曹建來

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046200）

0 引 言

我國煤礦以井工開采為主，需要在井下掘進(jìn)規(guī)模巨大的巷道工程[1]。近年來，隨著開采規(guī)模的日益增大，煤礦巷道圍巖應(yīng)力逐漸增加，使得控制巷道圍巖穩(wěn)定性存在許多難題[2]。在巷道掘進(jìn)過程中，最初的支護(hù)設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)考慮因素不全面的情況，導(dǎo)致支護(hù)巷道圍巖變形量較大，難以滿足現(xiàn)場實(shí)用需要，需對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究[3-6]。

巷道圍巖穩(wěn)定是保證煤礦安全高效生產(chǎn)的前提[7]。隨著煤層埋深逐漸加大，開采引起的采動壓力對巷道支護(hù)的影響不斷增加，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)不同程度的損傷破壞，甚至引起巷道圍巖整體失穩(wěn)。目前國內(nèi)學(xué)者針對強(qiáng)動壓巷道支護(hù)問題做了大量試驗(yàn)研究并取得了一定的成果。孫利輝等[8]分析了極軟煤體物理力學(xué)特征及破碎機(jī)理，提出了短錨索支護(hù)+長錨索補(bǔ)強(qiáng)的全錨索加固技術(shù)；趙國棟等[9]優(yōu)化了水力壓裂方案，用主動+被動+改性注漿相結(jié)合的方式達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的；張占濤[10]等分析研究了受動壓影響煤柱內(nèi)支承壓力分布特征及其內(nèi)部巷道圍巖變形特征，提出了強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)配合高強(qiáng)度托板和金屬網(wǎng)的支護(hù)方式；任碩等[11]研究了復(fù)合頂板錨桿預(yù)應(yīng)力場分布規(guī)律，揭示了圍巖在軟硬不同巖性巖石中的應(yīng)力傳遞效果，提出了“動態(tài)錨固- 應(yīng)力擴(kuò)散”的支護(hù)方案；周逸群等[12]計(jì)算了巷道頂板各巖層破斷形式，揭示了墻體載荷與采空區(qū)側(cè)向頂板懸臂長度的關(guān)系，采用注漿加固的方式實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖重塑，使得圍巖恢復(fù)完整性。蔡峰[13]等揭示了圍巖強(qiáng)度低、強(qiáng)膨脹性、強(qiáng)吸水軟化、圍巖應(yīng)力四周來壓、支護(hù)與圍巖變形不耦合的失穩(wěn)機(jī)制，提出了錨梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)化頂板+恒阻錨桿加固兩幫+注漿錨固支護(hù)底角的恒阻讓壓耦合支護(hù)方案。本文針對五陽煤礦8005 運(yùn)輸巷巷道支護(hù)時支護(hù)密度大、支護(hù)成本高、施工緩慢、受動壓影響較大等問題，使用超高強(qiáng)柔性錨桿進(jìn)行支護(hù)，優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，降低了回采巷道支護(hù)成本及多次返修的費(fèi)用，保證了工作面安全快速推進(jìn)，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 概 況

五陽煤礦開采80 采區(qū)，開采對象為山西組中下部的3 號煤層，8005 運(yùn)輸巷位于80 采區(qū)南部，巷道從80 采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷開口，全長為1 983 m，工作面標(biāo)高為+298—+403 m。其東部為80 采區(qū)準(zhǔn)備巷道，南部為8006 回風(fēng)巷，北部為80-0305 底抽巷，西部為實(shí)煤體。

老頂為細(xì)粒砂巖，厚5.55～7.05 m，平均6.30 m，巖性為灰色、中厚層狀，成分以石英長石為主，含植物化石，垂直裂隙發(fā)育，f=4～8。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚2.32～3.97 m，平均3.15 m，巖性為灰黑色，塊狀，參差狀斷口，具豐富植物化石，f=2～4。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚1.29～4.53 m，平均2.91 m，巖性為灰黑色，塊狀，參差狀斷口，具豐富植物化石，f=2～4。老底為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖及泥巖，厚4.90～6.35 m，平均5.63 m，巖性為灰色、中厚層狀，成分以石英長石為主，含植物化石，垂直裂隙發(fā)育，f=4～8。

2 8005 運(yùn)輸巷超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)方案

8005 運(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，長1 980 m；巷道寬×高為5.5 m×3.8 m，8005 運(yùn)輸巷支護(hù)布置情況如圖1 所示。

圖1 8005 運(yùn)輸巷支護(hù)布置示意Fig.1 Support layout of 8005 transport roadway

2.1 頂板支護(hù)

2.1.1 超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)

超高強(qiáng)柔性錨桿規(guī)格為MSRG1860-17.8/4300，桿體材料為1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，強(qiáng)度級別為1 860 MPa，直徑17.8 mm，長度為4 300 mm。

加長錨固，采用1 支MSK2335 和4 支MSM2360 樹脂藥卷錨固，鉆孔直徑30 mm，錨固長度2 495 mm。

超高強(qiáng)柔性錨桿布置：間距1 200 mm，排距1 000 mm，巷道每排打設(shè)5 根超高強(qiáng)柔性錨桿。

鋼筋托梁采用直徑16 mm 圓鋼焊接而成，寬度100 mm，長度4 950 mm。

超高強(qiáng)柔性錨桿托板采用高強(qiáng)度托板。托盤尺寸為：300 mm×300 mm×16 mm。

超高強(qiáng)柔性錨桿除左右2 根按與垂直面10°打設(shè)外，其余垂直頂板打設(shè)。

頂錨固扭矩400 N·m。

2.1.2 錨索支護(hù)

錨索形式和規(guī)格：長錨索材料為直徑21.6 mm，1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為6.3 m。

錨索錨固方式：加長錨固，采用1 支MSK2335 和2 支MSM2360 樹脂藥卷錨固，鉆孔直徑30 mm，錨固長度1 970 mm。

錨索布置：錨索間距2 000 mm，排距1 000 mm，全部垂直頂板打設(shè)。

鋼筋托梁采用直徑16 mm 圓鋼焊接而成，寬度100 mm，長度4 150 mm。

錨索托板采用高強(qiáng)度托板。托盤尺寸為：300 mm×300 mm×16 mm。

錨索全部垂直頂板打設(shè)。

錨索初次張拉時預(yù)張力不小于300 kN，損失后不得低于250 kN。

2.2 幫部支護(hù)

2.2.1 錨桿支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格：選用型號MSGLW-600/22×2400 的金屬錨桿，桿體為超強(qiáng)熱處理左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為CRM600，屈服強(qiáng)度600 MPa，桿體直徑22 mm，長度2.4 m，延伸率不低于20%，沖擊吸收功不小于40 J；錨桿尾部螺紋M24，螺紋段長120 mm。

錨固方式：采用2 支樹脂錨固劑加長錨固，錨固劑規(guī)格分別為MSK2335 和MSM2360，鉆孔直徑≤30 mm，錨固長度約為1 208 mm。

錨桿布置：錨桿間距850 mm，每排打設(shè)5 根，錨桿排距900 mm。

鋼筋托梁采用直徑16 mm 圓鋼焊接而成，寬度100 mm，長度3 550 mm。

錨桿采用高強(qiáng)度配套的拱形托板。托盤尺寸為：150 mm×150 mm×8 mm。

網(wǎng)片采用10 號鐵絲編織的經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，規(guī)格為3 600 mm×1 000 mm。用16 號鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連。

錨桿間距850 mm，每排打設(shè)5 根，錨桿排距900 mm。

錨桿左右?guī)图? 根按與垂直面10°打設(shè)，左右?guī)湍_2 根按與垂直面10°打設(shè)，其余垂直巷道兩幫打設(shè)。

幫錨固扭矩300 N·M。

2.2.2 錨索支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格：錨索材料為直徑21.6 mm，1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為5 300 mm。

錨固方式：采用3 支樹脂錨固劑加長錨固，分別為1 支MSK2355 和2 支MSM2360，鉆孔直徑≤30 mm，錨固長度約為1 970 mm。

錨索布置：工作面外幫采用“2-0-2”式每排2 根布置，排距1 000 mm，間距2 300 mm，距頂、距底均750 mm。內(nèi)幫不布置錨索。

錨索托板采用高強(qiáng)度托板。托盤尺寸為：300 mm×300 mm×16 mm。

錨索全部垂直外幫打設(shè)。

錨索初次張拉時預(yù)張力不小于300 kN，損失后不得低于250 kN。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，為了評估支護(hù)方案的合理性，需要對巷道圍巖變形量、錨桿錨索受力進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，如有需要，可適當(dāng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)對巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測，包括頂?shù)紫鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平?。在距離試驗(yàn)巷道開口段50 m、100 m 位置共設(shè)計(jì)2 個監(jiān)測測站，每個測站安設(shè)2 個監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面內(nèi)采用十字布點(diǎn)法安設(shè)測點(diǎn)，測點(diǎn)的基點(diǎn)安設(shè)必須牢固。測試斷面布置的當(dāng)天進(jìn)行第一次測量，以后每天觀測1 次，20 d 后每2 d 觀測1 次。圖2、圖3為巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后兩測站頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平孔兓?guī)律。

監(jiān)測結(jié)果如圖2、圖3 所示，使用了超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)后，巷道受動壓影響減小。移進(jìn)速度隨著時間的推移先快后慢，巷道兩幫和頂板移進(jìn)量逐漸增加，測站1 頂?shù)装逡七M(jìn)量在22 d 達(dá)到265.1 mm 并趨于穩(wěn)定，兩幫移進(jìn)量在20 d 達(dá)到196.5 mm 并趨于穩(wěn)定；測站2 頂?shù)装逡七M(jìn)量在20 d 達(dá)到258.1 mm 并趨于穩(wěn)定，兩幫移進(jìn)量在20 d 達(dá)到180.3 mm 并趨于穩(wěn)定。由此可見，采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)圍巖控制效果明顯，提高了巷道圍巖的自承能力，巷道掘出后圍巖穩(wěn)定時間也大大縮短，巷道圍巖變形速度和變形量均得到了減小，有效地控制8005 運(yùn)輸巷的有害變形，證實(shí)了超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)技術(shù)優(yōu)化方案的合理性。

圖3 2 號測站巷道表面位移Fig.3 Roadway surface displacement of No.2 station

4 結(jié) 論

（1） 本文針對8005 運(yùn)輸巷巷道支護(hù)時支護(hù)密度大、支護(hù)成本高、施工緩慢、受動壓影響較大等問題，使用了超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，降低了回采巷道支護(hù)成本及多次返修的費(fèi)用，保證了工作面安全快速推進(jìn)，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（2） 工業(yè)性試驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)技術(shù)和優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)，提高了巷道圍巖的自承能力，圍巖控制效果十分明顯，提高了巷道承受動壓影響的能力，巷道掘出后圍巖穩(wěn)定時間也大大縮短，巷道圍巖變形速度和變形量均得到減小，有效地控制8005 運(yùn)輸巷的有害變形，證實(shí)了超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)技術(shù)優(yōu)化方案的合理性。