距為900mm×1000mm，錨索間排距為1800mm×2000mm。為了確保錨桿錨索控制圍巖質(zhì)量和效果，錨桿預(yù)緊扭矩由190N·m提高到300N·m，錨索預(yù)緊力由140kN增大至300kN。調(diào)整錨桿錨索為交錯(cuò)隔排布置方式，所有錨桿錨索均設(shè)計(jì)垂直巷道表面安裝。

3.3 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

3.3.1 留巷現(xiàn)場(chǎng)施工情況

1228留巷全長(zhǎng)1666m，采用原方案實(shí)施390m，采用優(yōu)化方案完成1276m。其中400～490m范圍由于斷層地質(zhì)構(gòu)造影響，局部地段419～423m、470～473m、500～505m頂板破碎成形較差，除此之外留巷成形完整，錨桿扭矩和錨索預(yù)緊力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)取得預(yù)期效果。

3.3.2 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

除局部地段因斷層影響巷道頂板較破碎，留巷掘進(jìn)期間巷道其他地段無(wú)較大變形。留巷回采期間表面位移與工作面推進(jìn)距離變化曲線如圖8所示，由圖8可知，頂板最大下沉為132mm，底鼓為165mm，兩幫位移為160mm，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用優(yōu)化方案能有效控制住留巷采掘期間強(qiáng)烈變形。

圖8 留巷表面位移與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

4 結(jié) 論

1)留巷原支護(hù)的主要問(wèn)題為頂板錨桿錨索同排布置，錨桿錨索預(yù)應(yīng)力小，錨索平托板承載力低、傳遞預(yù)應(yīng)力效果差。

2)留巷區(qū)域?yàn)橹械人降臉?gòu)造應(yīng)力，水平主應(yīng)力方向?qū)ο锏理攷徒怯忻黠@影響，頂板由砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖構(gòu)成，圍巖強(qiáng)度受?chē)鷰r結(jié)構(gòu)影響小，煤層淺部破碎強(qiáng)度低，控制煤幫穩(wěn)定為留巷支護(hù)的關(guān)鍵。

3)優(yōu)化1228留巷錨桿支護(hù)技術(shù)，采用改變錨桿錨索布置形式，增大錨桿錨索材料強(qiáng)度，提高錨桿錨索預(yù)應(yīng)力，強(qiáng)調(diào)錨桿錨索垂直安裝，改善錨桿錨索與托板兼容性，采用優(yōu)化方案試驗(yàn)取得良好效果。