錨桿支護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)進行了推廣和實踐，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)濟效益。近年來的無煤柱開采沿空留巷技術(shù)推廣巷道支護方式多采用金屬支架或混凝土砌碹支護等被動支護形式。金屬支架及混凝土砌碹支護成本比較高，且礦井經(jīng)過采動后，二次來壓影響下巷圍巖變形量較大，采用被動支護形式的巷道變形比較嚴(yán)重，使得巷道的支護及維護較差。錨桿支護作為一種主動支護方式，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，巷道的支護和維護效果也比較好，是一種較好的值得大力推廣的主動支護方式。
　　1工程地質(zhì)條件
　　 錨桿支護沿空留巷試驗地點設(shè)在山西省忻州市某礦井綜采工作面運輸順槽，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．掘進前煤體受采場支承壓力影響而發(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發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，為巷道采用錨桿支護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)下沉運動將會引起巷道圍巖大變形的發(fā)生。此時，沿空掘巷的穩(wěn)定性主要取決于巷道圍巖采用錨桿支護時形成的小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，合理的錨桿支護技術(shù)是該類巷道支護成功的關(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，根據(jù)現(xiàn)場的實踐及數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn)，解決該類巷道圍巖穩(wěn)定問題，必須在錨桿支護中重視以下兩個極為關(guān)鍵的問題：錨桿足夠的預(yù)緊力和足夠的支護強度。
　　
　　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)計原則
　　 （1）錨桿著力基礎(chǔ)原則。窄煤柱采用錨桿支護時，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)揮錨桿支護作用。
　　 （2）應(yīng)力環(huán)境有利原則。將沿空掘進巷道布置于上區(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時，當(dāng)窄煤柱滿足上述要求時。窄煤柱的寬度應(yīng)盡可能小一些，這樣對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)驗類比方法
　　 綜采沿空掘巷的窄煤柱留設(shè)設(shè)計具有很強的工程特征，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時。留設(shè)煤柱的寬度至少應(yīng)大于錨桿的長度?，F(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，錨桿支護中常會出現(xiàn)這樣的問題。當(dāng)窄煤柱破壞較為嚴(yán)重時，錨桿鉆孔在鑿出后不久會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，致使錨桿的安裝無法正常進行，故在實踐中應(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時，窄煤柱留設(shè)寬度的確定應(yīng)充分考慮以下問題。
　　 （1）對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。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，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。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)錨桿支護參數(shù)
　　 為了搞清沿空留巷的巷內(nèi)支護與圍巖的相互作用關(guān)系，運用現(xiàn)代數(shù)值計算軟件(FLAC軟件)進行錨桿支護設(shè)計，比較錨桿支護和架棚支護對控制沿空留巷圍巖變形的作用和效果，確定合適的支護方案和支護參數(shù)。分析數(shù)值模擬結(jié)果，決定采用錨桿支護作為巷內(nèi)支護方式，以便在沿空留巷期間更好地控制圍巖變形，維護巷道穩(wěn)定。綜采工作面膠帶順槽沿煤層頂板掘進，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巷旁支護參數(shù)
　　4.1巷旁支護阻力
　　 隨著回采面的推進，控頂范圍擴大，引起基本頂破斷、失穩(wěn)，巷旁支護體具有的支護阻力應(yīng)使基本頂沿巷旁支護體側(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，計算得到巷旁支護體的切頂阻力為6660kN/m,
　　4.2巷旁支護材料
　　 為減少充填材料的制作、運輸環(huán)節(jié)，降低成本，用水泥、煤為原料加水混合后作充填材料。在保證支護體強度達(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。通過實驗室試驗確定水、水泥、煤的質(zhì)量比為2;3;7，試塊第三天強度可以達(dá)到4.66MPa。根據(jù)巷旁支護體的切頂阻力及充填材料的力學(xué)性能，確定巷旁支護體寬1.5m。
　　5礦壓觀測結(jié)果及分析
　　 文中“-”表示測站在工作面后方;“+”表示測站在工作面前方。“上幫”指靠近采空區(qū)側(cè)，“下幫”指靠近實體煤側(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)筑巷旁支護體后巷道圍巖變形大致分為四個階段：
　　 第一階段：0~-10m范圍，采空側(cè)由單體液壓支柱支護，由于離工作面相對比較近，頂?shù)装宓南鄬σ平容^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劇烈，巷道圍巖變形劇烈，不論上幫還是下幫，相對移近速度最大達(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)巷旁支護方式如殲石帶、木跺等相比較，巷道圍巖相對移近量較小。
　　 第三階段：-40~-80m范圍，巷道圍巖活動程度減弱，頂?shù)装逑鄬σ平颗c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)采用高強度錨桿支護強化圍巖，配合有效的巷旁支護，控制了沿空留巷圍巖劇烈變形。
　　結(jié)語
　　 錨桿支護整體澆注巷旁支護沿空留巷工業(yè)性試驗的成功，為我國煤礦開采減少資源浪費、改善巷道維護狀況、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。