錨索梁聯(lián)合支護(hù)過破碎帶快速施工技術(shù)在屯蘭礦的應(yīng)用

仲曉偉

（西山煤電集團屯蘭礦，山西　古交　030200）

1　12505順槽巷巷道圍巖條件分析

屯蘭礦12505順槽巷位于南五盤區(qū)2號煤層，巷道設(shè)計長度為1 600m，工作面煤層厚度為3.6～4.5m，平均厚4.2m，f=2.0，煤層中夾雜著厚度為0.3m灰褐色炭質(zhì)泥巖，f=2.5～3，2號煤層頂板存在偽頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為0.8m；12505順槽巷直接頂主要以深灰色粉砂巖為主，巖層平均厚度為4.8m，直接頂巖石層脆性大，巖層內(nèi)混合植物化石及菱鐵質(zhì)結(jié)核，巖石層裂隙及節(jié)理較多；12505順槽巷基本頂主要以灰色粗砂巖為主，平均厚度為5.0m。12505順槽巷巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.4m，巷道采用爆破施工工藝，由于該巷道圍巖節(jié)理裂隙比較發(fā)育，強度低，巷道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)頂板破碎、離層、局部冒頂現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道支護(hù)困難。

2　12505順槽巷巷道破壞原因分析

1）圍巖應(yīng)力高。12505順槽巷在施工期間受鄰近采空區(qū)及上覆巖層采動壓力影響，巷道圍巖應(yīng)力相對較高。在受多重應(yīng)力集中作用下，巷道圍巖應(yīng)力是普通圍巖應(yīng)力3倍以上，因此采動影響是導(dǎo)致12505順槽巷礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重的主要原因[1]。

2）圍巖軟弱。根據(jù)屯蘭礦地質(zhì)科提供水文地質(zhì)資料顯示，12505順槽巷在掘進(jìn)期間存在偽頂，厚度為0.8m，受應(yīng)力影響偽頂無法預(yù)留，隨采隨落，同時該巷道直接頂厚4m左右，巖性軟弱，容易導(dǎo)致頂板離層，發(fā)生冒頂事故。

3）支護(hù)方式不合理。12505順槽巷在施工期間礦壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)在頂板離層、破碎、嚴(yán)重變形。前期采用錨、網(wǎng)支護(hù)效果較差主要原因如下：錨桿支護(hù)對圍巖護(hù)表不足，造成破碎巖石從錨桿之間擠出，雖然錨、網(wǎng)支護(hù)護(hù)表能力相對強一些，但原來使用的頂板網(wǎng)片為鐵絲網(wǎng)，強度和剛度都較低，不能限制破碎巖石從錨桿之間擠出。錨桿在施工過程中安裝質(zhì)量差，造成錨固力及支護(hù)阻力不符合設(shè)計規(guī)定。頂板軟巖厚度達(dá)，而錨固區(qū)范圍較小，不能有效阻止錨固區(qū)以外不穩(wěn)定巖層離層。

3　錨、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)

3.1　關(guān)鍵圈（層）理論研究

施工巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素主要有兩方面：一是巷道在開挖時自身穩(wěn)定性強弱；二是巷道圍巖支護(hù)材料質(zhì)量及支護(hù)設(shè)計合理性。前者是巷道圍巖自身穩(wěn)定（形成結(jié)構(gòu)）的問題，而后者則是通過選擇合理的支護(hù)材料和支護(hù)參數(shù)，通過支護(hù)材料與巖石層相互膠結(jié)作用，從而形成一個錨固層且錨固層承載力符合設(shè)計要求。圍巖自身形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)即為關(guān)鍵承載圈，如圖1所示，而通過對巖石層人為施工錨桿、錨索從而形成具有較強承載能力的巖石體稱之為次生承載圈，次生承載圈相對穩(wěn)定，而且承載能力強。

圖1　巷道圍巖的關(guān)鍵承載圈示意圖

3.2　支護(hù)作用分析

1）錨桿支護(hù)。巷道在施工期間圍巖的原巖應(yīng)力重新分布，從而形成承受巖層載荷的關(guān)鍵承載圈，巷道支護(hù)對象主要是關(guān)鍵承載圈以內(nèi)的巖層通過錨桿加固后形成錨固體或次生承載圈，它的穩(wěn)定與否取決于打入的錨桿是否能與圍巖形成較為穩(wěn)定的共同承載體。當(dāng)錨桿能深入關(guān)鍵承載圈內(nèi)部時，錨桿可有效將破壞區(qū)巖層與穩(wěn)定承載圈相互連接，從而避免了破壞區(qū)巖層冒落、擴容、離層、滑動現(xiàn)象；當(dāng)錨桿不能深入到關(guān)鍵承載圈內(nèi)部時，錨桿會在破壞區(qū)巖層形成局部次生承載圈，不僅使關(guān)鍵承載圈內(nèi)的應(yīng)力分布均勻，而且有效制止了破壞區(qū)巖層進(jìn)一步擴容及離層。

2）金屬網(wǎng)支護(hù)。金屬網(wǎng)支護(hù)主要是對巷道頂板錨桿間巖層加以徑向約束力，阻止巖石層離層、擴容，并提高關(guān)鍵承載圈承載能力。在錨桿可深入到關(guān)鍵承載圈的情況下，網(wǎng)的主要作用是阻止錨桿間的巖石擴容、離層及垮落。在錨桿不能伸入到關(guān)鍵承載圈的情況下，網(wǎng)更重要的作用是與傾斜錨桿組成組合支護(hù)系統(tǒng)，阻止錨固區(qū)內(nèi)巖層發(fā)生過大的轉(zhuǎn)動和垮落。

3）錨索支護(hù)。若施工巷道圍巖應(yīng)力較高且?guī)r石層相對破碎，巷道圍巖關(guān)鍵承載圈與巷道輪廓相對較遠(yuǎn)，采用錨桿支護(hù)無法滿足要求，一般采用錨索支護(hù)將次生關(guān)鍵承載圈懸吊在關(guān)鍵承載圈上，不僅防止次生關(guān)鍵承載圈發(fā)生變形、破壞，同時也可以改變關(guān)鍵承載圈的應(yīng)力狀態(tài)，使其應(yīng)力分布更加均勻，保證關(guān)鍵承載圈長期穩(wěn)定。

3.3　錨、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)分析

1）12505順槽巷頂板巖性軟弱，又要受到采動影響，關(guān)鍵承載圈離巷道周邊較遠(yuǎn)，錨桿不能深入關(guān)鍵承載圈，因此選擇采用錨、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)的方式維護(hù)巷道[2]。

2）12505巷道頂板采用直接為22mm，長度為2.5m無縱筋螺紋剛錨桿，錨桿間排距為1.0m，每根錨桿配套一支MSK23/60，一支MSKC23/35樹脂藥。護(hù)幫錨桿采用直徑為22mm，長度為2.0m無縱筋螺紋剛錨桿，錨桿間排距為1.0 m，每根錨桿一支MSK23/60 樹脂藥[3]。

3）頂板錨索采用直接為21.6mm，長度為5.5m預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排施工三根錨索，錨索間距為1.8m，錨索排距為3.0m，錨索施工在相鄰兩排鋼帶中間，每根錨索配套一根長度為0.6m鋼梁，錨索配套三支樹脂藥，即兩支MSK23/60，一支MSKC23/35，巷道斷面上的錨桿和錨索布置如圖2所示。

4）頂板金屬網(wǎng)采用長度為5.0m，寬度為1.4m，網(wǎng)格為50mm×50mm的菱形網(wǎng)，相鄰兩卷金屬網(wǎng)搭接寬度不低于0.2m，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用鉛絲五花連接。

5）所有錨桿外露長度控制在10～30mm，錨索外露長度控制在150～250mm，頂錨桿預(yù)緊力不得低于200N·m，錨固力不得低于8 t；幫錨桿預(yù)緊力不得低于150 N·m，錨固力不得低于5 t；錨索預(yù)緊力不得低于10 t，錨固力不得低于17 t[4]。

圖2　12505順槽巷斷面支護(hù)示意圖（未標(biāo)單位：mm）

4　錨、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)優(yōu)點

1）降低了支護(hù)材料成本，成功實現(xiàn)了巷道頂板由被動支護(hù)方式（棚架支護(hù)）到主動支護(hù)（錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)）的轉(zhuǎn)變，大大降低了巷道圍巖移近量，有效控制了巷道的變形，增強了圍巖的穩(wěn)定性，提高了支護(hù)效果。

2）改進(jìn)了支護(hù)工藝，優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，提高了巷道快速掘進(jìn)效率，解決了掘進(jìn)與支護(hù)作業(yè)不平衡的難題，有效降低了支護(hù)勞動強度。

3）提高了掘進(jìn)巷道的使用周期，適用于任何斷面規(guī)格巷道，加快了掘進(jìn)速度，降低了巷道頂幫地質(zhì)壓力，使生產(chǎn)安全系數(shù)得到有效提高，掘進(jìn)和維護(hù)成本得到有效控制。

4）優(yōu)化了采掘工作面巷道設(shè)計，減少了區(qū)段保護(hù)煤柱的損失，加大了煤炭資源回收量，提高了煤礦經(jīng)濟效益。

5　支護(hù)效果分析

1）12505順槽巷采用錨、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)后，施工巷道未發(fā)生過頂板事故，施工后使用期間巷道變形量較小，不需維修即可完全滿足安全生產(chǎn)需要，頂板離層量不大，最大離層量僅為4mm，巷道基本穩(wěn)定。

2）12505順槽巷采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)后既加快了掘進(jìn)進(jìn)度，減小了巷道施工工期，同時減小了與12501運輸順槽的保護(hù)煤柱15m，多增加了回采煤量2萬t煤。

3）與傳統(tǒng)的棚式支護(hù)相比，聯(lián)合支護(hù)不僅降低了原煤生產(chǎn)綜合成本，大大提高了煤礦掘進(jìn)效率，同時采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后施工巷道每米節(jié)約成本達(dá)310元，整條巷道節(jié)約成本達(dá)49.6萬元，取得了可觀的經(jīng)濟效益

6　結(jié)語

巷道在施工過程中遇頂板破碎帶若不采取合理有效的支護(hù)設(shè)計，不僅制約了巷道掘進(jìn)效率，而且很容易發(fā)生重大煤礦安全事故，對此西山煤電集團屯蘭礦在施工12505順槽巷時通過分析研究，決定對施工頂板軟巖破碎頂板采用錨、網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)，采用該支護(hù)方式后不僅加快了巷道掘進(jìn)速度，減少巷道二次維護(hù)成本，而且大大提高了施工巷道頂板穩(wěn)定性，取得了顯著的經(jīng)濟效益及安全效益。

[1]王小林.錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)機理及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011（1）：64-65.

[2]公佩暖.錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)失效分析[J].山西焦煤科技，2011（4）：38-41.

[3]張龍江.錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在軟巖巷道中的應(yīng)用[J].中州煤炭，2014（3）：66-67.

[4]趙海彥.高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究[J].機械管理開發(fā)，2016（12）：143-145.