高預(yù)應(yīng)力支護(hù)在寺河礦西二盤區(qū)大斷面順槽巷道中的應(yīng)用

王紅兵

（山西晉煤集團(tuán) 澤州天安靖豐煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

近年來隨著采煤技術(shù)以及機(jī)械設(shè)備的快速發(fā)展，在條件適宜的情況下，大采高工作面已越來越普遍。寺河礦作為一個高產(chǎn)高效礦井，瓦斯含量特別高，嚴(yán)重影響各項(xiàng)工程的進(jìn)展，西二盤區(qū)巷道在掘進(jìn)支護(hù)過程中，圍巖十分破碎，巷道變形嚴(yán)重，頂板和兩幫位移較大，底鼓劇烈。錨桿、錨索、鋼筋托梁、槽鋼托梁和金屬網(wǎng)片等支護(hù)構(gòu)件受力很大，變形明顯，甚至出現(xiàn)破斷，網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道支護(hù)效果差，巷道安全達(dá)不到根本保證。為此急需針對寺河礦的特殊地質(zhì)條件，探尋適合該礦一次使用巷道的支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

寺河煤礦現(xiàn)開采3號煤層，該煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，埋深為403 m，煤層厚度平均為6.24 m，普遍含有夾矸2層，為穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采，煤層傾角平均為4°，內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育。單軸抗壓強(qiáng)度平均為17.72 MPa。寺河煤礦W2301工作面為一次采全高工作面，工作面長度200 m，工作面由東向西依此布置有15巷、11巷、13巷、12巷和14巷，其中15巷與11巷間煤柱中-中為20 m，13與12巷間煤柱中-中為35 m，12與14巷間煤柱中-中為20 m。工作面北側(cè)布置切眼，南側(cè)布置回撤通道?；夭上锏?、切眼和回撤通道均沿煤層底板掘進(jìn)。本文主要研究23013巷，巷道整體處在一個中間低兩頭高的寬緩向斜區(qū)域，煤層整體較平，坡度變化范圍為0°～8°，平均為5°。直接頂為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，砂質(zhì)泥巖呈灰黑色，中厚層狀，平均厚度為4.16 m，中粒砂巖呈深灰色，厚層狀，平均厚度為3.4 m；老頂為砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，中厚層狀，平均厚度為11.8 m；底板為砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，中厚層狀。

2 支護(hù)原理

近年來隨著煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，對錨桿支護(hù)理論的研究也取得較大進(jìn)展，經(jīng)大量的研究發(fā)現(xiàn)，錨桿支護(hù)的本質(zhì)是改善錨固區(qū)圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力狀態(tài)，從而控制圍巖變形和破壞。本文針對寺河礦W23013巷道圍巖破碎、巷道變形嚴(yán)重等問題，運(yùn)用康紅普研究院提出的高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，分析復(fù)雜條件下錨桿的支護(hù)作用。

巷道圍巖變形主要包括結(jié)構(gòu)面離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形（不連續(xù)變形），和圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等（連續(xù)變形），開巷后圍巖先產(chǎn)生不連續(xù)變形。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的擴(kuò)容變形，使錨固區(qū)圍巖成為剛度較大的承載的結(jié)構(gòu)，同時改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到深部圍巖中，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散，對支護(hù)效果起著決定性作用。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度大于一定的值時，錨固區(qū)才能不產(chǎn)生明顯離層，圍巖變形得到有效控制，其關(guān)鍵是錨桿預(yù)應(yīng)力。因此，對于條件復(fù)雜巷道，應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 不同方案預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散對比

根據(jù)本文研究背景的具體地質(zhì)和技術(shù)條件，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件分別模擬了不同錨桿直徑、不同錨桿錨索間排距情況下，錨桿錨索在零原巖應(yīng)力場中的擴(kuò)散情況。對比分析可知：①23013巷兩幫施工4根直徑為22 mm的錨桿能在巷幫形成有效的壓應(yīng)力疊加區(qū)域，錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果明顯。②23013巷頂板錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果明顯，當(dāng)頂板布置6根錨桿時，壓應(yīng)力疊加區(qū)域非常明顯；當(dāng)頂板布置5根錨桿時，壓應(yīng)力疊加區(qū)域不能覆蓋整個頂板，兩根錨桿之間煤巖體的壓應(yīng)力值較6根錨桿情況下有一定減少。③錨桿直徑對預(yù)應(yīng)力在錨桿長度方向一定影響，錨桿直徑為22 mm時，沿著錨桿長度方向圍巖受力更為均勻；同時錨桿直徑的增加，錨桿本身的力學(xué)性能增強(qiáng)，在受到動壓影響下抗沖擊性能更強(qiáng)而不易被拉斷或剪斷。部分模擬圖片，見圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力場分布

3.2 巷道掘進(jìn)階段方案對比

為分析巷道掘進(jìn)階段錨桿間排距、錨桿直徑和錨索排距對支護(hù)效果的影響，首先模擬分析無支護(hù)狀態(tài)下，巷道圍巖變形破壞情況。由數(shù)值模擬分析可知，在無支護(hù)作用時，巷道頂板及兩幫塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，破壞嚴(yán)重，巷道頂板及兩幫變形量較大，分別達(dá)到285 mm和389 mm。

1）頂板錨桿根數(shù)。模擬頂板每排5根、6根和7根錨桿三種情況下巷道圍巖變形量。分析可知：5根錨桿時，巷道頂板下沉量和兩幫相對移近量分別為163 mm和256 mm，分別降低42%和34%；6根錨桿時，巷道頂板下沉量和兩幫煤體相對移近量分別為86 mm和165 mm，降低量達(dá)到69%和57%；7根錨桿時，支護(hù)狀況與6根錨桿時接近，頂板及兩幫變形量變化不大。

2）頂板錨桿直徑。錨桿直徑是影響支護(hù)強(qiáng)度的重要因素，對18 mm、20 mm、22 mm、24 mm四種不同錨桿直徑下巷道圍巖變形量模擬分析可知：巷道頂板下沉量和兩幫相對移近量與錨桿直徑成反比例關(guān)系，即頂板下沉和兩幫相對移近量隨著錨桿直徑增大而減小，且直徑小于22 mm時，頂板下沉量變化很快，大于22 mm時，頂板下沉量變化不明顯。

3）頂板錨桿排距。結(jié)合礦井以往支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，模擬分析1.0 m和1.1 m兩種排距時，巷道頂板下沉量的變化情況。排距為1.0 m時，頂板下沉量為86 mm；排距為1.1 m時，頂板下沉量為142 mm，相比增加56 mm。可見排距由1.0 m增大到1.1 m時，對支護(hù)效果影響很大。

4）頂板錨索排距。對2 m、3 m和4 m三種錨索排距進(jìn)行模擬，可得出：隨著錨索排距的增加，巷道頂板下沉量逐漸增加，兩者呈正比例關(guān)系，且排距小于3 m時，頂板下沉量變化緩慢，大于3 m時，頂板下沉量變化較大。為保證巷道回采期間安全，錨索排距應(yīng)為2 m。

4 工程應(yīng)用

4.1 支護(hù)方案設(shè)計

考慮到巷道掘進(jìn)過程中的設(shè)備尺寸、通風(fēng)要求以及巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計巷道斷面尺寸如下：23013巷呈矩形，掘進(jìn)寬度5 000 mm，高度3 800 mm，掘進(jìn)斷面積19 m2。經(jīng)過數(shù)值模擬分析，W23013巷道支護(hù)采用樹脂加長錨固錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)布置圖見圖2，支護(hù)參數(shù)如下：

圖2 W23013巷錨桿支護(hù)布置圖

1）頂板支護(hù)。頂錨桿采用BHRB500鋼材22號左旋無縱筋螺紋鋼筋，長2 400 mm，每排6根錨桿，間距排距為900 mm×1 000 mm，全部垂直巷道頂板布置；錨固劑采用一支MSK2335和一支MSZ2360樹脂錨固劑，錨固長度為1 208 mm，錨固力不小于190 kN；錨桿預(yù)緊力矩不小于400 Nm；頂板錨桿采用鋼筋托梁聯(lián)接；錨桿配件力學(xué)性能與錨桿桿體配套；采用規(guī)格為5 400 mm×1 100 mm菱形網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片之間相互搭接，長度為100 mm。錨索采用2-0-2布置，直徑為22 mm，長7 300 mm，間排距為2 000 mm×2 000 mm，全都垂直巷道頂板打設(shè)；采用端部錨固，一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，錨固長度1 970 mm；錨索預(yù)緊力不小于250 kN。

2）巷幫支護(hù)。巷幫錨桿規(guī)格、錨固方式以及錨桿預(yù)緊力矩均與頂板相同，不同之處為：錨桿布置形式為每排4根錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，錨桿應(yīng)垂直巷幫打設(shè)，靠近頂板錨桿打設(shè)角度不大于10°；采用規(guī)格為 280 mm×350 mm×4 mm W鋼護(hù)板；采用規(guī)格為3 600 mm×1 100 mm菱形網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片之間相互搭接，長度為100 mm。

4.2 礦壓監(jiān)測

1）圍巖位移觀測。采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測斷面，對W23013巷在掘進(jìn)期間對表面位移進(jìn)行了監(jiān)測，測站的監(jiān)測曲線圖，見圖3。由監(jiān)測曲線可知：巷道由掘進(jìn)完成到巷道穩(wěn)定，巷道兩幫最大移近量為30 mm，巷道頂板下沉量為10 mm，底鼓量為13 mm，底鼓量占巷道頂?shù)卓傄平康?6.5%；巷道底鼓量占巷道頂?shù)装蹇傄平康谋壤^大，對頂板支護(hù)效果明顯。巷道在掘進(jìn)期間內(nèi)變形量較小，圍巖保持了較好的完整性，說明高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)有效地控制了巷道圍巖的變形。

圖3 表面位移監(jiān)測曲線圖

由監(jiān)測曲線可知：巷道由掘進(jìn)完成到巷道穩(wěn)定，巷道兩幫最大移近量為30 mm，巷道頂板下沉量為10 mm，底鼓量為13 mm，底鼓量占巷道頂?shù)卓傄平康?6.5%；巷道底鼓量占巷道頂?shù)装蹇傄平康谋壤^大，對頂板支護(hù)效果明顯。巷道在掘進(jìn)期間內(nèi)變形量較小，圍巖保持了較好的完整性，說明高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)有效地控制了巷道圍巖的變形。

2）支護(hù)體受力監(jiān)測。采用液壓枕式的錨桿測力計測試頂幫錨桿、錨索受力。由監(jiān)測結(jié)果分析可知：頂板和巷幫錨桿受力總體上呈遞增趨勢，錨桿發(fā)揮了應(yīng)有的支護(hù)效果，起到了控制圍巖變形的作用；巷幫錨桿后期受力減小其原因?yàn)閹筒棵后w酥松導(dǎo)致應(yīng)力損失，巷幫底角處錨桿受力較大，說明巷道底角為應(yīng)力的集中區(qū)，是支護(hù)的重點(diǎn)部位。頂板錨索受力整體是增大的趨勢，對控制圍巖變形起到了一定的抑制作用；巷幫錨索受力沒有明顯的增大，表明巷幫在強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)作用下，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)不劇烈，變形量不大。

5 結(jié)束語

1）分析了不同錨桿間排距、錨桿直徑和錨索排距對預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散及支護(hù)效果的影響；采用直徑為22 mm的錨桿，頂板布置6根，巷幫布置4根，錨桿間預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散效果最為明顯，巷道頂板下沉量和兩幫煤體相對移近量分別為86 mm和165 mm，較無支護(hù)時分別降低69%和57%，巷道圍巖變形得到有效控制。

2）礦壓觀測表明，錨桿錨索受力比較均勻，整個掘進(jìn)期間內(nèi)巷道變形量較小，巷道圍巖保持了較好的完整性，說明高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)有效地控制了巷道圍巖的變形。

[1]徐佑林，康紅普.高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對煤與瓦斯突出控制作用研究[J].煤炭學(xué)報，2013，38(7)：1168-1173.

[2]康紅普，林健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動壓巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2009，34(9)：1153-1159.

[3]康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報，2007，32(7)：680-685.

[4]馬飛.大采高工作面留巷強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)技術(shù)應(yīng)用[J].煤礦支護(hù)，2013(3)：19-23.

[5]張連英，馬超，李雁.錨桿支護(hù)機(jī)理的數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2013，44(9)：71-73.

[6]黃寶田，陳東印.高應(yīng)力軟巖巷道高強(qiáng)讓壓錨桿支護(hù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(8)：49-52.

[7]鮑永生.高應(yīng)力碎脹頂板巷道錨桿支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(12)：24-26.