深埋動(dòng)壓巷道“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

陳文軍

（陜西美鑫礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000）

隨著長期大規(guī)模、高強(qiáng)度和機(jī)械化開采，淺部賦存條件較好的煤炭資源業(yè)已枯竭。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭資源的需求，近年來煤炭開采逐漸向深部發(fā)展[1-2]。采掘接替緊張問題是我國大多數(shù)煤礦普遍面臨的問題，在某工作面回采結(jié)束較短時(shí)間內(nèi)，其工作面頂板覆巖尚在調(diào)整狀態(tài)時(shí)就進(jìn)行鄰近工作面回采巷道掘進(jìn)，導(dǎo)致該回采巷道同時(shí)受到巷道掘進(jìn)擾動(dòng)和鄰近工作面動(dòng)壓影響[3-5]。另外由于埋深較大，巷道圍巖壓力較大，此時(shí)巷道較易發(fā)生較大變形，嚴(yán)重制約著巷道掘進(jìn)速度。采用常規(guī)的錨桿（索）支護(hù)理論和技術(shù)對(duì)該類巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，支護(hù)密度大，支護(hù)材料消耗量大，支護(hù)工程量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高。因此，如何確定合理的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)參數(shù)是決定深埋動(dòng)壓巷道圍巖控制效果和巷道掘進(jìn)速度的關(guān)鍵[6]。本文以冶坪煤礦1301 材料巷為研究對(duì)象，對(duì)不同頂板錨桿間排距和長度影響下巷道頂板圍巖錨固預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)方案。

1 工程概況

冶坪煤礦3#煤厚度為5.1～6.0 m，均厚5.4 m，傾角為3°～12°，平均傾角9°。3#煤直接頂為厚3.0～4.2 m 的砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚4.0～5.9 m 的粉砂巖；直接底為厚1.9～2.5 m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為厚17.4～25.6 m 的細(xì)砂巖。

1301 工作面北鄰34 采區(qū)膠帶順槽，南為F54-9和F29 斷層，東鄰3412 工作面采空區(qū)，西為實(shí)體煤。1301 材料巷長度為1365 m，受斷層影響1134 材料巷分外段（345 m）和里段（710 m），與1301 綜采工作面間留40 m寬的區(qū)段煤柱。巷道斷面為矩形，寬×高=4800 mm×3850 mm。巷道跟底掘進(jìn)，底板標(biāo)高-679.8～ -565.2 m。

2 巷道受采動(dòng)影響分析

1301 材料巷掘進(jìn)至里段時(shí)，1301 綜采工作面停采僅3 個(gè)月，1301 工作面上覆巖層正處于動(dòng)態(tài)調(diào)整階段，故1301 材料巷里段在掘進(jìn)期間同時(shí)受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)和鄰近采空區(qū)動(dòng)壓影響。據(jù)1134 工作面回采進(jìn)尺表知，1301 材料巷里段前100 m 掘進(jìn)期間受采空區(qū)動(dòng)壓劇烈影響，掘至300 m 之后采空區(qū)動(dòng)壓影響逐漸減小。結(jié)合1301 材料巷里段圍巖條件和鄰近1134 材料巷礦壓顯現(xiàn)情況，可知1301 材料巷掘進(jìn)期間和掘進(jìn)后一定時(shí)期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖可能會(huì)出現(xiàn)較大變形。

3 巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

模型尺寸為50 m×20 m×50 m（長×寬×高）。模型邊界條件為：左右邊界限制水平方向位移，下邊界限制豎直方向位移，上邊界施加12.5 MPa 均布載荷等效上覆巖層壓力。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬方案

為了探究錨桿間排距和長度對(duì)圍巖錨固預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響規(guī)律，結(jié)合3#煤已掘巷道支護(hù)材料和參數(shù)，將錨桿直徑和扭矩分別設(shè)置為22 mm 和400 N·m，分以下兩種方案進(jìn)行模擬研究。

方案一：錨桿長度為2400 mm，錨桿間排距分別為900 mm×900 mm、1000 mm×1000 mm 和1100 mm×1100 mm。

方案二：錨桿間排距為1100 mm×1100 mm，長度分別為2000 mm、2200 mm 和2400 mm。

3.3 錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果分析

（1）不同錨桿間排距時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律

錨桿長度為2400 mm，錨桿間排距分別為900 mm×900 mm、1000 mm×1000 mm 和1100 mm×1100 mm。間排距為900 mm×900 mm 時(shí)，相鄰每排錨桿產(chǎn)生了面積較大、分布均勻、連成整體的有效壓應(yīng)力區(qū)，錨桿將錨桿間圍巖錨固成一個(gè)整體，支護(hù)作用較強(qiáng)；錨桿間排距為1000 mm×1000 mm 時(shí)，每排錨桿相互作用產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)明顯增強(qiáng)，仍形成了面積較大、連成整體、分布均勻的有效壓應(yīng)力區(qū)，對(duì)圍巖的支護(hù)作用增強(qiáng)；錨桿間排距為1100 mm×1100 mm 時(shí)，有效壓應(yīng)力區(qū)明顯增強(qiáng)，每排產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)能較好地疊加、連接，錨桿對(duì)錨桿間圍巖產(chǎn)生很好的錨固作用。綜合考慮掘進(jìn)速度和支護(hù)成本，最終確定巷道頂板錨桿的合理間排距為1100 mm×1100 mm。

（2）錨桿長度對(duì)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布的影響

錨桿間排距為1100 mm×1100 mm，長度分別為2000 mm、2200 mm 和2400 mm。當(dāng)錨桿長度為2000 mm 時(shí)，錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)較小，對(duì)圍巖的支護(hù)效果較差；當(dāng)錨桿長度為2200 mm 時(shí)，錨桿能形成有效壓應(yīng)力區(qū)，但錨桿所產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加效果較差，難以形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)效果較弱；當(dāng)錨桿長度為2400 mm 時(shí)，錨桿形成的壓應(yīng)力顯著增強(qiáng)，能夠形成有效的連續(xù)壓應(yīng)力區(qū)，支護(hù)效果較好。因此，確定巷道頂板錨桿的最佳長度為2400 mm。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 支護(hù)方案及參數(shù)

基于數(shù)值模擬研究結(jié)果，提出了“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)方案，1301 材料巷支護(hù)方案如圖1，具體支護(hù)參數(shù)如下：

圖1 巷道支護(hù)斷面圖

（1）頂板支護(hù)

頂錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 右旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為1100 mm×1100 mm，每孔用2 根MSCK2350 樹脂錨固劑，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的高強(qiáng)錳鋼鼓形托盤，規(guī)格為4600 mm×275 mm×3.5 mm（長×寬×厚）的“W”鋼帶，規(guī)格6000 mm×1000 mm（長×寬）的金屬菱形網(wǎng)，錨桿預(yù)緊扭矩不小于400 N·m。錨索采用1×7 股Φ21.6 mm×6300 mm 低松弛預(yù)應(yīng)力左旋鋼絞線錨索線，間排距為1650 mm×2200 mm，每孔用3 根MSCK2350 樹脂錨固劑，規(guī)格為100 mm×100 mm×10 mm 高強(qiáng)錳板托盤，礦用12#工字鋼梁加工成長3500 mm、眼距1650 mm 的錨索梁，錨索預(yù)緊力不低于230 kN。

（2）幫部支護(hù)

Φ20 mm×2000 mm 右旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1100 mm，每孔用2 根MSCK2350樹脂錨固劑，規(guī)格為100 mm×100 mm×10 mm 高強(qiáng)錳板托盤，從肩角往下3 棵錨桿配合使用規(guī)格為2000 mm×275 mm×3.5 mm（長× 寬× 厚）的“W”鋼帶，從底板往上2 棵錨桿配合使用規(guī)格為300 mm×300 mm×3.75 mm（長×寬×厚）的鋼帶板、規(guī)格6000 mm×1000 mm（長×寬）的金屬菱形網(wǎng)，錨桿預(yù)緊扭矩不小于300 N·m。

4.2 支護(hù)效果分析

為了掌握“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)方案對(duì)1301材料巷里段圍巖的控制效果，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在1301 材料巷距迎頭55 m、105 m 和155 m 處分別布置1#、2#和3#測(cè)站，每2 d 對(duì)巷道表面位移數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄一次，累計(jì)觀測(cè)60 d，獲得的巷道表面位移數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 巷道表面位移量隨時(shí)間的變化曲線

在0～20 d 內(nèi)，1#、2#和3#測(cè)站所監(jiān)測(cè)到的巷道頂?shù)装逡平烤焖僭鲩L，在20 d 時(shí)移近量最大，最大值分別為103.91 mm、74.49 mm 和70.96 mm，變形速率分別為5.20 mm/d、3.72 mm/d和3.55 mm/d；巷道兩幫移近量亦呈現(xiàn)出快速增長狀態(tài)，且在20 d時(shí)移近量最大，最大值分別為111.79 mm、117.88 mm 和94.87 mm，變形速率分別為5.59 mm/d、5.89 mm/d 和4.74 mm/d。在20～60 d 時(shí)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為106.66 mm 和132.31 mm，表明所采用的“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)方案對(duì)1301 材料巷里段圍巖變形控制效果顯著。

5 結(jié) 語

基于對(duì)1301 材料巷受采動(dòng)影響的分析，研究了不同頂錨桿間排距和長度下巷道頂板圍巖錨固預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布情況，提出了“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：采用“高強(qiáng)度、低密度”支護(hù)后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為106.66 mm 和132.31 mm，有效控制了深部受采動(dòng)影響巷道圍巖變形，為工作面安全高效開采提供了保障。