王亞能

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤大同公司青磁窯煤礦，山西 大同 037000）

引言

隨著科技的飛速發(fā)展，對煤炭資源開采的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，其中，沿空留巷技術(shù)是應(yīng)用極為廣泛的新型煤礦開采技術(shù)。為保障沿空留巷技術(shù)[1]的安全實施，做好支護(hù)是其中的關(guān)鍵一環(huán)。由于沿空留巷中圍巖變化量較大，所以采用普通的金屬支架[2]難以完成支護(hù)任務(wù)，不僅達(dá)不到期望的支護(hù)效果，而且支架損壞也十分嚴(yán)重，從經(jīng)濟以及效益方面來講都不是很合適。因此，目前多采用更為穩(wěn)固的錨桿支護(hù)方案[3-4]，以提高巷道的支護(hù)效果和整個煤礦開采的質(zhì)量和效率。

1 工程概況

該項工程研究試點為山西某礦坑的運輸巷道。該工程所在的回采工作面深度在685～790 m，煤層厚度0.7～1.9 m，煤層傾角平均29°，整個回采工作面長度362 m，斜坡的長度118 m。巷道頂部為粉砂巖，厚度2.3 m，巷道底部厚度為1.2 m，下面還有0.7 m 厚的煤層和4.9 m 厚的細(xì)砂巖。由于開采巷道中出現(xiàn)了頂板下沉等不利因素，對開采人員的安全產(chǎn)生巨大的威脅，所以，必須對其進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)。

2 沿空留巷

2.1 沿空留巷存在問題

1）沿空留巷，就是在完成采煤任務(wù)后，在已經(jīng)完成的回采工作面邊緣進(jìn)行維護(hù)，收回在巷道中留下來的煤柱。之前為研究沿空留巷而創(chuàng)立的各種方式，都只是簡單探索了巷道支護(hù)體系與圍巖作用的關(guān)系，單純地將這種關(guān)系體現(xiàn)在了巷道旁邊的支護(hù)架構(gòu)對頂板的支護(hù)作用，卻忽略了巷道內(nèi)部對頂板的支護(hù)作用以及巷道中煤體對巷道的維護(hù)作用。

2）由于工作面采高逐漸加大，上表面巖層覆蓋活動劇烈程度和涉及的范圍也不斷增加，而且回采工作面巷道斷面比較大，礦壓表現(xiàn)[5]也很劇烈。當(dāng)前所采用的金屬支架防護(hù)和木棚支架防護(hù)采用加固鋼架硬度以及縮短木棚之間距離的方式仍然不能保持巷道的穩(wěn)定性。因此，需要采取一種能夠可以提供支護(hù)阻力的錨桿支護(hù)方式。

3）隨著采高的不斷增加，支護(hù)的阻力也隨之大大增加，但都屬于被動支護(hù)[6]，只有在頂板發(fā)生掉落時才會發(fā)揮支護(hù)作用[7]，不會在毫無問題的情況下主動提供支護(hù)，沒有達(dá)到保障安全的目的。

2.2 沿空留巷中頂板下降位移量規(guī)律

巷道中回采工作面中引發(fā)的運動是巷道上覆巖層運動，這種運動趨勢是從下至上發(fā)展的，上部的運動慢于下部，因此，沿空留巷中的頂板會在之后很長的一段時間里受到這種運動的影響。開采前10 m 這種運動就開始出現(xiàn)，頂板出現(xiàn)下降現(xiàn)象，在下沉量小不會產(chǎn)生明顯影響，在之后推進(jìn)的60 m 中上覆巖層運動劇烈，頂板開始快速下沉，60 m 之后巖層趨于穩(wěn)定，頂板下沉速度也開始變緩最后趨于穩(wěn)定。這時頂板明顯朝著采空區(qū)的方向傾斜，傾斜的角度在3°～5°，頂板的下沉量也在開采高度的11%～21%，嚴(yán)重威脅開采安全，因此，需要合適的頂板支護(hù)方案來抑制這一現(xiàn)象。

3 錨桿支護(hù)及錨桿參數(shù)

支護(hù)方案采用錨桿和錨索等部件傳遞圍巖的應(yīng)力到圍巖的深部區(qū)域[8]，從而提高圍巖整體的強度，使巷道成為一個完整而又穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)整體，最后達(dá)到主動支護(hù)的效果。巷道的巖體部分多以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，混含有少量的泥層，因此支護(hù)時多采用層狀的頂板進(jìn)行支護(hù)。巷道斷面為矩形結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如下頁圖1 所示。

圖1 沿空留巷示意圖

錨桿和錨索具有的預(yù)應(yīng)力對巷道的支護(hù)效果有巨大的影響[9]。錨桿的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩如下頁圖2所示，根據(jù)圖2 可知，如果錨桿垂直方向安裝，錨桿的預(yù)緊扭矩在185 N·m，相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力在27 kN，對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力水平較低。因此，錨桿和錨索的安裝角度對預(yù)應(yīng)力的大小有著很大的影響作用。通過圖2 可以看出，兩種不同安裝角度設(shè)置下的錨桿的預(yù)應(yīng)力也有不同的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩大小，盡管都是呈上升趨勢，在預(yù)應(yīng)扭矩為250 N·m 的前提下，角度為0°的錨桿預(yù)應(yīng)力為40 kN，角度為10°的錨桿預(yù)應(yīng)力為30 kN，而且在預(yù)應(yīng)扭矩增大的情況下，錨桿預(yù)應(yīng)力的損失也會不斷增大，并且兩種不同安裝設(shè)置角度下的錨索的預(yù)緊力也在跟著拉力增加而增大，所以錨桿和錨索應(yīng)垂直安裝，這是一種最佳的受力方式。如果錨桿和錨索安裝時偏移的角度過大，會造成錨桿和錨索的預(yù)應(yīng)力較低，容易造成錨桿錨索的非正常斷裂而失效。

圖2 錨桿預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩關(guān)系圖

具體錨桿參數(shù)如下，頂板支護(hù)時采用直徑20 mm、長度2 200 mm 的一種左旋螺紋鋼錨桿，每排放5根錨桿，間排距設(shè)置為900 mm、900 mm，錨桿選用具有樹脂藥卷的MSK2350 型，錨桿的托板采用Q235 型的國家標(biāo)準(zhǔn)的鋼板，具體規(guī)格為90 mm×90 mm×7 mm。錨桿的錨固力需在45 kN 以上，預(yù)緊力需在25 kN 以上。巷幫支護(hù)的錨桿參數(shù)選擇直徑為16 mm、長度為2 000 mm，回采側(cè)不支護(hù)，非回采側(cè)的副幫采用3 根錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距為900 mm、1 000 mm，錨固的長度為500 mm，錨固參數(shù)同樣為錨固力在45 kN以上，預(yù)緊力在25 kN 以上。

錨索的參數(shù)如下：頂板使用直徑為14.22 mm、長度為5 500 mm 的錨索，支護(hù)時采用型號為K2350 型的樹脂錨固劑，間距為1.8 m，錨索的預(yù)緊力在95 kN以上。錨索的頂板同樣采用Q235 鋼，規(guī)格為11 mm×250 mm×250 mm。頂板還需采用直徑為6 mm 的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔設(shè)置為100 mm×90 mm，網(wǎng)片的長×寬=1 000 mm×4 500 mm。巷道支護(hù)設(shè)計如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)設(shè)計圖（單位：mm）

4 實際應(yīng)用效果分析

將具體方案進(jìn)行實際應(yīng)用后，只有少部分地區(qū)的頂板發(fā)生輕微破裂現(xiàn)象，沿空留巷巷道階段沒有明顯的變形。開采期間巷道的頂板、兩幫和底板的表面位移與距離回采面的距離關(guān)系如圖4 所示，根據(jù)圖4 可以看出，頂板位移量為130 mm，底板位移量為161 mm，兩幫的位移量為158 mm。根據(jù)這次實際應(yīng)用結(jié)果可以看出，采用的錨桿支護(hù)方案有效抑制了沿空留巷中的圍巖變形和頂板變形問題，提升了煤礦開采的安全系數(shù)，提高了開采效率。

圖4 巷道表面位移與距回采面距離關(guān)系

5 結(jié)論

通過對沿空留巷存在問題的研究，錨桿預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)扭矩相互關(guān)系的分析，以及對支護(hù)后巷道頂板、底板和兩幫位移量的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）錨桿和錨索的安裝角度對預(yù)應(yīng)力的大小有著很大的影響作用，在預(yù)應(yīng)扭矩增大的情況下，錨桿預(yù)應(yīng)力的損失也會不斷增大，錨桿垂直安裝的情況下效果最好。

2）巷道內(nèi)采用錨桿支護(hù)的沿空留巷技術(shù)，有效抑制了沿空留巷中的圍巖變形和頂板變形問題，頂板位移量減小為130 mm，底板位移量減小為161 mm，兩幫的位移量減小為158 mm。顯著改善了沿空留巷的維護(hù)問題，而且錨桿支護(hù)提高了支護(hù)能力，減小了頂板下降位移量，有利于巷道支護(hù)體系維護(hù)。