掘進(jìn)工作面過構(gòu)造帶支護(hù)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

＊宋煒峰

（山西潞安化工集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司 山西 041207）

在礦井開采過程中，當(dāng)采場巷道前存在著斷層、褶曲、陷落柱等隱藏的地質(zhì)構(gòu)造時，會造成采場頂?shù)臄D壓和破裂，如果支護(hù)不及時，或是錨索、錨桿等支護(hù)的力量不足以緩解頂板的壓力，將會造成支護(hù)失效、頂板冒落、片幫等災(zāi)害，造成人員傷亡和設(shè)備損壞，給采場區(qū)的安全帶來很大的隱患[1]。為此，如何及早對其形成部位進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，并利用較高的補(bǔ)強(qiáng)方法，保證其在開采過程中的安全性，已成為礦井迫切需要解決的技術(shù)難題。

1.工程概況

(1)工作面概況

山西某煤礦12000采區(qū)主要開采20#煤層，煤層傾角10°～15°，平均厚度3.2m，主要開采方式為：沿傾角方向設(shè)計井段960m，切眼沿傾角方向設(shè)置，預(yù)測井段可采儲量62.6萬噸。主要開采煤層是不容易發(fā)生自燃的煤層，沒有發(fā)生爆炸的危險?；仫L(fēng)巷開挖過程中，發(fā)現(xiàn)了5個斷裂，3個是正向斷裂，2個是逆向斷裂，落差從0.7～1.6m不等。在靠近斷層暴露區(qū)以前，受構(gòu)造應(yīng)力場的作用，煤巷頂板破斷，巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形。表1為該工作面回風(fēng)巷斷層情況表。

表1 12000工作面回風(fēng)巷實揭斷層產(chǎn)狀參數(shù)

(2)存在問題

盡管目前已進(jìn)行了多種優(yōu)化，支護(hù)強(qiáng)度也有了很大的提高，但是，當(dāng)遇到復(fù)雜的頂板巖體和地質(zhì)構(gòu)造時，如何實現(xiàn)有效地支護(hù)仍然面臨著較多困難。由于巖層的破裂，也常常會引起錨桿的脫落、扭轉(zhuǎn)等失效[2]。這些問題集中體現(xiàn)在以下幾個方面：

①在進(jìn)行螺紋鋼錨桿的選擇時，應(yīng)重視檢查錨桿質(zhì)量情況，如果錨桿末端的螺紋存在劃扣，短缺沒有達(dá)到錨桿的要求，如錨桿兩端的鋼絲間距不一致，絲扣截深度不足，螺帽與螺桿之間的摩擦力降低，可引發(fā)鐵絲網(wǎng)出現(xiàn)彎曲斷裂問題。②當(dāng)支架、鋼帶、金屬網(wǎng)等頂板支護(hù)輔助材料落下時，將大大影響頂板沉陷時接觸表面的支承拉力，使裂縫不斷發(fā)展，巖層破碎，形成網(wǎng)狀口袋，最終導(dǎo)致頂板整體結(jié)構(gòu)失效。③因頂板完整性及巖石性質(zhì)的差異，無論采用綜挖或炮挖，均會造成頂面成形不良，對錨桿錨索的施工造成較大的影響，同時，當(dāng)錨桿錨索在布置時分布的不合理，也會降低支撐效果，造成頂板塌落及破裂[4]。

2.頂板支護(hù)理論分析

根據(jù)當(dāng)前煤礦采掘中使用的一些支護(hù)方式，分別采用二次支護(hù)和高預(yù)應(yīng)力兩種方式。

(1)二次支護(hù)理論

二次支護(hù)原理的基本思路是：在第一次開挖時，由于開采活動的作用，周圍巖體的應(yīng)力值達(dá)到了最大。這一時期主要通過一次支護(hù)，使圍巖釋放出一部分能量，使其在受控條件下發(fā)生變形，當(dāng)應(yīng)力解除，變形趨于平穩(wěn)時，再次進(jìn)行二次支護(hù)，以實現(xiàn)預(yù)想的支護(hù)效果[5]。但在實際應(yīng)用中，受礦山地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)、埋深等多方面的影響，不能一概而論，同時，部分巷道在開掘后很快就會發(fā)生變形、片幫等問題，有的甚至需要多次擴(kuò)修巷道，這無疑會增加企業(yè)的投入，也會影響到正常的開掘時間，不利于企業(yè)安全生產(chǎn)。

(2)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論

與二次支護(hù)相比，高預(yù)應(yīng)力支護(hù)模式具有更強(qiáng)的先進(jìn)性。本項目提出了一種基于錨桿初始強(qiáng)度和剛度大幅提升的新方法，以實現(xiàn)對周圍巖層主動控制，降低了圍巖的錯動與變形，維護(hù)了圍巖整體構(gòu)造的完整性。這樣就可以防止過度卸載所引起的形變加劇和構(gòu)造失效，增加了后期維修工作量和耗材費用。要達(dá)到高預(yù)應(yīng)力的要求，必須滿足下列條件：

①選擇的螺栓材料要有一定的硬度和強(qiáng)度，在保證巷道開挖后，保證巷道的整體穩(wěn)定性的前提下，要提高錨索的預(yù)張力，將圍巖的壓力分布到錨索體系中，從而共同承擔(dān)巖體的卸載壓力。

②錨固材料應(yīng)滿足支護(hù)強(qiáng)度，并具有一定的延展性，使圍巖在施工過程中能夠產(chǎn)生變形，并在施工過程中將能量釋放出來[6]；但是，它的自重要能滿足圍巖承受最小應(yīng)力值，且不能超過巖體變形的極限位移值。

③支護(hù)打設(shè)要抓緊時間，在巷道開挖后立即進(jìn)行，不能出現(xiàn)空班延遲打設(shè)的情況。如果在卸載過程中，由于巖體內(nèi)部壓力的作用，使巖體產(chǎn)生了裂縫，這時在巖體中進(jìn)行錨固，就無法達(dá)到預(yù)緊的效果。

3.頂板綜合支護(hù)方案

(1)支護(hù)材料選取

①高強(qiáng)度螺栓

A.高強(qiáng)螺釘?shù)募‰欤淇拙嘁y(tǒng)一、合理，這樣，在安裝時就可以輕松地進(jìn)入孔洞，而且粘著性好。為了達(dá)到這個目的，可以肌腱部上形成一個平均的應(yīng)力分布，并在一定程度上施加一個高的預(yù)張力；該螺釘?shù)闹睆綖?2～25mm，長度為2～3m。

B.通過市場調(diào)查與選擇，選擇了兩種不同的肌腱連接材料，分別是BHRB500、BHRB600，其性能參數(shù)見表2。

表2 螺栓肌腱材料參數(shù)

②輔助配件

輔具主要由帶鋼板的肌腱螺母、高強(qiáng)度鋼帶、鋼絞線等材質(zhì)組成。在降低了肌腱連接螺帽和鋼板間的摩擦力后，使肌腱連接的左側(cè)扭矩轉(zhuǎn)換成符合要求的最大預(yù)張力，起到了和防摩襯墊同樣的效果。采用“W型”高強(qiáng)度鋼板，其外形采用了冷滾壓工藝，韌度高，與頂板的接觸面大于單個托架，支撐作用更好[7]。在進(jìn)行加工時，可以在防止應(yīng)力集中來壓時，降低由于材料問題而造成的損壞失效，通常情況下，使用的鋼帶的厚度為2.5～3mm。在保證較高的預(yù)壓及壓力要求的前提下，可以將壓力調(diào)節(jié)到4～5mm，并將壓力調(diào)節(jié)到500kN，以防止壓力引起的壓裂變形。

在選擇鋼絲繩時，通常選用韌性高、強(qiáng)度高的材質(zhì)。根據(jù)支撐強(qiáng)度的不同，分別選取對應(yīng)的直徑，通常情況下，可以選取18mm、20mm和22mm三種類型，它們分別與破碎載重相對應(yīng)，它們分別對應(yīng)著408kN、510kN和607kN，還擁有7%的擴(kuò)展性。

通常使用12#、14#兩種不同的槽鋼來制作支架。由于托盤是矩形的，所以在頂板受力下沉的時候，首先受力的是槽鋼的四面，當(dāng)材料的強(qiáng)度與厚度設(shè)計不當(dāng)時，將無法有效承受頂板的壓力，造成槽鋼變形與斷裂，進(jìn)而造成頂板的支撐失敗。因此，經(jīng)過計算與模擬實驗，應(yīng)用300mm×300mm×18mm的槽鋼來加工，并增設(shè)可調(diào)墊片于錨桿、錨索眼的位置，這樣當(dāng)托盤出現(xiàn)偏離鎖具中心線的情況后，可及時實施微調(diào)，讓其應(yīng)力實現(xiàn)有效傳遞。

(2)永久支護(hù)方式設(shè)計

在巷道穿越斷裂前、后5m的范圍內(nèi)，預(yù)先對頂板進(jìn)行支護(hù)。在巷道中使用了帶螺紋的鋼錨、錨索和金屬網(wǎng)的組合支撐。設(shè)計錨桿間距為0.9m×0.9m，錨索間距為1.85m×0.9m。按照巷道的寬度，在每一行設(shè)置3條錨索，并通過梯級之間的鋼帶梁，以防止井眼位置重疊；錨桿與索具之間的間距應(yīng)互相交錯，呈三花眼排列。視現(xiàn)場頂板完整性情況，可適當(dāng)減少間隔間距，但必須嚴(yán)格按迎山角豎直頂板進(jìn)行，以減少剪應(yīng)力的作用。該巷道采用EBZ260型綜放工作面，單行進(jìn)尺0.9m，對該巷道進(jìn)行了施工。在確定頂板支護(hù)條件良好后，兩側(cè)幫段采用鋼筋錨桿、菱形網(wǎng)架、鋼帶梁組合支撐，幫段錨桿之間的排距為1.2m×0.9m，每排3個，上排距巷道頂?shù)?.4m。頂幫段的支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 頂幫支護(hù)設(shè)計平剖面

采用永久性支護(hù)措施后，巷道的變形和沉降得到了很大程度的降低，此外，在接近構(gòu)造的地方，還采用了預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)和組合支護(hù)，從而提高了巷道的完整性，收到了很好的效果。圖2顯示了加強(qiáng)后的結(jié)果。

圖2 復(fù)合支護(hù)巷道加固效果

(3)臨時支護(hù)方式設(shè)計

在接近斷裂面時，必須放慢掘進(jìn)切煤速率，采取挖1排，錨1排的方法，避免由于頂板失穩(wěn)而導(dǎo)致的大范圍塌落和冒頂。在使用臨時支護(hù)的時候，選擇DW31.5-30/100B與矩形木垛相結(jié)合的單體水力支護(hù)，或選擇小型圓木作為頂板的支撐。將金屬網(wǎng)置于最上面，由單體支柱推著木堆疊把網(wǎng)抬到頂上，使其與巖石表面緊緊結(jié)合，再由手工將網(wǎng)的交接處用鋼絲相連；待3個單柱升緊并穩(wěn)定后，采用錨桿機(jī)進(jìn)行打錨，以加強(qiáng)其強(qiáng)度。

如果在頂板條件下打設(shè)錨桿后，經(jīng)過評估，可以達(dá)到加固的效果，那么第一排就可以不使用錨索，這樣就可以避免暴露太長，從而對第二排的切煤作業(yè)造成影響。但后巷中的錨桿必須緊隨其后，才能避免由于開采的影響而導(dǎo)致巖體的深部破裂，從而產(chǎn)生潛在的破裂危險[8]。在巷道幫部，要根據(jù)煤的破裂、膨脹和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來判斷，如果出現(xiàn)片幫、煤體松軟、煤壁外鼓等情況，則要打好錨桿，緊跟在正頭上。在煤墻比較完整的情況下，最大可以延后5m，然后在5m的距離內(nèi)補(bǔ)打幫部錨桿。

4.結(jié)論

利用高強(qiáng)度預(yù)加載錨桿及附屬部件的支撐材質(zhì)，選擇帶螺紋的錨桿、錨索和金屬網(wǎng)，采用階梯之間的鋼帶梁柱等組合支撐方式，對采場巷道接近斷裂或其他結(jié)構(gòu)時的采場巷道進(jìn)行了優(yōu)化，從而使采場巷道變慢，減少了采場巷道的整體損壞。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了巷道內(nèi)應(yīng)力消散、巖石擠壓變形速率和頂幫支撐時機(jī)的最佳匹配。經(jīng)實際應(yīng)用與數(shù)據(jù)觀察，該組合支撐可使綜采工作面位移下降70%～75%，且可使綜采工作面失穩(wěn)下降5%～8%，可顯著提升綜采工作面的穩(wěn)定性，并可節(jié)約綜采工作面的維修費用。