回采巷道頂板巖層局部破碎支護設計研究

余 露

(山西太行遠景供應鏈管理有限公司，山西 晉城 048000)

1 工程概況

山西晉煤集團翼城晟泰青洼煤業(yè)有限公司位于山西省翼城縣西閆鎮(zhèn)十河村東一帶，地質(zhì)儲量6 877萬t，可采儲量4 902.1萬t。2103運輸巷為矩形巷道，寬度4.8 m，高度3.2 m，位于一采區(qū)準備大巷左翼，2103工作面主采2號煤層，平均厚度2.85 m，埋深207～231 m，頂?shù)装鍘r性如表1所示。

2 支護方案設計

考慮到2103工作面開采高度較大，而直接頂巖層為泥巖和灰?guī)r互層，質(zhì)軟性脆而且局部裂隙發(fā)育，頂板破碎，因此提出采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)的支護方式對回采巷道進行支護。對于局部裂隙發(fā)育，頂板破碎位置進行有針對性的補強支護設計。如該位置頂板破碎范圍較小，在工作面回采過程中對回采巷道圍巖穩(wěn)定性影響較小，不會引發(fā)安全事故，則不需對其進行針對性的補強支護，只需在工作面回采過程中對該位置變形量重點監(jiān)測，以防引發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿蔥1-2]；如頂板破碎范圍大，工作面回采過程中對回采巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，極易引發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿剩瑒t需對該位置進行針對性的補強支護[3-4]。擬采用NPR恒阻大變形錨索進行補強支護。具體方案設計如下：

2.1 常規(guī)支護：錨桿+錨索+金屬網(wǎng)

2.1.1 錨桿長度選取

1) 頂錨桿

L頂=L1+L2+L3

式中：L頂為頂錨桿長度；L1為外露長度，0.1 m；L2為有效長度；L3為錨固長度，0.8 m；f為頂板巖層普氏系數(shù)，2.9；B為巷道寬度，4.8 m；H為巷道高度，3.2 m；φ為頂板巖層內(nèi)摩擦角，70°。計算可得L頂=1.9 m。綜合考慮礦方現(xiàn)有條件及安全系數(shù)，頂錨桿長度設計為2.0 m。

2) 幫錨桿

計算可得L幫=1.5 m。類比臨近工作面支護效果，幫錨桿長度設計為1.5 m。

2.1.2 錨索長度選取

L索=L索1+L索2+L索3

式中：L索為錨索長度；L索1為錨索外露長度，0.32 m；L索2為錨索的有效長度，2.5 m；L索3為錨索的錨固長度；d為錨索直徑，18.9 mm；σt為錨索抗拉強度，1 820 MPa；τc為樹脂錨固劑與錨索粘強度，10 MPa。

計算可得：L索=5.4 m。綜合考慮礦方實際情況及安全系數(shù)，頂錨索長度設計為6.2 m。

綜上所述，參考臨近工作面支護效果，常規(guī)支護方案為：頂錨桿長度設計為2.0 m，間排距為880 mm×800 mm，幫錨桿長度設計為1.5 m，間排距為1 200 mm×800 mm，錨索長度設計為6.2 m，間排距為1 500 mm×1 600 mm。頂板鋪設D12 mm×4 800 mm×1 000 mm的鋼筋網(wǎng)，兩幫均鋪設D12 mm×2 800 mm×1 000 mm的鋼筋網(wǎng)，常規(guī)支護設計方案如圖1所示。

圖1 常規(guī)支護設計方案(mm)

2.2 補強支護

在常規(guī)支護基礎(chǔ)上，在頂板破碎位置設置NPR恒阻大變形錨索。

當頂板圍巖破碎范圍較大時，工作面回采過程中該位置極易產(chǎn)生圍巖大變形，此時普通錨索極易變形徑縮而失效，導致支護體系破壞，從而引發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿省＞科湓?，就是普通錨索受拉應力時，軸向伸長變形的同時橫向直徑會變小，導致錨索失效?；诖耍螡M潮院士提出了NPR恒阻大變形錨索的非常規(guī)支護結(jié)構(gòu)設計。其核心思想就是特殊的結(jié)構(gòu)設計，使錨索在受到拉應力時，讓其在軸向伸長變形的同時，橫向直徑不變，從而保證錨索在圍巖大變形時仍能保持原有的支護效果，避免圍巖失穩(wěn)引發(fā)安全事故[5-7]。NPR恒阻大變形錨索的負泊松比效應主要是通過恒阻器實現(xiàn)的。恒阻器結(jié)構(gòu)如圖2所示，NPR恒阻大變形錨索工作原理如圖3所示。

如圖2所示，恒阻器由錨具、恒阻體及套筒組成。如圖3所示，將恒阻器安裝于普通錨索尾部，當圍巖變形時，恒阻體向套筒內(nèi)部滑動，避免錨索在拉應力的作用下發(fā)生徑縮、破斷等現(xiàn)象，起到保護錨索的作用。在恒阻器的作用下，可以保證錨索在頂板巖層發(fā)生大變形時仍然保持工作阻力，防止頂板破碎位置失穩(wěn)引發(fā)頂板事故。

圖2 恒阻器結(jié)構(gòu)示意

圖3 NPR恒阻大變形錨索作用原理

3 現(xiàn)場試驗

為驗證常規(guī)支護+補強支護方案的支護效果，在2103運輸巷進行現(xiàn)場試驗，在2103運輸巷正常位置采用常規(guī)支護方案。在2103運輸巷頂板巖層破碎范圍較大位置進行補強支護，NPR恒阻大變形錨索安裝簡單，只需要在普通錨索尾部加裝恒阻器，鋼絞線長度同樣選取6.2 m，同時加裝恒阻錨索工作阻力監(jiān)測儀，對回采過程中NPR恒阻大變形錨索的工作阻力進行實時監(jiān)測。NPR恒阻大變形錨索工作阻力監(jiān)測曲線如圖4(a)所示，頂板下沉量監(jiān)測曲線如圖4(b)所示。

如圖4(a)所示，距離工作面120 m左右，頂板開始下沉，錨索開始承受頂板變形產(chǎn)生的壓力。在距離工作面100 m范圍以內(nèi)時，NPR恒阻大變形錨索的工作阻力也急劇增大。在距離工作面70 m范圍以內(nèi)時，NPR恒阻大變形錨索的工作阻力基本維持穩(wěn)定，在360～365 kN小范圍內(nèi)波動。根據(jù)圖4(b)顯示，在距離工作面120 m左右，頂板巖層開始下沉。在距離工作面100 m范圍以內(nèi)時，頂板下沉量急劇增大，直到工作面推進到監(jiān)測點位置，頂板下沉量一直在增大，頂板下沉量最大值為256 mm。通過對比分析圖4(a)和圖4(b)可知，當距離工作面70 m范圍以內(nèi)時，NPR恒阻大變形錨索工作阻力已達到穩(wěn)定狀態(tài)，而此時頂板下沉量還在急劇增大，表明恒阻器確實起到了保護錨索的作用，在頂板下沉變形過程中，錨索可以維持恒阻狀態(tài)并保持工作阻力在360～365 kN范圍內(nèi)，直到工作面推進到監(jiān)測點位置，NPR恒阻大變形錨索工作阻力仍然可以維持在360～365 kN這一較高水平，對于頂板破碎位置起到了有效的支護作用。以鄰近巷道為參考，在2101工作面回采過程中，2101運輸巷頂板巖層破碎位置，為防止頂板巖層失穩(wěn)，采用了木垛加強支護。即使在木垛加強支護的前提下頂板下沉量最大值仍然達到了453 mm，而在NPR恒阻大變形錨索補強支護下，頂板下沉量最大值僅為256 mm，降低了43.5%，現(xiàn)場試驗表明NPR恒阻大變形錨索的補強支護作用效果顯著。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

4 結(jié) 語

1) 本文針對青洼礦2103運輸巷頂板巖層局部破碎的特點，提出了采用常規(guī)支護+補強支護的方案進行巷道支護。

2) 2103運輸巷頂板巖層完整性較好的位置，采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)的常規(guī)支護方案。

3) 在2103運輸巷頂板巖層大面積破碎極易失穩(wěn)引發(fā)頂板安全事故的位置，采用NPR恒阻大變形錨索進行補強支護。通過現(xiàn)場試驗，采用NPR恒阻大變形錨索補強支護后，頂板下沉量最大值僅為256 mm，且錨索工作阻力可以維持在360～365 kN這一較高水平，補強支護效果良好。