錨桿支護(hù)方沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

引言
　　 沿空留巷可以極大的提高礦井資源回收率，并有效緩解礦井采掘接替緊張的現(xiàn)狀。無煤柱開采技術(shù)現(xiàn)在成為礦井為了提高資源回收率而大力推廣的主要技術(shù)之一，并在我國的許多礦區(qū)進(jìn)行了推廣和實(shí)踐，且在近年來的礦井生產(chǎn)應(yīng)用中取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。近年來的無煤柱開采沿空留巷技術(shù)推廣巷道支護(hù)方式多采用金屬支架或混凝土砌碹支護(hù)等被動(dòng)支護(hù)形式。金屬支架及混凝土砌碹支護(hù)成本比較高，且礦井經(jīng)過采動(dòng)后，二次來壓影響下巷圍巖變形量較大，采用被動(dòng)支護(hù)形式的巷道變形比較嚴(yán)重，使得巷道的支護(hù)及維護(hù)較差。錨桿支護(hù)作為一種主動(dòng)支護(hù)方式，通過錨桿的軸向作用力，將圍巖中一定范圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)由單向（或雙向）受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴軌?，從而提高其環(huán)向抗壓強(qiáng)度，使壓縮帶既可承受其自身重量，又可承受一定的外部載荷，使其有效地控制圍巖變形，使得沿空留巷的巷道能夠保持原狀，巷道的支護(hù)和維護(hù)效果也比較好，是一種較好的值得大力推廣的主動(dòng)支護(hù)方式。
　　1工程地質(zhì)條件
　　 錨桿支護(hù)沿空留巷試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山西省忻州市某礦井綜采工作面運(yùn)輸順槽，留巷后作為下一工作面回風(fēng)順槽，該工作面位于一700m東一采區(qū)，工作面上部為已回采結(jié)束的綜采工作面。
　　 綜采工作面回采煤層為山西組9煤，煤厚0.8^"2m，傾角平均27.50，工作面走向長度323m，傾斜長120.6m;井下標(biāo)高一689~一764m，地面標(biāo)高+35.6~+36.2m，工作面埋深705~800m,工作面綜合柱狀見圖1。
　　2沿空掘巷圍巖控制基本原理
　　2．1沿空掘巷上覆巖體大小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析
　　 巷道圍巖的變形破壞是眾多因素的綜合反映．掘進(jìn)前煤體受采場(chǎng)支承壓力影響而發(fā)生了不同程度的變形，甚至破壞，巷道基本位于煤體塑性區(qū)，其整體力學(xué)性能較差，巷道掘進(jìn)后，其頂板及兩幫均為煤體，穩(wěn)定性較差。
　　 在一定開采及窄煤柱留設(shè)條件下，巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律是造成沿空掘巷圍巖變形破壞的主要外因。這主要取決于沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)在掘巷及本工作面回采期間均不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，為巷道采用錨桿支護(hù)提供了先決的外部條件，但上覆巖體大結(jié)構(gòu)一定的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)將會(huì)引起巷道圍巖大變形的發(fā)生。此時(shí)，沿空掘巷的穩(wěn)定性主要取決于巷道圍巖采用錨桿支護(hù)時(shí)形成的小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，合理的錨桿支護(hù)技術(shù)是該類巷道支護(hù)成功的關(guān)鍵所在。沿空掘巷圍巖大小結(jié)構(gòu)見圖2所示。
　　 沿空掘巷的圍巖屬軟弱破碎圍巖，其變形具有大變形的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐及數(shù)值計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，解決該類巷道圍巖穩(wěn)定問題，必須在錨桿支護(hù)中重視以下兩個(gè)極為關(guān)鍵的問題：錨桿足夠的預(yù)緊力和足夠的支護(hù)強(qiáng)度。
　　
　　2．2沿空掘巷窄煤柱寬度確定
　　2．2．1窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)原則
　　 （1）錨桿著力基礎(chǔ)原則。窄煤柱采用錨桿支護(hù)時(shí)，煤柱的寬度至少應(yīng)大于錨桿的長度，使錨桿能錨固在煤柱中，發(fā)揮錨桿支護(hù)作用。
　　 （2）應(yīng)力環(huán)境有利原則。將沿空掘進(jìn)巷道布置于上區(qū)段工作面回采結(jié)束后形成的垂直應(yīng)力相對(duì)較低的區(qū)域，有利于巷道圍巖穩(wěn)定控制。
　　 （3）回收率高的原則。該類巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)，當(dāng)窄煤柱滿足上述要求時(shí)。窄煤柱的寬度應(yīng)盡可能小一些，這樣對(duì)提高綜采開采中煤炭的采出率是很有利的。
　　2．2．2工程經(jīng)驗(yàn)類比方法
　　 綜采沿空掘巷的窄煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的工程特征，故其合理的窄煤柱留設(shè)寬度還應(yīng)考慮工程中的一些要求。
　　 （1）錨桿的安設(shè)基礎(chǔ)。窄煤柱采用錨桿支護(hù)時(shí)。留設(shè)煤柱的寬度至少應(yīng)大于錨桿的長度。現(xiàn)有條件下，錨桿的長度多在2m左右，考慮到保留一定的寬度富裕系數(shù)，故要求窄煤柱的寬度應(yīng)不小于2．5m。
　　 （2）錨桿安設(shè)的可操作性。在該條件下，錨桿支護(hù)中常會(huì)出現(xiàn)這樣的問題。當(dāng)窄煤柱破壞較為嚴(yán)重時(shí)，錨桿鉆孔在鑿出后不久會(huì)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，致使錨桿的安裝無法正常進(jìn)行，故在實(shí)踐中應(yīng)予以考慮。
　　2．2．3窄煤柱留設(shè)寬度的最終確定
　　 由以上分析可見，綜采沿空掘巷采用錨桿支護(hù)時(shí)，窄煤柱留設(shè)寬度的確定應(yīng)充分考慮以下問題。
　　 （1）對(duì)沿空掘巷的窄煤柱留設(shè)來說，靠上區(qū)段工作面采空側(cè)煤體中存在一定范圍的破碎區(qū)，當(dāng)在巷道側(cè)窄煤柱中安設(shè)錨桿時(shí)。其寬度最好應(yīng)能使錨桿位于采空側(cè)所形成的破碎區(qū)之外，這樣錨桿作用在較為穩(wěn)定的煤體中，可以保證錨桿可靠的錨固能力。
　　 （2）綜采沿空掘巷的窄煤柱留設(shè)尺寸決定了巷道與上區(qū)段工作面回采空間的距離，從而決定了巷道受側(cè)向支承壓力的影響程度；同時(shí)，窄煤柱的留設(shè)尺寸也將直接關(guān)系到窄煤柱自身的承載能力。
　　 由上述可知，窄煤柱留設(shè)寬度一般在4―5m左右時(shí)。巷道的變形要小一些。因此。從控制圍巖變形量的角度出發(fā)。合理的窄煤柱寬度留設(shè)應(yīng)在此值之間，故確定采沿空掘巷中窄煤柱尺寸留設(shè)為4．5m。
　　3巷內(nèi)錨桿支護(hù)參數(shù)
　　 為了搞清沿空留巷的巷內(nèi)支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算軟件(FLAC軟件)進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，比較錨桿支護(hù)和架棚支護(hù)對(duì)控制沿空留巷圍巖變形的作用和效果，確定合適的支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)。分析數(shù)值模擬結(jié)果，決定采用錨桿支護(hù)作為巷內(nèi)支護(hù)方式，以便在沿空留巷期間更好地控制圍巖變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定。綜采工作面膠帶順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道上幫高3.2m，下幫高1.5m，寬3.6m，斷面面積10m2左右。
　　 (1)頂板采用018X1800mm的等強(qiáng)無縱筋螺紋鋼錨桿，用CK2335,Z2335樹脂藥卷2支錨固，間排距800X800mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁。
　　 (2)兩幫采用016X1800mm圓鋼錨桿，用CK2335一支、Z2335樹脂藥卷2支錨固，鐵托板內(nèi)加墊木托板，錨桿間排距800X800mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng)。
　　 (3)巷中施I一排錨索，(P15.24X7000mm,采用1支CK2335樹脂藥卷，2支Z2350樹脂藥卷錨固，間距4m,
　　 (4)頂板錨桿錨固力80kN，兩幫錨固力40kN，錨索初錨力在100^-120kN,
　　4巷旁支護(hù)參數(shù)
　　4.1巷旁支護(hù)阻力
　　 隨著回采面的推進(jìn)，控頂范圍擴(kuò)大，引起基本頂破斷、失穩(wěn)，巷旁支護(hù)體具有的支護(hù)阻力應(yīng)使基本頂沿巷旁支護(hù)體側(cè)的彎矩達(dá)到極限彎矩，從而切斷基本頂，根據(jù)回采的綜采工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，計(jì)算得到巷旁支護(hù)體的切頂阻力為6660kN/m,
　　4.2巷旁支護(hù)材料
　　 為減少充填材料的制作、運(yùn)輸環(huán)節(jié)，降低成本，用水泥、煤為原料加水混合后作充填材料。在保證支護(hù)體強(qiáng)度達(dá)到切頂阻力要求的前提下，盡量減少水泥的用量，降低充填成本。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定水、水泥、煤的質(zhì)量比為2;3;7，試塊第三天強(qiáng)度可以達(dá)到4.66MPa。根據(jù)巷旁支護(hù)體的切頂阻力及充填材料的力學(xué)性能，確定巷旁支護(hù)體寬1.5m。
　　5礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析
　　 文中“-”表示測(cè)站在工作面后方;“+”表示測(cè)站在工作面前方?！吧蠋汀敝缚拷煽諈^(qū)側(cè)，“下幫”指靠近實(shí)體煤側(cè)。
　　 工作面前方巷道圍巖變形見圖3、圖4。由圖3,4可見，回采工作面超前支承壓力劇烈影響范圍20m.工作面后方巷道圍巖變形見圖5、圖6。構(gòu)筑巷旁支護(hù)體后巷道圍巖變形大致分為四個(gè)階段：
　　 第一階段：0~-10m范圍，采空側(cè)由單體液壓支柱支護(hù)，由于離工作面相對(duì)比較近，頂?shù)装宓南鄬?duì)移近比較平緩，移近量較小。
　　 第二階段：-10~-40m范圍，巷道受到工作面周期來壓的影響，沿空留巷上覆巖層活動(dòng)劇烈，巷道圍巖變形劇烈，不論上幫還是下幫，相對(duì)移近速度最大達(dá)9mm/d以上，在該范圍內(nèi)圍巖變形速度達(dá)到最大值，盡管如此，與傳統(tǒng)巷旁支護(hù)方式如殲石帶、木跺等相比較，巷道圍巖相對(duì)移近量較小。
　　 第三階段：-40~-80m范圍，巷道圍巖活動(dòng)程度減弱，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量與移近速度均較小。
　　 第四階段：-80m以后圍巖變形趨于穩(wěn)定，相對(duì)移近速度:上幫側(cè)頂?shù)装鍨?.3mm/d，下幫側(cè)頂?shù)装鍨?.6mm/d，兩幫為0.4mm/d，已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。
　　 總體來說，巷內(nèi)采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)強(qiáng)化圍巖，配合有效的巷旁支護(hù)，控制了沿空留巷圍巖劇烈變形。
　　結(jié)語
　　 錨桿支護(hù)整體澆注巷旁支護(hù)沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)的成功，為我國煤礦開采減少資源浪費(fèi)、改善巷道維護(hù)狀況、解決采掘接替緊張間題提供了一種新的技術(shù)保障手段，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。