應(yīng)用于煤礦沿空留巷的巷內(nèi)錨桿支護(hù)工藝優(yōu)化研究

王麗弘

（山西臨汾西山能源有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

引言

采動巷道圍巖穩(wěn)定控制為制約煤礦安全生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，而無煤柱沿空留巷圍巖控制的難度更大[1]。近年來，何滿潮[2]院士提出的切頂自成巷無煤柱開采工法得到了廣泛應(yīng)用[3-8]。在沿空留巷技術(shù)的使用中，圍巖變形和巷道內(nèi)支護(hù)是影響支護(hù)效果的最關(guān)鍵的問題，在使用過程中采用錨桿支護(hù)巷道內(nèi)部時，采用高水材料對巷旁進(jìn)行填充，可以有效改善支護(hù)效果。本文分析了留巷原支護(hù)存在問題，基于圍巖地質(zhì)力學(xué)評估，提出并優(yōu)化留巷錨桿支護(hù)技術(shù)，井下應(yīng)用取得預(yù)期效果。

1 原支護(hù)方案分析

1.1 留巷錨桿支護(hù)的參數(shù)

曙光煤礦的運輸巷為沿空留巷，其形狀為寬5 m、高3.5 m的矩形，兩幫各布置4根錨桿，錨桿與錨索交替性排列在頂板之上。在使用過程中，留巷出現(xiàn)了劇烈的變形，其中底板鼓起量平均超過了500 mm、兩幫位移1 000 mm、頂板下沉300 mm，錨桿錨索均出現(xiàn)了破斷失效。

1.2 現(xiàn)存的問題

從錨桿錨索布置方式上分析，該留巷采用混合式布置，這與支護(hù)基本原理相沖突[9]。在該種布置方式下，錨索較長時，在巷道深部圍巖內(nèi)會形成次生承載結(jié)構(gòu)，與錨桿形成深淺部整體共同承載結(jié)構(gòu)，使巷道圍巖穩(wěn)定。然而，錨桿相對較短時，在該種布置方式下錨索會取代錨桿，錨桿支護(hù)區(qū)域內(nèi)就無法形成整體預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，使得淺部圍巖的穩(wěn)定性降低。

對于錨索托盤，該留巷采用尺寸為300 mm×300 mm×12 mm的錨索平托板。平托板沒有讓壓保護(hù)索體的功能，故提出一種拱形高強度錨索托板。所研制錨索托板將原托板的厚度增加為14 mm，托板的承載力實驗曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，托板的最大承載力位移約為27.2 mm，且承載力達(dá)到了715.8 kN。

圖1 承載力曲線

對于錨桿錨索預(yù)緊力，其是巷道支護(hù)質(zhì)量和效果的核心參數(shù)[10]。圖2為錨桿頂部預(yù)應(yīng)力與預(yù)緊扭矩的關(guān)系曲線圖。從圖2中可以看出，在錨桿垂直安裝時，當(dāng)預(yù)緊扭矩為190 N·m時，對應(yīng)的錨桿預(yù)應(yīng)力也不到30 kN，預(yù)應(yīng)力水平偏低[11]。另外，圖2中還表明，在相同預(yù)緊扭矩下錨桿的預(yù)應(yīng)力相差較大，如預(yù)緊扭矩為300 N·m時，偏斜度為0°和10°的錨桿預(yù)應(yīng)力分別為52.4 kN和40.6 kN，偏斜度為10°時降低了22.5%，故錨桿應(yīng)垂直巷道圍巖表面安裝。

圖2 錨桿頂部預(yù)應(yīng)力與預(yù)緊扭矩的關(guān)系

下頁圖3為錨索張拉力與預(yù)緊力關(guān)系曲線圖。由圖3可知，錨索預(yù)緊力均隨著張拉力增大而增大，但不同的偏斜度在同一張拉壓力下的錨索預(yù)緊力不同。例如，當(dāng)張拉壓力為50 MPa時，偏斜度為0°和10°對應(yīng)的預(yù)緊力分別為164.1 kN和138.0 kN，偏斜度為0°的錨索預(yù)緊力高出18.9%。因此，垂直安裝的錨桿錨索受力狀態(tài)最好，若偏斜度過大，極易造成錨桿錨索尾部承受復(fù)合應(yīng)力作用而導(dǎo)致非正常拉伸斷裂失效[12]。

圖3 錨索張拉力與預(yù)緊力關(guān)系

2 留巷圍巖地質(zhì)力學(xué)評估

地質(zhì)力學(xué)測量測站建立在材料巷150 m和1 100 m位置，采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置在材料巷完成了兩個測站的原位地應(yīng)力實地測量，測試結(jié)果見表1（表中序號1和2分別對應(yīng)150 m和1 100 m位置）。

表1 地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

表1中，Pb為啟裂的壓力，Pr為關(guān)閉的壓力，Ps為重張的壓力，σH為水平方向最大主應(yīng)力，σh為水平方向最小主應(yīng)力，σv為垂直方向主應(yīng)力。

由表1數(shù)據(jù)分析可知，水平方向最大主應(yīng)力為12.29～15.88 MPa，屬于中等水平，水平最大主應(yīng)力方位為N31.8°W～N83.0°W。綜上分析可知，留巷區(qū)域為中等應(yīng)力水平，地應(yīng)力大小對留巷圍巖控制難度影響相對較小。

3 留巷支護(hù)試驗及優(yōu)化

3.1 留巷錨桿支護(hù)優(yōu)化

留巷仍采用矩形斷面，斷面形狀由原來的5 000 mm×3 500 mm加寬至5 500 mm×3 500 mm。基于前文分析原留巷支護(hù)存在問題，再結(jié)合留巷地質(zhì)力學(xué)評估的結(jié)果，提出對該留巷錨桿支護(hù)技的優(yōu)化方案：

兩幫和頂板分別布置4根和6根型號為Φ22 mm-M24-2 400 mm高強度錨桿，頂板錨桿采用1支CK2355和1支Z2355樹脂藥卷，而兩幫采用1支Z2355樹脂藥卷，均為加長錨固，配套托板由原來Φ120 mm×8 mm圓形托板配套為150 mm×150 mm×10 mm方形高強度拱形托板；錨桿材料由原335號鋼增大到500號鋼，直徑增加到22 mm，錨桿的極限載荷提高了1.8倍，加大了對留巷大變形的控制能力；錨索方案修改為1×19股、直徑為21.8 mm，最大力延伸率提高至7%，頂板布置3根型號為Φ21.8 mm-1×19-6 300 mm強力錨索，采用1支MSCK2355和2支MSZ2355樹脂藥卷端部錨固，規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm，承載力不低于700 kN，以改善錨索索體與附件托板配套兼容性；頂錨桿間排距為1 000 mm、1 000 mm，錨索間排距為1 800 mm、2 000 m，錨桿間排距為900 mm、1 000 mm，；輔助構(gòu)件頂板采用型號為BHW4.5-280-5300-1000-6型W鋼帶，兩幫采用BHW4.5-280-450型鋼護(hù)板，頂幫均采用10號鐵絲金屬網(wǎng)護(hù)表，加強兩幫支護(hù)強度。另外，為了確保錨桿錨索控制圍巖質(zhì)量和效果，錨桿預(yù)緊扭矩增大至300 N·m，錨索預(yù)緊力增大至300 kN。調(diào)整錨桿錨索為交錯隔排布置方式，所有錨桿錨索均設(shè)計為垂直巷道表面安裝。

3.2 支護(hù)效果評價

根據(jù)現(xiàn)場情況可知，除局部地段因斷層影響巷道頂板較破碎，留巷掘進(jìn)期間巷道其他地段無較大變形。留巷回采期間表面位移與工作面推進(jìn)距離變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，底鼓約為165 mm，頂板最大下沉為132 mm，兩幫位移為160 mm，因此，采用優(yōu)化方案能有效控制住留巷采掘期間強烈變形。

圖4 留巷表面位移與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

4 結(jié)論

1）原留巷支護(hù)方案的主要問題為頂板錨桿錨索同排布置，錨桿錨索的預(yù)應(yīng)力較小，錨索平托板承載力低、傳遞預(yù)應(yīng)力效果差。

2）留巷區(qū)域為中等水平的構(gòu)造應(yīng)力，水平主應(yīng)力方向?qū)ο锏理攷徒怯忻黠@影響，頂板由砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖構(gòu)成，圍巖強度受圍巖結(jié)構(gòu)影響小，煤層淺部破碎強度低，控制煤幫穩(wěn)定為留巷支護(hù)的關(guān)鍵。

3）對留巷錨桿支護(hù)的優(yōu)化，采用改變錨桿錨索布置形式，提高錨桿錨索預(yù)應(yīng)力，增大錨桿錨索材料強度，且錨桿錨索垂直安裝，改善錨桿錨索與托板兼容性，采用優(yōu)化方案試驗取得良好效果。