高预应力锚网索分段支护技术在回采巷道中的应用

白世民，杜才溢,张玉江,3,4

(1.延安市禾草沟一号煤矿有限公司,陕西 延安 717300;2.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024; 3.山东能源临沂矿业集团有限责任公司,山东 临沂 276017;4.山东能源集团 博士后科研工作站,济南 250014)

我国煤炭储采比相对较低,给煤炭资源的可持续开发带来严重挑战[1]。井下围岩环境复杂多变,如何维持回采巷道稳定是确保工作面安全生产,实现煤炭资源可持续发展的影响因素之一[2]。锚网索支护作为主动支护的一种,可对巷道围岩进行及时、有效支护,能实现对巷道围岩变形的有效控制[3-6]。康红普等[7-10]总结了多年来我国煤矿巷道支护技术所取得的研究成果,指出以往很多矿井仅限于普通锚网索支护研究和实践,对预紧力锚网索支护认识不足,在井巷支护中多采用普通锚杆和锚索进行支护,在设计和施工过程中对预应力未加以要求,锚杆和锚索预应力普遍较低,锚网索支护体系不能给予巷道围岩体充分的支护作用,不利于调节和提高巷道围岩的自身强度和稳定性;金银财等[11]针对某矿高瓦斯煤层巷道围岩变形大、破坏范围广、易发生瓦斯突出等问题,提出高预应力强力支护系统,有效控制了巷道围岩变形；张力生等[12]基于对浅埋高应力巷道变形原因分析,提出采用高预应力锚杆支护技术对枣泉矿11201回风巷进行支护,现场监测结果表明,采用该支护技术后,巷道围岩变形降低80%,有效地控制了围岩变形。上述研究为采用高预应力锚杆支护技术进行围岩变形控制提供了理论依据。基于此,本文结合禾草沟一矿围岩特性、地应力等实际因素,决定在15207工作面回采巷道实施高预应力锚网索支护技术,以达到控制顶板离层、控制围岩变形破坏和提高巷道稳定性的目的。

1 工程概况

禾草沟一矿位于子长矿区西南部,矿井构造为由东向西倾伏的单斜构造,伴有波状起伏,倾角1°～3°,无岩浆活动迹象,井田南部有一条东西走向的断层,断距较小,井田构造属简单型。禾草沟一矿现主采5#煤层,平均埋深130 m,煤层厚度0.51～2.67 m,平均厚度1.9 m。煤层含1～3层夹矸,夹矸为粉砂岩或泥质粉砂岩。5#煤层顶底板综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal strata

目前,15209工作面正在回采,相邻15207工作面需要准备,两工作面区段煤柱留设净宽度为20 m。15207工作面采用走向长壁后退式全部垮落的综合机械化采煤方法,采用跟顶跟底开采。15207工作面由回风顺槽、运输顺槽及切眼构成,回风顺槽分段情况如图2所示,工作面两顺槽巷及切眼均采用矩形断面,断面尺寸为4.2 m×2.5 m。

图2 回采顺槽分段情况Fig.2 Segmented condition of mining gateway

2 原支护条件下巷道变形破坏分析

2.1 原有支护方案

5#煤层的15209和15211工作面已经掘进完毕,顺槽断面为4.2 m×2.5 m,采用锚网索支护。15209回风巷顶板及两帮支护参数如表1所示。

表1 15209回风顺槽顶板及两帮支护参数Table 1 Supporting parameters of roof and two sides of gateway of return airway in 15209 working face

表1(续)

此外,若遇地质变化或现有支护形式不能满足需要时,可及时采取其他有效形式加强支护,并根据现场实际情况另行编制加强支护措施。锚杆锚固力不低于80 kN,顶锚杆初始预紧力矩不低于150 N·m,二次紧固后预紧力距不低于260 N·m。帮锚杆预紧力为40 kN,并按要求进行二次紧固,每根锚杆外露长度10～50 mm,每根锚索外露长度150～250 mm,锚索预紧力矩不低于130 N·m。锚固力不小于220 kN,锚索张拉为25～28 MPa,不得低于25 MPa。

2.2 巷道矿压显现分析

对15209运输顺槽现场调研发现,采用原支护时,该巷道1 125 m附近沿空侧巷帮上部鼓出约300 mm,部分帮锚杆托盘被螺母压穿,顶锚杆托盘切入顶板。在970～840 m处,由于受断层影响,实体煤侧巷帮沿夹矸交界面鼓出,且有碎块掉落,破碎高度约1 m,深度约300 mm。该处玻璃钢锚杆锚固范围为钻孔300～500 mm范围内,由此可见锚杆无法起到预期的支护作用。另外,该段巷道还存在底臌和顶板下沉,底臌量约300 mm。对两帮采取一定补强支护后,矿压显现剧烈程度至780 m处明显减小。15209工作面运输顺槽在邻近工作面巷道掘进、工作面采动以及超前支承压力的影响下,巷道围岩处于塑性状态,15209工作面超前支承压力对其变形影响更敏感,因此需尽量减少巷道受采动影响的次数。

2.3 巷道变形破坏机理分析

基于对15209运输顺槽围岩变形的现场调研结果,对15207运输顺槽的围岩变形破坏机理进行分析。15207运输顺槽顶板岩层为油页岩、泥岩和铝质泥岩；底板岩层为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩,均为软弱岩层,整体性较差,承载能力较弱。受邻近工作面采动影响和本工作面回采及超前支撑压力影响,巷道围岩极易发生较大变形,巷道维护困难。

此外,由图2可知,15207工作面需穿越F2断层,在F2断层影响区域(区域Ⅱ)内,巷道围岩较为破碎,整体性更差,承载能力更弱。在区域Ⅱ内15207运输顺槽围岩更易发生较大变形,产生底臌、片帮和冒顶等工程问题,甚至会造成煤岩突出。因此,对区域Ⅱ内15207运输顺槽需采取加强支护,以确保巷道围岩稳定,为工作面安全回采提供保障。

3 巷道支护方案优化

3.1 区域I支护方案

由于区域I内15209运输顺槽围岩变形较大,因此基于15207运输顺槽顶底板围岩条件,对区域I内的15207运输顺槽支护方案进行优化,优化后的具体支护参数如下。

3.1.1锚杆支护系统

巷道顶板采用Φ20 mm×2 200 mm的Q335预应力锚杆,锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。非小煤柱沿空掘巷段实体帮采用Φ16 mm×1 800 mm的矿用螺纹钢锚杆,小煤柱沿空掘巷段的实体帮则采用Φ18 mm×1 800 mm的矿用螺纹钢锚杆;工作面侧帮采用Φ20 mm×1 800 mm的玻璃钢锚杆;帮锚杆3-2-3布置,间距1000 mm。配合使用K2360树脂锚固剂。锚杆间排距误差控制在±50 mm以内。同时,配合使用金属网/塑料网+钢筋梯护表,其中顶板采用Φ10 mm钢筋梯+Φ5.5 mm钢筋网,间隔一排布置;两帮为塑料网,实体侧帮可在锚杆托盘下放置废旧皮带做成的垫防止切断网片。

3.1.2锚索支护系统

采用Φ17.8 mm×7 300 mm的预应力钢绞线锚索,锚索采用“五花”隔排布置,间距1 800 mm,布置在两排锚杆间。每孔用1卷CK2360和1卷K2360树脂锚固剂。锚索托盘采用300 mm×300 mm×12 mm的碟型普强托盘。区域Ⅰ巷道支护断面图如图3所示。

图3 区域Ⅰ巷道支护断面图(mm)Fig.3 Cross-sectional diagram of roadway support in region Ⅰ

3.2 区域Ⅱ支护方案

相对于区域I而言,区域Ⅱ内的15207运输顺槽因受F2断层影响,巷道围岩整体性更差、承载能力更低,因此需采取加强支护,优化后的具体支护参数如下。

3.2.1锚杆支护系统

顶板采用Φ20 mm×2 400 mm的Q335预应力锚杆,锚杆间排距为800 mm×900 mm。非小煤柱沿空掘巷段的实体帮采用Φ16 mm×1 800 mm的矿用螺纹钢锚杆,小煤柱沿空掘巷段的实体帮则采用Φ18mm×1800 mm的矿用螺纹钢锚杆;工作面侧帮采用Φ20 mm×1 800 mm的玻璃钢锚杆,帮锚杆3-2-3布置,间距1 000 mm。每孔用1卷K2360树脂锚固剂。为确保锚固效果,锚杆间排距误差控制在±50 mm以内。同时,配合使用金属网/塑料网+钢筋梯护表,其中顶板采用Φ10 mm钢筋梯+Φ5.5 mm钢筋网,两帮为塑料网,实体侧帮可在锚杆托盘下放置废旧皮带做成的垫防止切断网片。

3.2.2锚索支护系统

采用Φ17.8 mm×8 500 mm的预应力钢绞线让压锚索,间距1 800 mm,采用“2-2-2”隔排布置,布置在两排锚杆间,每孔采用1卷CK2360和1卷K2360的树脂锚固剂。托盘采用300 mm×300 mm×12 mm的碟型普强托盘。采用让压管让压,让压距离为45 mm,让压点为150 kN左右。区域Ⅱ巷道支护断面图如图4所示。

图4 区域Ⅱ巷道支护断面图(mm)Fig.4 Cross-sectional diagram of roadway support in region Ⅱ

3.2.3预应力设计

锚杆预应力一般设计为杆体屈服强度的30%～50%。本方案中,顶板锚杆的预应力在40～60 kN,玻璃钢锚杆按照40～45 N·m施加,采空区侧帮如采用Φ18 mm螺纹钢锚杆，预应力30～40 kN,采空区侧帮如采用Φ16 mm螺纹钢锚杆,预应力25～33 kN,锚索的预应力大于130 kN。

3.3 支护效果分析

为了解15207工作面回风顺槽在高预应力锚网索支护及局部地段配合补强支护条件下的支护效果,在15207回风顺槽布置了十字观测点,普通地段巷道围岩变形情况如图5所示。

图5 围岩表面位移变化与顶板离层位移变化Fig.5 Variation of surrounding rock surface displacement and roof separation displacement

由图5可知,随着距掘进工作面距离的增加,巷道围岩位移量逐渐增加,巷道两帮累计变形量为75 mm,顶板下沉量累计为25 mm,分别为设计断面的5%和4%,相比于原支护条件下巷道收敛变形量明显降低。

为了进一步掌握高预应力支护对顶板离层的控制,对顶板岩层变化进行窥视,其结果如图5所示。由图5和现场观测可知,15207工作面回风顺槽离层总量约为12 mm,其中深度小于3 m的浅部离层约为7.4 mm,深度超过3 m的深部离层约为4 mm,浅部离层量约占总离层量的65%,说明相比原支护顶板离层得到了明显的控制。

对地质构造、淋水区等特殊地带进行现场观测可知,该特殊区域未见支护体系失效现象,未出现明显的顶板下沉、帮臌和底臌,且“网兜”现象也得到了明显的控制。由此认为,通过对支护方案进行优化,采用高预应力锚网索支护体系并配合局部地段补强支护的支护方式,可有效地控制15207工作面回风顺槽围岩收敛变形和破坏,支护效果较原支护明显提升,达到了预期的巷道围岩控制目标。

4 结论

1)通过现场调研禾草沟一矿5#煤层顶底板围岩赋存特征,分析了原支护方案下巷道变形破坏的影响因素。

2)对15207工作面回风顺槽的支护进行优化,提出了采用高预应力分段锚网索的支护方案。高预应力锚网索支护相比于普通锚网索支护，具有更大的支护刚度和强度,能够给巷道围岩及时有效的高强度支护,促使巷道围岩发挥其自身承载能力,可有效抑制巷道在开挖初期的弯曲和拉伸变形,确保巷道围岩的稳定性和整体性。

3)实践表明,采用高预应力锚网索支护,同时配合补强支护措施可有效地控制巷道的收敛变形量,确保巷道成型尺寸,该巷道自施工完毕至工作面回采结束,整体状况较好,达到了预期的支护效果。