高應力擾動回采巷道支護方案設計分析

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摘要：針對新元煤礦東四正巷掘近期間面臨高地應力反復擾動、泥巖頂板條件差、巷道斷面大等支護難點，提出錨索桁架支護技術，形成“支護—圍巖”整體承載結構，并進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗及礦壓觀測，將巷道圍巖位移量、頂板離層值控制在安全范圍，巷道圍巖控制效果良好。

關鍵詞：擾動；巷道；錨索；桁架

煤礦回采巷道為工作面直接服務，在承受礦山壓力顯現(xiàn)作用的最前沿，承受強烈、反復的應力擾動，尤其是對于頂板條件差、巷道斷面大、服務期限長、應力疊加復雜的回采巷道，選擇合理有效的支護方案，對于保障礦井安全生產(chǎn)至關重要。新元煤礦歷來重視巷道的快速掘進和有效支護，在煤層巷道礦壓控制與錨桿支護技術方面得到了較快發(fā)展，基于該礦特殊的地質(zhì)生產(chǎn)條件，取得了很多支護成功的案例[1-3]。本文即對新元礦3#煤層東四正巷的支護難點及支護方案進行研究，總結巷道支護的成功經(jīng)驗，從而推動煤礦支護技術的不斷向前發(fā)展。

1工程概況及支護難點分析

新元礦位于壽陽中南部，3#煤層是該礦主采煤層，煤層平均厚度2.60m，以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層偽頂為高嶺石泥巖，厚度0.3m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.53m；基本頂為軟弱砂巖與泥巖互層，平均厚度2.38m；底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.96m。東四正巷為103工作面與104工作面的共用巷道，即為二次復用巷道，在103工作面回采時作為進風及輔助運輸巷道，在104工作面回采時作為進風及膠帶運輸巷道。東四正巷的支護難點分析如下：（1）巷道服務期限長。巷道長度近1800m，為兩個工作面所共用，承受工作面采動超前支承壓力和采后支承壓力的反復影響，需經(jīng)歷順槽掘進期、設備安裝期、采面銜接期、采動劇烈影響期、二次采動影響期，巷道變形時間長。（2）煤層及頂板條件差。3#煤層煤質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生離層破壞和垮落，且厚層泥巖頂板自穩(wěn)能力差，無穩(wěn)定的巖層供懸吊之用，不易形成自穩(wěn)結構，頂板局部有淋水，導致巖層膨脹變形，且影響錨固劑發(fā)揮錨固效果。（3）巷道斷面大、頂板跨度大。巷道因跨度較大，頂板中部拉應力集中，離層破壞范圍大，易導致冒頂，煤幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體位移、垮幫，巷道支護系統(tǒng)嚴重損毀或失效。

2支護方案設計

2.1新型錨索桁架控制系統(tǒng)支護原理

因巷道支護的特殊性及實際困難，為進行有效支護，與高校進行科研合作，引入錨索桁架控制系統(tǒng)這一新型支護技術。該技術的核心部件是專用桁架連接器，克服單體錨索的支護缺陷，對錨索進行組合及預緊力施加，進行巷道圍巖的深部支護，淺部支護依靠預應力錨桿，形成整體的支護結構。該技術尤其適用于采動劇烈影響巷道、軟弱頂板煤巷、大斷面巷道、懸頂面積大的交叉點等復雜條件下的巷道圍巖控制。技術原理如圖1所示[4]。這一新型支護技術的應用能對巷道頂板同時施加水平應力和鉛垂應力，對支護范圍內(nèi)的圍巖施加擠壓力，抵消巷道的下沉位移，能發(fā)揮高效的主動支護作用，尤其是巷道離層前的主動支護，對于抑制巷道變形非常關鍵，且與巷道圍巖協(xié)同作用，形成統(tǒng)一的承載結構。

2.2支護方案設計及參數(shù)分析

基于新型錨索桁架控制系統(tǒng)，針對東四正巷的具體地質(zhì)及生產(chǎn)條件，綜合考慮支護難點和支護薄弱環(huán)節(jié)，設計并優(yōu)化后的支護方案如圖2所示。（1）頂板錨桿支護。選用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ20mm×2400mm，單根錨桿錨固長度800mm，使用一支Φ23mm×800mm中速錨固劑進行端錨，錨固力不低于100kN；錨桿間排距800mm×800mm，其中最外側兩根錨桿間距500mm，且斜向外10°打設，其余錨桿垂直頂板打設；配合錨桿托盤、鋼筋梯子梁及金屬菱網(wǎng)打設。（2）頂板錨索支護。錨索支護為單體錨索、桁架錨索交替配合使用。單體錨索：選用預應力鋼絞線錨索，規(guī)格為Φ17.8mm×9300mm，使用一支Φ23mm×1200mm雙速錨固劑進行端錨，錨固力控制不低于160kN；單體錨索每排兩根，間排距為1600mm×800mm；配合W形鋼帶打設。桁架錨索：預應力鋼絞線錨索，規(guī)格Φ15.24mm×8500mm，使用一支Φ23mm×1200mm中速錨固劑進行端錨；桁架錨索每排兩根，間排距2100mm×1600mm；桁架錨索斜向外側打設，與鉛垂方向夾角20°，每排兩根錨索伸出鉆孔并使用配套的鎖具及桁架錨索連接器連接好，張拉預緊后錨固力控制不低于140kN。（3）巷幫支護。選用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ20mm×2400mm，單根錨桿錨固長度800mm，使用一支Φ23mm×800mm中速錨固劑進行端錨，錨固力不低于70kN；錨桿間排距1000mm×800mm，其中最上部錨桿斜向上10°打設，其余錨桿垂直巷幫打設；配合錨桿托盤及金屬菱網(wǎng)打設。（4）非常規(guī)時期支護方式[5]。巷道掘進過程中遇過斷層、頂板漏冒、壓力異常等情況時，及時編制專項安全技術措施，采用注漿、架棚、噴漿等加強支護措施。

3應用效果分析

巷道支護試驗段長度為200m，對掘進支護后一個時期內(nèi)的巷道圍巖變形進行觀測，測站布置如圖3所示。在近150d的觀測期，發(fā)現(xiàn)如下圍巖變形規(guī)律（各測站觀測平均值）：巷道掘進后20d內(nèi)為圍巖變形快速發(fā)展期，約30d后逐漸穩(wěn)定，頂板總下沉量近90mm，兩幫移近量控制在120mm以內(nèi)，頂板離層控制效果較好；50~120d期間，受103工作面回采影響，圍巖受二次擾動，圍巖變形又經(jīng)歷一個快速發(fā)展期，頂板總下沉量達到300mm，兩幫移近量達到410mm，頂板離層值最大發(fā)展至15mm，總體可控，后趨于穩(wěn)定。東四正巷及其他兩條回采巷道中采用的新型錨索桁架支護方案，取得了顯著的綜合經(jīng)濟效益，累計節(jié)約材料費、人工費、維修費等1200余萬元，提高了掘進速度，減少了巷道維護工作量，有效緩解了采掘接替緊張的局面。更重要的是可以降低安全隱患，提高安全系數(shù)，在施工中沒有出現(xiàn)原來普通錨桿錨索支護時的冒頂事故，頂板沒有發(fā)生大的離層，巷道圍巖穩(wěn)定，安全生產(chǎn)得到保障。

4結語

巷道支護方案設計及圍巖有效支護是保障煤礦采掘作業(yè)及安全生產(chǎn)的關鍵，錨索桁架控制系統(tǒng)為新元礦回采巷道提供了新型支護技術。基于該系統(tǒng)及東四正巷的具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，設計一套新型錨索桁架支護方案。該方案能在水平和鉛垂方向提供有效支護力，且斜穿過煤幫上方附近頂板最大剪應力區(qū)，與巷道圍巖形成統(tǒng)一的承載結構，能發(fā)揮高效的主動支護作用。經(jīng)過200m巷道試驗段的支護及礦壓觀測驗證，巷道圍巖控制效果良好，技術經(jīng)濟效益顯著，有效保障了礦井安全生產(chǎn)。

【參考文獻】

［1］劉德軍，左建平，劉海雁，等.我國煤礦巷道支護理論及技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)科學學報，2020，5（01）：22-33.

［2］尹海濤.新元礦3210工作面沿空留巷圍巖變形特征及控制技術研究[J].煤炭與化工，2020，43（02）：17-20+24.

［3］謝寧.新元礦3107工作面沿空留巷技術應用研究[J].當代化工研究，2019（08）：133-134.

［4］郭金剛，王偉光，何富連，等.大斷面綜放沿空巷道基本頂破斷結構與圍巖穩(wěn)定性分析[J].采礦與安全工程學報，2019，36（03）：446-454+464.

［5］王明明.新元礦9104工作面過陷落柱注漿加固技術應用研究[J].山東煤炭科技，2019（07）：153-155+165.

作者：劉闖榮 單位：山西新元煤炭有限責任公司