沿空掘巷讓壓錨桿支護技術(shù)研究與應(yīng)用

尹英文 馬麗妲 王曉菡

（山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟南 250032）

隨著開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，原有的錨桿支護系統(tǒng)難以保證安全生產(chǎn)，尤其是深井巷道支護問題日益嚴重。郭屯煤礦在四采區(qū)進行沿空掘巷，如何確定留設(shè)煤柱寬度尺寸和巷道支護參數(shù)是沿空掘巷成功的關(guān)鍵。

1 概況

郭屯煤礦主采3煤層，在四采區(qū)實施沿空掘巷，四采區(qū)煤層平均厚度為2m。偽頂為砂質(zhì)泥巖，厚度0～1.6m；直接頂為中砂巖，平均厚度6m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.8m，埋深800m以上。四采區(qū)沿空掘巷順槽有2m厚巖性較差的砂質(zhì)泥巖，支護困難，沿空掘巷成型后在采空區(qū)側(cè)的煤幫變形大。

2 沿空掘巷圍巖變形機理

（1）圍巖變形特征

沿空掘巷是沿采空區(qū)側(cè)煤體留設(shè)窄煤柱或者不留煤柱的情況下進行巷道掘進，由于其特殊的工作條件，在掘進初期巷道無支護，圍巖垮落較快，使用錨桿對圍巖進行支護也不能控制圍巖變形速度和變形量。

圍巖變形主要是以底鼓為主的頂?shù)装逡平蛢蓭鸵苿?。在距離幫壁3m左右甚至更大范圍內(nèi)，圍巖會發(fā)生明顯的位移。若支護不合理，當變形程度超過支護結(jié)構(gòu)承受強度時，支護就會失效，巷道失穩(wěn)變形。

圍巖變形受應(yīng)力影響較大，若主應(yīng)力為垂直于巷道軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力，則圍巖變形量大；若主應(yīng)力為平行于巷道軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力，則圍巖變形量小。圍巖變形受環(huán)境變化和應(yīng)力擾動的影響較大。

（2）巷道失穩(wěn)的力學(xué)機理

掘進前，圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，開始掘進后，應(yīng)力狀態(tài)就會由三維改為二維狀態(tài)，當周邊應(yīng)力強度高于圍巖的承壓強度時，圍巖就會破壞，主應(yīng)力最大值向上部巖層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力場重新分布，此時，若保證巷道圍巖不失穩(wěn)應(yīng)進行巷道支護，若不支護，可能會誘發(fā)圍巖失穩(wěn)。

① 松動壓力作用。松動壓力是地質(zhì)和圍巖結(jié)構(gòu)下形成的，多出現(xiàn)在巷道頂部和兩幫，主要原因是在巷道掘進后，圍巖應(yīng)力重新分布，受到重力作用，若支護強度不夠就會出現(xiàn)冒落和片幫。

② 形變壓力作用。巷道掘進后會出現(xiàn)二次應(yīng)力，受到該應(yīng)力的影響，圍巖會出現(xiàn)非彈性和粘彈性的變形，形變力的形成是受重力影響形成應(yīng)力集中，部分圍巖出現(xiàn)塑性或流變狀態(tài)，當巖層的強度很高，無支護的塑性區(qū)會擴大，在到達一定數(shù)值后不再變化，在隨行區(qū)域的邊緣形成高切向力的承載環(huán)。

本文與其他同頻段文獻的相位噪聲對比，如表2所示。本文設(shè)計的頻率源的相位噪聲實測值可達-87.1 dBc/Hz@1 kHz，比文獻[11]中的車載防撞雷達頻率源的相位噪聲改善了24 dB，比文獻[12]中的24 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達頻率源的相位噪聲改善了21 dB。

圖1 巷道圍巖變形與支護特征曲線圖

圖1為圍巖變形與支護特征曲線圖。當圍巖的變形量大于圍巖自身允許變形的最大值時，圍巖就會破壞至垮落，形成的松散壓力附著在支護結(jié)構(gòu)上，支護結(jié)構(gòu)的承載能力就會增加。將支護結(jié)構(gòu)設(shè)置在支護抗力最小的K點，圍巖最穩(wěn)定，同時也能有效限制不利變形的擴展。

（3）留設(shè)煤柱寬度的確定

圖2 力學(xué)模型

圖2 （1）為窄煤柱力學(xué)模型，根據(jù)經(jīng)驗煤柱α一般為4.5～5m，巷道布置在煤柱的彈性區(qū)，因此留設(shè)的煤柱起到隔離采空區(qū)和沿空掘巷空間的作用，不受負載。

圖3（2）為寬煤柱力學(xué)模型，當沿空掘巷留設(shè)寬煤柱時，煤柱向內(nèi)部依次表現(xiàn)為片幫、圍巖塑性變形、應(yīng)力增大的彈性區(qū)。片幫區(qū)無法承受垂直應(yīng)力但能傳遞水平應(yīng)力，松弛區(qū)承載的載荷小于原始應(yīng)力，塑性區(qū)承受的應(yīng)力高于原始應(yīng)力。

因此沿空掘巷時巷道位置圍巖條件的影響，充分考慮煤體的彈性區(qū)、塑性區(qū)和煤體應(yīng)力的影響，沿空掘進的順槽布置在留設(shè)4.5～5m的窄煤柱的松弛區(qū)范圍內(nèi)。

3 巷道支護設(shè)計

（1）平衡支護技術(shù)

根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)和受力情況，在預(yù)應(yīng)力支護和高強度錨桿基礎(chǔ)上提出的巷道支護技術(shù)。其原理是使支護結(jié)構(gòu)與巖體共同形成一個承載體應(yīng)對巷道的應(yīng)力與圍巖變形，使巷道圍巖保持穩(wěn)定。因此，在實施平衡支護技術(shù)時，選擇的支護錨桿具備足夠強度，支護完成后能夠“讓壓”，在巖體釋放能量時允許產(chǎn)生一定的變形，保持巷道圍巖應(yīng)力平衡。

為達到讓壓支護的目的，錨桿強度應(yīng)能滿足額定預(yù)應(yīng)力強度要求，利用讓壓錨桿為巷道巖體的變形提供空間，緩沖支護初期的預(yù)應(yīng)力。在讓壓變形后，支護體系與圍巖形成整體維持巷道的穩(wěn)定性。

（2）支護參數(shù)設(shè)計

巷道采用矩形斷面，寬4.5m，高3.6m。其支護斷面圖見圖3，支護參數(shù)為：

頂板支護：高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿Ф20×2400mm，預(yù)應(yīng)力≥5t，扭矩≥240N·m，支護間排距1000×1000mm，安裝時采用阻尼螺母和沖壓球形托盤；錨索：Ф21.6×6000mm，預(yù)應(yīng)力≥6～8t，間排距1500×2000mm。

幫支護：高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿Ф20×2000mm，預(yù)應(yīng)力≥5t，扭矩≥240N·m，支護間排距1000mm×1000mm，安裝時采用阻尼螺母和沖壓球形托盤。

金屬網(wǎng)：Ф6100×1000mm圓鋼焊接網(wǎng)。

鋼筋梯：鋼筋梯采用Ф8mm的圓鋼焊接而成。

圖3 巷道支護設(shè)計圖

4 沿空掘巷順槽觀測及結(jié)果分析

（1）觀測方案

在巷道內(nèi)設(shè)立觀測站，每個觀測站內(nèi)對巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰七M行觀測。

① 錨桿錨索應(yīng)力計。采用錨桿應(yīng)力計觀測錨桿錨索受力情況，每個觀測站將錨桿應(yīng)力計布置在錨桿排的中間位置。

② 巷道表面位移觀測。采用十字布點法對巷道表面位移進行觀測，首先在頂?shù)装逯行木€垂直方向和兩幫的水平中心線布置鉆孔，放入木樁進行測點標記，進行觀測。

（2）200#觀測數(shù)據(jù)及分析

表1 200#斷面變形觀測數(shù)據(jù)表

由表1中頂板錨索測點數(shù)據(jù)看出，錨索安裝預(yù)應(yīng)力為11.27t，觀測期間最大應(yīng)力為30MPa，即為14.7t，錨索增阻速度：0.343t/d。

由表1中頂板左旋的讓壓錨桿測點數(shù)據(jù)看出，頂板左旋的錨桿初始安裝應(yīng)力為8.5MPa，即4.165t，錨桿的增阻速度：0.1715 t/d。

由表1中頂板右旋的預(yù)應(yīng)力錨桿測點數(shù)據(jù)看出，頂板右旋的錨桿初始安裝應(yīng)力為11MPa，即3.59t，錨桿的增阻速度：0.196 t/d。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出200#的斷面頂板錨索和頂板左右旋的增阻曲線見圖4。

圖4 觀測斷面錨桿左右旋及錨索增阻曲線

從圖4可以看出，錨索、錨桿的增速速度逐漸趨于穩(wěn)定，現(xiàn)有的頂板支護體系能夠滿足頂板支護的要求。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出200#斷面變形量見圖5。

由圖5分析得出，觀測10d頂板下沉速度：11mm/d，觀測42d的頂板下沉速度：4.1mm/d，頂板還未進入穩(wěn)定期。觀測10d兩幫移近速度：13mm/d，觀測42d的兩幫移近速度：4.7mm/d，兩幫移近量較大，現(xiàn)有的支護方式不能夠有效控制兩幫。

圖5 200#觀測斷面變形量

5 結(jié)論

通過留設(shè)4.5～5m窄煤柱，在松動區(qū)范圍內(nèi)進行沿空掘巷導(dǎo)致重新分布應(yīng)力小于原始地應(yīng)力，能夠減少煤炭損失。

通過實施錨索和讓壓錨桿支護體系，確定郭屯煤礦沿空掘巷方案，有效地控制巷道圍巖變形，實現(xiàn)了沿空掘巷的圍巖穩(wěn)定。