掘进工作面过构造带支护强度优化设计与应用

＊宋炜峰

（山西潞安化工集团蒲县常兴煤业有限公司 山西 041207）

在矿井开采过程中，当采场巷道前存在着断层、褶曲、陷落柱等隐藏的地质构造时，会造成采场顶的挤压和破裂，如果支护不及时，或是锚索、锚杆等支护的力量不足以缓解顶板的压力，将会造成支护失效、顶板冒落、片帮等灾害，造成人员伤亡和设备损坏，给采场区的安全带来很大的隐患[1]。为此，如何及早对其形成部位进行预应力处理，并利用较高的补强方法，保证其在开采过程中的安全性，已成为矿井迫切需要解决的技术难题。

1.工程概况

(1)工作面概况

山西某煤矿12000采区主要开采20#煤层，煤层倾角10°～15°，平均厚度3.2m，主要开采方式为：沿倾角方向设计井段960m，切眼沿倾角方向设置，预测井段可采储量62.6万吨。主要开采煤层是不容易发生自燃的煤层，没有发生爆炸的危险。回风巷开挖过程中，发现了5个断裂，3个是正向断裂，2个是逆向断裂，落差从0.7～1.6m不等。在靠近断层暴露区以前，受构造应力场的作用，煤巷顶板破断，巷道出现严重变形。表1为该工作面回风巷断层情况表。

表1 12000工作面回风巷实揭断层产状参数

(2)存在问题

尽管目前已进行了多种优化，支护强度也有了很大的提高，但是，当遇到复杂的顶板岩体和地质构造时，如何实现有效地支护仍然面临着较多困难。由于岩层的破裂，也常常会引起锚杆的脱落、扭转等失效[2]。这些问题集中体现在以下几个方面：

①在进行螺纹钢锚杆的选择时，应重视检查锚杆质量情况，如果锚杆末端的螺纹存在划扣，短缺没有达到锚杆的要求，如锚杆两端的钢丝间距不一致，丝扣截深度不足，螺帽与螺杆之间的摩擦力降低，可引发铁丝网出现弯曲断裂问题。②当支架、钢带、金属网等顶板支护辅助材料落下时，将大大影响顶板沉陷时接触表面的支承拉力，使裂缝不断发展，岩层破碎，形成网状口袋，最终导致顶板整体结构失效。③因顶板完整性及岩石性质的差异，无论采用综挖或炮挖，均会造成顶面成形不良，对锚杆锚索的施工造成较大的影响，同时，当锚杆锚索在布置时分布的不合理，也会降低支撑效果，造成顶板塌落及破裂[4]。

2.顶板支护理论分析

根据当前煤矿采掘中使用的一些支护方式，分别采用二次支护和高预应力两种方式。

(1)二次支护理论

二次支护原理的基本思路是：在第一次开挖时，由于开采活动的作用，周围岩体的应力值达到了最大。这一时期主要通过一次支护，使围岩释放出一部分能量，使其在受控条件下发生变形，当应力解除，变形趋于平稳时，再次进行二次支护，以实现预想的支护效果[5]。但在实际应用中，受矿山地质条件、围岩性质、埋深等多方面的影响，不能一概而论，同时，部分巷道在开掘后很快就会发生变形、片帮等问题，有的甚至需要多次扩修巷道，这无疑会增加企业的投入，也会影响到正常的开掘时间，不利于企业安全生产。

(2)高预应力支护理论

与二次支护相比，高预应力支护模式具有更强的先进性。本项目提出了一种基于锚杆初始强度和刚度大幅提升的新方法，以实现对周围岩层主动控制，降低了围岩的错动与变形，维护了围岩整体构造的完整性。这样就可以防止过度卸载所引起的形变加剧和构造失效，增加了后期维修工作量和耗材费用。要达到高预应力的要求，必须满足下列条件：

①选择的螺栓材料要有一定的硬度和强度，在保证巷道开挖后，保证巷道的整体稳定性的前提下，要提高锚索的预张力，将围岩的压力分布到锚索体系中，从而共同承担岩体的卸载压力。

②锚固材料应满足支护强度，并具有一定的延展性，使围岩在施工过程中能够产生变形，并在施工过程中将能量释放出来[6]；但是，它的自重要能满足围岩承受最小应力值，且不能超过岩体变形的极限位移值。

③支护打设要抓紧时间，在巷道开挖后立即进行，不能出现空班延迟打设的情况。如果在卸载过程中，由于岩体内部压力的作用，使岩体产生了裂缝，这时在岩体中进行锚固，就无法达到预紧的效果。

3.顶板综合支护方案

(1)支护材料选取

①高强度螺栓

A.高强螺钉的肌腱，其孔距要统一、合理，这样，在安装时就可以轻松地进入孔洞，而且粘着性好。为了达到这个目的，可以肌腱部上形成一个平均的应力分布，并在一定程度上施加一个高的预张力；该螺钉的直径为22～25mm，长度为2～3m。

B.通过市场调查与选择，选择了两种不同的肌腱连接材料，分别是BHRB500、BHRB600，其性能参数见表2。

表2 螺栓肌腱材料参数

②辅助配件

辅具主要由带钢板的肌腱螺母、高强度钢带、钢绞线等材质组成。在降低了肌腱连接螺帽和钢板间的摩擦力后，使肌腱连接的左侧扭矩转换成符合要求的最大预张力，起到了和防摩衬垫同样的效果。采用“W型”高强度钢板，其外形采用了冷滚压工艺，韧度高，与顶板的接触面大于单个托架，支撑作用更好[7]。在进行加工时，可以在防止应力集中来压时，降低由于材料问题而造成的损坏失效，通常情况下，使用的钢带的厚度为2.5～3mm。在保证较高的预压及压力要求的前提下，可以将压力调节到4～5mm，并将压力调节到500kN，以防止压力引起的压裂变形。

在选择钢丝绳时，通常选用韧性高、强度高的材质。根据支撑强度的不同，分别选取对应的直径，通常情况下，可以选取18mm、20mm和22mm三种类型，它们分别与破碎载重相对应，它们分别对应着408kN、510kN和607kN，还拥有7%的扩展性。

通常使用12#、14#两种不同的槽钢来制作支架。由于托盘是矩形的，所以在顶板受力下沉的时候，首先受力的是槽钢的四面，当材料的强度与厚度设计不当时，将无法有效承受顶板的压力，造成槽钢变形与断裂，进而造成顶板的支撑失败。因此，经过计算与模拟实验，应用300mm×300mm×18mm的槽钢来加工，并增设可调垫片于锚杆、锚索眼的位置，这样当托盘出现偏离锁具中心线的情况后，可及时实施微调，让其应力实现有效传递。

(2)永久支护方式设计

在巷道穿越断裂前、后5m的范围内，预先对顶板进行支护。在巷道中使用了带螺纹的钢锚、锚索和金属网的组合支撑。设计锚杆间距为0.9m×0.9m，锚索间距为1.85m×0.9m。按照巷道的宽度，在每一行设置3条锚索，并通过梯级之间的钢带梁，以防止井眼位置重叠；锚杆与索具之间的间距应互相交错，呈三花眼排列。视现场顶板完整性情况，可适当减少间隔间距，但必须严格按迎山角竖直顶板进行，以减少剪应力的作用。该巷道采用EBZ260型综放工作面，单行进尺0.9m，对该巷道进行了施工。在确定顶板支护条件良好后，两侧帮段采用钢筋锚杆、菱形网架、钢带梁组合支撑，帮段锚杆之间的排距为1.2m×0.9m，每排3个，上排距巷道顶底0.4m。顶帮段的支护结构见图1。

图1 顶帮支护设计平剖面

采用永久性支护措施后，巷道的变形和沉降得到了很大程度的降低，此外，在接近构造的地方，还采用了预应力加强和组合支护，从而提高了巷道的完整性，收到了很好的效果。图2显示了加强后的结果。

图2 复合支护巷道加固效果

(3)临时支护方式设计

在接近断裂面时，必须放慢掘进切煤速率，采取挖1排，锚1排的方法，避免由于顶板失稳而导致的大范围塌落和冒顶。在使用临时支护的时候，选择DW31.5-30/100B与矩形木垛相结合的单体水力支护，或选择小型圆木作为顶板的支撑。将金属网置于最上面，由单体支柱推着木堆叠把网抬到顶上，使其与岩石表面紧紧结合，再由手工将网的交接处用钢丝相连；待3个单柱升紧并稳定后，采用锚杆机进行打锚，以加强其强度。

如果在顶板条件下打设锚杆后，经过评估，可以达到加固的效果，那么第一排就可以不使用锚索，这样就可以避免暴露太长，从而对第二排的切煤作业造成影响。但后巷中的锚杆必须紧随其后，才能避免由于开采的影响而导致岩体的深部破裂，从而产生潜在的破裂危险[8]。在巷道帮部，要根据煤的破裂、膨胀和结构的稳定性来判断，如果出现片帮、煤体松软、煤壁外鼓等情况，则要打好锚杆，紧跟在正头上。在煤墙比较完整的情况下，最大可以延后5m，然后在5m的距离内补打帮部锚杆。

4.结论

利用高强度预加载锚杆及附属部件的支撑材质，选择带螺纹的锚杆、锚索和金属网，采用阶梯之间的钢带梁柱等组合支撑方式，对采场巷道接近断裂或其他结构时的采场巷道进行了优化，从而使采场巷道变慢，减少了采场巷道的整体损坏。在此基础上，实现了巷道内应力消散、岩石挤压变形速率和顶帮支撑时机的最佳匹配。经实际应用与数据观察，该组合支撑可使综采工作面位移下降70%～75%，且可使综采工作面失稳下降5%～8%，可显著提升综采工作面的稳定性，并可节约综采工作面的维修费用。