強烈動壓影響下的沿空留巷巷道加固技術

摘 　要 : 為解決強烈動壓影響下沿空留巷巷道加固的技術難題 , 針對新莊孜煤礦 66110 工作面運輸巷受自身工作面及下方僅 10 m 距離的 66109 工作面的采動影響及需要沿空留巷的情況 , 采用理論分析與現場實踐的方法分析其破壞特點及影響因素 , 結合高預應力強力一次支護理論與最新研制的高強度支護材料 , 提出了巷道的加固方案 , 確立了合理的支護參數 , 并成功應用。研究結果表明 :采用強力錨桿錨索聯合支護系統后 , 66110 運輸巷在受到 2 個工作面采動影響的情況下 , 工作面前方巷道兩幫移近量為 210 mm, 頂底板移近量為 242 mm, 分別比原支護巷道降低 80% 和 69% , 工作面后方留巷段兩幫移近量為 406 mm, 頂底板移近量為 340 mm, 巷道變形得到了有效控制。

1 　概 　　述

　　淮南礦區是典型的高瓦斯礦區 , 為防治瓦斯對煤礦生產的安全威脅 , 淮南礦業集團公司采取了多種有效措施

, 其中開采保護層與 Y 型通風應用較為廣泛, 為瓦斯排放、保證安全生產提供了重要的技術保障。淮南礦區地質構造復雜 , 開采煤層多達 8 ～ 15 層 , 采用多組高瓦斯煤層群開采方式 , 在生產過程中 , 經常遇到相鄰煤層互相受到采動影響的情況 , 巷道圍巖在強烈動壓影響下 , 塑性區擴大 , 造成巷道冒頂、片幫嚴重 , 巷道維護十分

困難 , 加之多條巷道要進行留巷 , 甚至多次留巷 ,對巷道圍巖穩定性控制提出了更高的要求。對于復雜困難巷道的加固 , 有的采用注漿加固配合錨桿錨索聯合支護方式, 取得了良好的效果 , 但是注漿成本高 , 工作量大。近幾年 , 開發了不同類型的固技術 , 這些技術具有錨固力和錨固長度大、可施加較大預緊力和及時支護等優點 , 在復雜困難巷道支護和補強加固中得到了廣泛應用 。

　　本文針對淮南新莊孜煤礦 66110 工作面運輸巷受強烈采動影響并且沿空留巷的支護問題 , 分析了其破壞因素和控制機理 , 提出了巷道加固支護方案 , 并進行了工程實踐。

2 　試驗巷道概況

　　 66110 工作面為開采保護層工作面 , 工作面標高 - 550 m, 其下部 10 m 為正在回采的 66109 工作

面 , 且 66110 工作面緊鄰 66210 工作面 , 工作面巷道布置情況如圖 1 所示。該工作面開采的 B10 煤為

結構復雜的薄煤層 , 暗淡型煤 , 在上部有 1 ～ 2 層夾矸 , 煤體夾矸厚度為 0 1 2 ～ 0 1 7 m, 平均厚度為

0 1 5 m 。煤層總厚度 0 1 7 ～ 1 1 5 m, 平均 1 1 2 m, 煤層傾角在 26 ～ 28 ° , 其頂底板巖性情況見表

66110 工作面運輸巷為拱形半煤巖巷道 , 寬 ×高為 4 000 mm × 3 200 mm, 原巷道采用了 ? 20 mm

× 2 200 mm 左旋螺紋鋼等強錨桿進行支護 , 頂板錨桿間排距均為 800 mm, 幫部錨桿間距為 650mm 、排距為 800 mm, 配合 ∏ 2 型鋼帶 , 巷道頂板施工 3 根 ? 17 1 8 mm × 8 000 mm 的錨索進行加強支護 , 錨索間距為 2 000 mm, 排距為 3 200 mm 。

　　為進行 Y 型通風 , 66110 工作面運輸巷需要進行留巷 , 且該巷道將來要為 66210 工作面服務 , 同樣要為 Y 型通風進行留巷。因此 , 66110 工作面運輸巷 AB 段要進行 2 次留巷 , 其下部又受到 66109工作面采動的影響 , 現場調查發現 , 66110 工作面運輸巷頂板巖層已經發生了較大范圍的離層 , 局部頂板非常破碎 , 頂底板移近量平均達 782 mm, 兩幫移近量最大達 1 700 mm, 為保證巷道的安全 ,期間曾進行架棚支護并加密錨桿 , 但效果不明顯 ,巷道維護非常困難。

3 　巷道圍巖破壞原因及加固理論

3 . 1 　巷道圍巖破壞原因分析

　　結合新莊孜礦 66110 工作面的地質條件和開采技術現狀 , 分析其運輸巷變形破壞的影響因素。

　1)采動影響。正在回采的 66109 工作面位于66110 工作面下部僅 10 m, 采動影響明顯 , 目前巷道的變形破壞主要是由 66109 工作面采動影響引起 , 并且將來還要受到 66110 和 66210 工作面回采的采動影響。因此 , 該巷道屬于強烈動壓影響巷道 , 巷道維護難度很大。

2)垂直應力。該巷道埋深為 600 m, 地壓大 ,承受較大的垂直應力。

3)圍巖性質。按照煤礦錨噴支護巷道圍巖分類, 該巷道的直接頂和兩幫屬于穩定性較差的巖層 , 底板屬于不穩定巖層。圍巖自身強度低 , 受動壓影響后 , 塑性區擴大 , 出現碎脹破壞 , 成為巷道破壞的主要原因。

4)原有支護不合理。原支護錨桿錨索預緊力施加不夠 , 很多托板和鋼帶都不能貼緊巷道表面 ,鋼帶與錨桿不匹配 , 容易發生鋼帶剪切錨桿而使錨桿失效的現象 , 且鋼帶寬度較小 , 護表效果不佳。

3.2 　巷道圍巖加固理論

　　根據上述巷道變形破壞的影響因素 , 同時考慮到生產計劃需要盡快使用巷道 , 選擇了施工速度快、支護效果好的錨桿錨索聯合加固方案。

　　目前 , 對于這種受強動壓、大變形復雜困難巷道的支護 , 主要有 2 種理論。

1)二次支護理論。該理論認為 , 一次支護在保持巷道圍巖穩定的前提下 , 允許圍巖有一定的變形以釋放壓力 , 待圍巖變形穩定之后進行二次支護 , 以保證巷道的長期穩定。這種理論在一定條件下已經取得了良好的效果 , 也得到了廣泛的認可

[8 ] 。但是在強動壓影響、地質構造發育及松軟破碎不穩定巷道等地段 , 采用二次支護之后破壞仍在繼續 , 甚至需要多次支護 , 圍巖變形長期得不到有效控制。

2)高預應力強力一次支護理論 。強力一次支護理論的實質是大幅度提高支護系統的初期支護剛度和強度 , 有效控制圍巖變形 , 保持圍巖的完整性 , 減小煤巖體強度的降低。采用高預緊力、強力支護 , 盡量一次支護就能滿足生產要求 , 避免二次支護和巷道維修。

　　該巷道歷經多次維修 , 但巷道變形長期沒有得到控制 , 且該巷道受強烈動壓影響并要進行沿空留巷 , 因此采用高預應力強力一次支護理論進行支護設計較為合理 , 高預應力強力一次支護系統可以改善圍巖應力環境 , 提高圍巖殘余強度 , 阻止圍巖出現張開裂隙和裂紋、結構面出現離層與滑動 , 最大限度地保持圍巖的完整 , 避免有害變形出現。因此 , 需要強力一次支護系統達到以下 2 個條件:

①支護系統應有足夠的初期支護強度和剛度 , 有效控制離層、滑動、裂隙張開及新裂紋產生等不連續變形 , 保持圍巖的完整性 , 一方面保證錨固體整體結構不破壞 , 另一方面確保錨桿、錨索的錨固力 ,并使其有效擴散到圍巖中 ;

②支護系統應具有足夠的延伸率 , 允許巷道圍巖有一定的連續變形和整體位移 , 但是 , 巷道在服務期間的總位移量應滿足生產要求。另外 , 還需要支護系統的可操作性強、經濟合理。要實現足夠的支護剛度與強度 , 就要求錨

桿預緊力與直徑、強度達到一定的要求 , 并且通過鋼帶、金屬網等實現預緊力的有效擴散, 從而改善圍巖應力狀態 , 提高圍巖強度 , 并可有效阻止圍巖的有害變形 , 防止頂板離層、煤幫體積膨脹 , 從而達到控制強烈動壓影響巷道的目的。

4 　強力錨桿錨索支護材料

4.1 　強力錨桿

　　為實現煤巷錨桿支護高強度、高剛度的支護目標 , 在借鑒國外先進技術的基礎上 , 經過集中攻關 , 我國開發出專用錨桿鋼材 , 設計了 3 個級別的螺紋鋼筋, 達到高強度和超高強度級別 , 力學性能詳見表 2 。桿體采用左旋無縱筋螺紋鋼筋 , 桿尾螺紋段采用滾壓工藝加工 , 其中 ? 22 mm 的BHRB500 錨桿 , 其屈服載荷達 190 1 0 kN, 破斷力達 250 1 8 kN, 延伸率達到了 20% , 真正實現了高強度可延伸。

4 .2 　強力錨索

　　煤炭科學研究總院開采設計研究分院聯合相關單位 , 成功開發出煤礦專用高延伸率、強力錨索鋼絞線 , 采用新型 1 × 19 股鋼絲捻制結構 , 如圖 2 所示。? 22 mm 強力錨索拉力 - 位移曲線如圖 3 所示 ,力學性能詳見 3 。? 22 mm 鋼絞線的破斷載荷達到 607 kN, 延伸率 7 1 0% , 明顯高于等直徑的 1 × 7股結構鋼絞線 , 實現了高強度、高延伸率支護。

4 1 3 　護表構件

　　護表構件包括錨索托板、鋼帶和金屬網等。錨索托板有多種形式 , 最常用的是平托板 , 但平托板受力時四周易翹起 , 還有一種是槽鋼制成的托板 , 槽鋼托板易扭曲變形 , 甚至被壓穿而導致錨索失效 , 針對以上情況 , 開發了拱形錨索托盤 , 尺寸為 300 mm × 300 mm × 16 mm, 并配調心球墊 ,一方面托板的承載能力顯著提高 , 與強力錨索強度匹配 , 另一方面 , 托板可調心 , 改善了錨索的受力狀態 , 使錨索支護能力得以充分發揮。

　　由于該巷道表面凸凹不平 , 普通的鋼帶可能寬度太小或難以貼幫而不能起到良好的預應力擴散作用 , 也可能容易被撕裂 , 與強力支護系統不匹配 ,為此 , 專門研制了 W 型鋼護板 , 既可以密貼巷幫 ,又不容易彎曲變形 ; 選用 ? 6 mm 鋼筋制作的鋼筋網 , 與強力支護系統匹配 , 使鋼帶和鋼筋網都成為預應力強力支護系統的重要組成部分。

5 　動壓沿空留巷支護技術的現場應用

5 1 1 　巷道加固方案

　　根據圍巖變形破壞因素分析和加固理論 , 確定66110 工作面運輸巷采用高預應力強力錨桿錨索聯合支護系統。頂板錨桿采用 BHRB500 左旋無縱筋螺紋鋼筋 , 直徑 22 mm, 長度 2 400 mm, 間排距

為   800 mm × 800 mm, 樹脂加長錨固 , 錨桿預緊力矩 500 N · m, 配合 300 mm × 300 mm × 12 mm 的鋼

護板和鋼筋網護頂 ; 錨索采用 ? 22 mm, 1 × 19 股高強度低松弛預應力鋼絞線 , 長度 7 300 mm, 配合 300 mm × 300 mm × 16 mm 的高強度拱形可調心托板 , 每排 3 根錨索 , 沿著圓拱法線方向安設 , 排

距 1 600 mm, 預緊力 300 kN 。

　　兩幫錨桿材料與規格同頂板錨桿 , 配合 W 鋼護板和鋼筋網護幫。巷道支護布置如圖 4 所示。

5 1 2 　井下監測

　　 66110 工作面運輸巷加固超前 66110 工作面200 m, 巷道同時受到 66109 工作面和 66110 工作

面開采的動壓影響 , 加固完成后 , 進行了巷道變形監測 , 監測曲線如圖 5 所示。

從圖 5 中可以看出 , 巷道變形在工作面前方22 m 處趨于穩定 , 巷道變形以兩幫變形為主 , 巷道兩幫移近量最大為 170 mm, 頂底移近量最大為116 mm; 巷道變形主要發生在工作面后方 0 ～ 36 m處 , 頂底板最大移近量為 326 mm, 兩幫最大移近量為 447 mm, 采用聯合支護有效制止了巷道的強烈變形 , 且受到強烈采動影響后巷道并未發生較大的變形 , 巷道完全滿足運輸和通風的要求。

6 　結 　　論

1)高預應力強力錨桿錨索聯合支護系統可以改善圍巖應力環境 , 提高圍巖殘余強度 , 阻止圍巖出現離層、滑動和結構面張開等有害變形 , 保持圍巖的完整性 , 減小煤巖體強度的降低 , 有效解決受強烈動壓影響的復雜困難巷道的支護問題。

2)由高強度錨桿、新型 1 × 19 股高強度低松弛預應力錨索、錨索用拱形高強度可調心大托板和W 鋼護板組成的高預應力強力聯合支護系統 , 更好地發揮了預應力支護的特性。

3)新莊孜煤礦 66110 運輸巷是一條受強烈動壓影響的并且需要二次留巷的巷道 , 采用高預應力強力錨桿錨索聯合支護后 , 有效控制了圍巖變形 ,留巷后的巷道完全能滿足運輸和通風的要求。