高预应力支护在寺河矿西二盘区大断面顺槽巷道中的应用

2014-10-22王红兵

山西煤炭 2014年7期

王红兵

（山西晋煤集团泽州天安靖丰煤业有限公司，山西晋城 048000）

近年来随着采煤技术以及机械设备的快速发展，在条件适宜的情况下，大采高工作面已越来越普遍。寺河矿作为一个高产高效矿井，瓦斯含量特别高，严重影响各项工程的进展，西二盘区巷道在掘进支护过程中，围岩十分破碎，巷道变形严重，顶板和两帮位移较大，底鼓剧烈。锚杆、锚索、钢筋托梁、槽钢托梁和金属网片等支护构件受力很大，变形明显，甚至出现破断，网兜现象严重，巷道支护效果差，巷道安全达不到根本保证。为此急需针对寺河矿的特殊地质条件，探寻适合该矿一次使用巷道的支护技术。

1 工程概况

寺河煤矿现开采3号煤层，该煤层位于二叠系下统山西组下部，埋深为403 m，煤层厚度平均为6.24 m，普遍含有夹矸2层，为稳定煤层，全区可采，煤层倾角平均为4°，内生节理裂隙发育。单轴抗压强度平均为17.72 MPa。寺河煤矿W2301工作面为一次采全高工作面，工作面长度200 m，工作面由东向西依此布置有15巷、11巷、13巷、12巷和14巷，其中15巷与11巷间煤柱中-中为20 m，13与12巷间煤柱中-中为35 m，12与14巷间煤柱中-中为20 m。工作面北侧布置切眼，南侧布置回撤通道。回采巷道、切眼和回撤通道均沿煤层底板掘进。本文主要研究23013巷，巷道整体处在一个中间低两头高的宽缓向斜区域，煤层整体较平，坡度变化范围为0°～8°，平均为5°。直接顶为砂质泥岩和中粒砂岩，砂质泥岩呈灰黑色，中厚层状，平均厚度为4.16 m，中粒砂岩呈深灰色，厚层状，平均厚度为3.4 m；老顶为砂质泥岩，呈灰黑色，中厚层状，平均厚度为11.8 m；底板为砂质泥岩，呈灰黑色，中厚层状。

2 支护原理

近年来随着煤巷锚杆支护技术的快速发展，对锚杆支护理论的研究也取得较大进展，经大量的研究发现，锚杆支护的本质是改善锚固区围岩力学性能与应力状态，从而控制围岩变形和破坏。本文针对寺河矿W23013巷道围岩破碎、巷道变形严重等问题，运用康红普研究院提出的高预应力、强力支护理论，分析复杂条件下锚杆的支护作用。

巷道围岩变形主要包括结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形（不连续变形），和围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等（连续变形），开巷后围岩先产生不连续变形。预应力锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的扩容变形，使锚固区围岩成为刚度较大的承载的结构，同时改善围岩深部的应力分布状态。通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到深部围岩中，实现预应力有效扩散，对支护效果起着决定性作用。预应力锚杆支护系统的刚度大于一定的值时，锚固区才能不产生明显离层，围岩变形得到有效控制，其关键是锚杆预应力。因此，对于条件复杂巷道，应采用高预应力、强力锚杆支护。

3 数值模拟研究

3.1 不同方案预应力扩散对比

根据本文研究背景的具体地质和技术条件，运用数值模拟软件分别模拟了不同锚杆直径、不同锚杆锚索间排距情况下，锚杆锚索在零原岩应力场中的扩散情况。对比分析可知：①23013巷两帮施工4根直径为22 mm的锚杆能在巷帮形成有效的压应力叠加区域，锚杆预应力扩散效果明显。②23013巷顶板锚杆预应力扩散效果明显，当顶板布置6根锚杆时，压应力叠加区域非常明显；当顶板布置5根锚杆时，压应力叠加区域不能覆盖整个顶板，两根锚杆之间煤岩体的压应力值较6根锚杆情况下有一定减少。③锚杆直径对预应力在锚杆长度方向一定影响，锚杆直径为22 mm时，沿着锚杆长度方向围岩受力更为均匀；同时锚杆直径的增加，锚杆本身的力学性能增强，在受到动压影响下抗冲击性能更强而不易被拉断或剪断。部分模拟图片，见图1。

图1 预应力场分布

3.2 巷道掘进阶段方案对比

为分析巷道掘进阶段锚杆间排距、锚杆直径和锚索排距对支护效果的影响，首先模拟分析无支护状态下，巷道围岩变形破坏情况。由数值模拟分析可知，在无支护作用时，巷道顶板及两帮塑性区发育范围较大，破坏严重，巷道顶板及两帮变形量较大，分别达到285 mm和389 mm。

1）顶板锚杆根数。模拟顶板每排5根、6根和7根锚杆三种情况下巷道围岩变形量。分析可知：5根锚杆时，巷道顶板下沉量和两帮相对移近量分别为163 mm和256 mm，分别降低42%和34%；6根锚杆时，巷道顶板下沉量和两帮煤体相对移近量分别为86 mm和165 mm，降低量达到69%和57%；7根锚杆时，支护状况与6根锚杆时接近，顶板及两帮变形量变化不大。

2）顶板锚杆直径。锚杆直径是影响支护强度的重要因素，对18 mm、20 mm、22 mm、24 mm四种不同锚杆直径下巷道围岩变形量模拟分析可知：巷道顶板下沉量和两帮相对移近量与锚杆直径成反比例关系，即顶板下沉和两帮相对移近量随着锚杆直径增大而减小，且直径小于22 mm时，顶板下沉量变化很快，大于22 mm时，顶板下沉量变化不明显。

3）顶板锚杆排距。结合矿井以往支护经验，模拟分析1.0 m和1.1 m两种排距时，巷道顶板下沉量的变化情况。排距为1.0 m时，顶板下沉量为86 mm；排距为1.1 m时，顶板下沉量为142 mm，相比增加56 mm。可见排距由1.0 m增大到1.1 m时，对支护效果影响很大。

4）顶板锚索排距。对2 m、3 m和4 m三种锚索排距进行模拟，可得出：随着锚索排距的增加，巷道顶板下沉量逐渐增加，两者呈正比例关系，且排距小于3 m时，顶板下沉量变化缓慢，大于3 m时，顶板下沉量变化较大。为保证巷道回采期间安全，锚索排距应为2 m。

4 工程应用

4.1 支护方案设计

考虑到巷道掘进过程中的设备尺寸、通风要求以及巷道围岩变形预留量，设计巷道断面尺寸如下：23013巷呈矩形，掘进宽度5 000 mm，高度3 800 mm，掘进断面积19 m2。经过数值模拟分析，W23013巷道支护采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强支护，支护布置图见图2，支护参数如下：

图2 W23013巷锚杆支护布置图

1）顶板支护。顶锚杆采用BHRB500钢材22号左旋无纵筋螺纹钢筋，长2 400 mm，每排6根锚杆，间距排距为900 mm×1 000 mm，全部垂直巷道顶板布置；锚固剂采用一支MSK2335和一支MSZ2360树脂锚固剂，锚固长度为1 208 mm，锚固力不小于190 kN；锚杆预紧力矩不小于400 Nm；顶板锚杆采用钢筋托梁联接；锚杆配件力学性能与锚杆杆体配套；采用规格为5 400 mm×1 100 mm菱形网护顶，网片之间相互搭接，长度为100 mm。锚索采用2-0-2布置，直径为22 mm，长7 300 mm，间排距为2 000 mm×2 000 mm，全都垂直巷道顶板打设；采用端部锚固，一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂锚固，锚固长度1 970 mm；锚索预紧力不小于250 kN。

2）巷帮支护。巷帮锚杆规格、锚固方式以及锚杆预紧力矩均与顶板相同，不同之处为：锚杆布置形式为每排4根锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，锚杆应垂直巷帮打设，靠近顶板锚杆打设角度不大于10°；采用规格为 280 mm×350 mm×4 mm W钢护板；采用规格为3 600 mm×1 100 mm菱形网护帮，网片之间相互搭接，长度为100 mm。

4.2 矿压监测

1）围岩位移观测。采用十字布点法安设表面位移监测断面，对W23013巷在掘进期间对表面位移进行了监测，测站的监测曲线图，见图3。由监测曲线可知：巷道由掘进完成到巷道稳定，巷道两帮最大移近量为30 mm，巷道顶板下沉量为10 mm，底鼓量为13 mm，底鼓量占巷道顶底总移近量的56.5%；巷道底鼓量占巷道顶底板总移近量的比例较大，对顶板支护效果明显。巷道在掘进期间内变形量较小，围岩保持了较好的完整性，说明高预紧力锚杆锚索支护有效地控制了巷道围岩的变形。

图3 表面位移监测曲线图

由监测曲线可知：巷道由掘进完成到巷道稳定，巷道两帮最大移近量为30 mm，巷道顶板下沉量为10 mm，底鼓量为13 mm，底鼓量占巷道顶底总移近量的56.5%；巷道底鼓量占巷道顶底板总移近量的比例较大，对顶板支护效果明显。巷道在掘进期间内变形量较小，围岩保持了较好的完整性，说明高预紧力锚杆锚索支护有效地控制了巷道围岩的变形。

2）支护体受力监测。采用液压枕式的锚杆测力计测试顶帮锚杆、锚索受力。由监测结果分析可知：顶板和巷帮锚杆受力总体上呈递增趋势，锚杆发挥了应有的支护效果，起到了控制围岩变形的作用；巷帮锚杆后期受力减小其原因为帮部煤体酥松导致应力损失，巷帮底角处锚杆受力较大，说明巷道底角为应力的集中区，是支护的重点部位。顶板锚索受力整体是增大的趋势，对控制围岩变形起到了一定的抑制作用；巷帮锚索受力没有明显的增大，表明巷帮在强力锚杆锚索支护作用下，巷道围岩矿压显现不剧烈，变形量不大。