全錨索支護在深部沖擊地壓區(qū)的應用

【摘要】隨著我國煤炭生產(chǎn)和現(xiàn)代化機械水平的不斷提高，其中部分大中型煤礦由于開采深度的增加，地應力增大，深部巷道變形量明顯增大，持續(xù)時間明顯增長，單一錨桿支護已不能滿足深部巷道的支護要求。尤其是在煤柱區(qū)及沖擊地壓區(qū)域施工時，如何采取有效的強化支護方式，是現(xiàn)階段掘進支護面臨的重大課題。本文從五龍煤礦的實際出發(fā)，針對煤柱沖擊地壓區(qū)域施工巷道的支護問題進行了有益的探索，通過兩年多的實踐，為全錨索支護在井巷施工中的應用奠定了基礎。

【關鍵詞】沖擊地壓；煤柱區(qū)；全錨索支護

前言

快速、安全、高效的掘進巷道是煤礦生產(chǎn)的先決條件，是保證正常的采掘接替、開展有效的瓦斯治理、建設安全高效礦井的必要條件。隨著我國煤炭生產(chǎn)和現(xiàn)代化機械水平的不斷提高，如何采取有效的強化支護方式，是現(xiàn)階段掘進支護面臨的重大課題。

阜礦集團五龍煤礦是一個有著50多年開采歷史的老礦區(qū)，1952年由前蘇聯(lián)列寧格勒設計院設計，經(jīng)過技術裝備改造，2006年核定產(chǎn)量為250萬t/a。五龍煤礦為高瓦斯礦井，地質(zhì)條件分類為二類Ⅱ型，礦井自燃危險等級為容易自燃，煤種為長焰煤，開拓方式為立井多水平分區(qū)式。

1、問題的提出

五龍煤礦進入21世紀以來，隨著礦井向-600以下水平的延伸，煤區(qū)的主采工作面開采深度均已達到800米以上，深部回采巷道支護遇到了前所未有的技術難題。五龍煤礦在煤柱及沖擊地壓區(qū)掘進巷道施工如何采取有效的支護方式是一直以來探索的重大課題。

2002年至2006年期間，我們對沖擊地壓區(qū)域的采區(qū)巷道主要以加大支護強度，增大支護材料投入為主，支護方式多為U棚+錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護，但經(jīng)過幾年的實踐，總結(jié)出這種支護的缺點，一是投產(chǎn)成本大，二是工人勞動強度高，三是施工速度緩慢，四是回采時上下兩道由于U棚的存在，使維修工作十分困難等。為此，從2007年起，集團公司進行支護改革，探索使用全錨索支護，五龍煤礦在3322上、下兩順重點沖擊區(qū)域進行了以全錨索支護代替U棚+錨桿合支護的試驗，經(jīng)近一年多的實踐，基本形成了一套行之有效的技術手段，為回采巷道在高應力區(qū)施工的有效支護探索出一條新路。

2、錨桿支護與錨索支護從理論上的比較與區(qū)別

2.1 松動圈理論與煤柱區(qū)錨索支護機理

2.1.1松動圈理論

松動圈理論是由中國礦業(yè)大學董方庭教授提出的，其主要內(nèi)容是：凡是堅硬圍巖的裸露巷道，其圍巖松動圈都接近于零，此時巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在，但并不需要支護。松動圈越大，收斂變形越大，支護難度就越大。因此，支護的目的在于防止圍巖松動圈發(fā)展過程中的有害變形。

1）小松動圈支護機理。當L=0～40cm時，稱為小松動圈。當L=0時，意味著開巷后圍巖只有彈塑性變形，其變形量小，變形時間短，因此不存在支護問題。

2）中松動圈支護機理。當L：40～150cm時，稱為中松動圈。圍巖的碎脹力比較明顯，圍巖的收斂變形將使噴層產(chǎn)生裂縫或破壞，因此，必須用錨桿控制其變形。由于L值一般小于常用錨桿長度，因此可以用懸吊理論。但錨桿的懸吊對象是圍巖松動圈在形成過程中的碎脹力，其懸吊點為松動圈以外的巖體。錨固力大于4kN可滿足支護要求。

3）大松動圈支護機理。當L>150cm時，稱為大松動圈，屬軟巖。L=150cm是圍巖松動圈支護理論劃分為軟巖的界線。圍巖變形量大，變形時間長，支護不成功時底鼓嚴重。對于這類圍巖，必須選用較強的支護才能防止底鼓。采用組合拱理論可以有效地進行支護。

2.1.2松動圈理論分析錨索支護原理。

按照中松動圈支護機理，3311上下兩順煤柱區(qū)圍巖為中松動圈，設計中可采用懸吊理論，錨索的主要作用是將下部不穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層中。但在煤柱區(qū)構(gòu)造帶附近、巷道變形比較大的區(qū)域，錨索通過錨固段與錨索托板之間的作用對巷道上方不穩(wěn)定巖層起到擠壓加固作用，這種作用也很重要，是對懸吊作用一個有力的補充。如果錨索僅僅起到懸吊作用，懸吊的重量一般都很大，將是很危險的，因此確保有足夠的預應力是錨索支護的一個關鍵問題。

以上內(nèi)容的分析是我們決定改變采區(qū)巷道傳統(tǒng)的錨桿+網(wǎng)+鋼帶支護的理論基礎。

3、全錨索支護設計

3.1 3322工作面概況

3322工作面主采煤層為太平上層群，煤層結(jié)構(gòu)復雜，層理，節(jié)理較發(fā)育，煤層厚度為12-13.6米，煤層中含夾石層數(shù)較多，夾石層數(shù)6-10層，夾石厚度變化在0.05-1.0米，巖性隨巖石厚度而變化，薄時為泥巖，厚時為粉砂巖，煤層中常伴有小構(gòu)造，及局部有劣質(zhì)煤。

煤層頂板為復合頂板，巖性為頁巖含薄煤層，厚度0.5-至3.0米，往上為直接頂，巖性為粉砂巖，厚度70米。

煤層底板含礫砂巖，厚度9米。

3.2 原巷道支護設計

原巷道支護采用錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。錨桿為ф20螺紋鋼長度為2.4米，幫使用ф20螺紋鋼長度為2.0米的等強錨桿，頂板布置8米錨索，每排三根，排距×間距：2.4米×1.6米。選用長4.1米，寬70，帶距0.8米，每排布置7根錨桿。錨桿間距0.8米。成巷后開展跟蹤寫實。

表中實見，前10天右?guī)鸵平看笥谧髱?，頂板下沉量大于底板鼓起量，巷道總體變形量大，從原支護設計實施情況分析（1）深部巷道地壓大，兩幫煤層因瓦斯大煤壁松弱，現(xiàn)支護形不成具有足夠強度的組合梁達到支撐上部圍巖。（2）錨桿錨深不夠，安裝時初錨力低，不能有效及時控制圍巖變化。

3.3 全錨索支護設計

2007年8月份開始，在3322運順工作面開展全錨索支護攻關研究，經(jīng)過寫實、分析、試驗、對該工作面采取以下改進措施：（1）工作面所有頂板錨桿均改為L=6米錨索，直徑：17.8mm，取代原巷道錨桿。（2）原巷道中間加打的長錨索由3根修改為四根，并將滯后距離由30米修改為為5.4米。

3322區(qū)經(jīng)過近半年多的實施及設點觀測，頂板下沉量由原來的300mm/10天下降為100mm/10天，工作面支護質(zhì)量得以顯著提高。

結(jié)論

煤柱區(qū)及沖擊地壓區(qū)均呈現(xiàn)軟巖特征，錨索支護代替錨桿由于錨深增加及錨索較錨桿強度的優(yōu)越性，不單掘進工程有使用價值，在以后處理軟巖及巷修工程也有廣泛的借簽意義。

參考文獻

[1]董方庭.巖石松動圈理論.徐州：中國礦業(yè)大學，1995

[2]蔣金泉.采場圍巖應力與運動.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993

[3]郭忠平.煤礦開采新技術.徐州：中國礦業(yè)大學，1999.

作者簡介

劉吉旗（1963-），男（漢），遼寧新民人，大專，采礦工程師，研究方向：采礦方面.