强烈动压影响下的沿空留巷巷道加固技术

摘 　要 : 为解决强烈动压影响下沿空留巷巷道加固的技术难题 , 针对新庄孜煤矿 66110 工作面运输巷受自身工作面及下方仅 10 m 距离的 66109 工作面的采动影响及需要沿空留巷的情况 , 采用理论分析与现场实践的方法分析其破坏特点及影响因素 , 结合高预应力强力一次支护理论与最新研制的高强度支护材料 , 提出了巷道的加固方案 , 确立了合理的支护参数 , 并成功应用。研究结果表明 :采用强力锚杆锚索联合支护系统后 , 66110 运输巷在受到 2 个工作面采动影响的情况下 , 工作面前方巷道两帮移近量为 210 mm, 顶底板移近量为 242 mm, 分别比原支护巷道降低 80% 和 69% , 工作面后方留巷段两帮移近量为 406 mm, 顶底板移近量为 340 mm, 巷道变形得到了有效控制。

1 　概 　　述

　　淮南矿区是典型的高瓦斯矿区 , 为防治瓦斯对煤矿生产的安全威胁 , 淮南矿业集团公司采取了多种有效措施

, 其中开采保护层与 Y 型通风应用较为广泛, 为瓦斯排放、保证安全生产提供了重要的技术保障。淮南矿区地质构造复杂 , 开采煤层多达 8 ～ 15 层 , 采用多组高瓦斯煤层群开采方式 , 在生产过程中 , 经常遇到相邻煤层互相受到采动影响的情况 , 巷道围岩在强烈动压影响下 , 塑性区扩大 , 造成巷道冒顶、片帮严重 , 巷道维护十分

困难 , 加之多条巷道要进行留巷 , 甚至多次留巷 ,对巷道围岩稳定性控制提出了更高的要求。对于复杂困难巷道的加固 , 有的采用注浆加固配合锚杆锚索联合支护方式, 取得了良好的效果 , 但是注浆成本高 , 工作量大。近几年 , 开发了不同类型的固技术 , 这些技术具有锚固力和锚固长度大、可施加较大预紧力和及时支护等优点 , 在复杂困难巷道支护和补强加固中得到了广泛应用 。

　　本文针对淮南新庄孜煤矿 66110 工作面运输巷受强烈采动影响并且沿空留巷的支护问题 , 分析了其破坏因素和控制机理 , 提出了巷道加固支护方案 , 并进行了工程实践。

2 　试验巷道概况

　　 66110 工作面为开采保护层工作面 , 工作面标高 - 550 m, 其下部 10 m 为正在回采的 66109 工作

面 , 且 66110 工作面紧邻 66210 工作面 , 工作面巷道布置情况如图 1 所示。该工作面开采的 B10 煤为

结构复杂的薄煤层 , 暗淡型煤 , 在上部有 1 ～ 2 层夹矸 , 煤体夹矸厚度为 0 1 2 ～ 0 1 7 m, 平均厚度为

0 1 5 m 。煤层总厚度 0 1 7 ～ 1 1 5 m, 平均 1 1 2 m, 煤层倾角在 26 ～ 28 ° , 其顶底板岩性情况见表

66110 工作面运输巷为拱形半煤岩巷道 , 宽 ×高为 4 000 mm × 3 200 mm, 原巷道采用了 « 20 mm

× 2 200 mm 左旋螺纹钢等强锚杆进行支护 , 顶板锚杆间排距均为 800 mm, 帮部锚杆间距为 650mm 、排距为 800 mm, 配合 ∏ 2 型钢带 , 巷道顶板施工 3 根 « 17 1 8 mm × 8 000 mm 的锚索进行加强支护 , 锚索间距为 2 000 mm, 排距为 3 200 mm 。

　　为进行 Y 型通风 , 66110 工作面运输巷需要进行留巷 , 且该巷道将来要为 66210 工作面服务 , 同样要为 Y 型通风进行留巷。因此 , 66110 工作面运输巷 AB 段要进行 2 次留巷 , 其下部又受到 66109工作面采动的影响 , 现场调查发现 , 66110 工作面运输巷顶板岩层已经发生了较大范围的离层 , 局部顶板非常破碎 , 顶底板移近量平均达 782 mm, 两帮移近量最大达 1 700 mm, 为保证巷道的安全 ,期间曾进行架棚支护并加密锚杆 , 但效果不明显 ,巷道维护非常困难。

3 　巷道围岩破坏原因及加固理论

3 . 1 　巷道围岩破坏原因分析

　　结合新庄孜矿 66110 工作面的地质条件和开采技术现状 , 分析其运输巷变形破坏的影响因素。

　1)采动影响。正在回采的 66109 工作面位于66110 工作面下部仅 10 m, 采动影响明显 , 目前巷道的变形破坏主要是由 66109 工作面采动影响引起 , 并且将来还要受到 66110 和 66210 工作面回采的采动影响。因此 , 该巷道属于强烈动压影响巷道 , 巷道维护难度很大。

2)垂直应力。该巷道埋深为 600 m, 地压大 ,承受较大的垂直应力。

3)围岩性质。按照煤矿锚喷支护巷道围岩分类, 该巷道的直接顶和两帮属于稳定性较差的岩层 , 底板属于不稳定岩层。围岩自身强度低 , 受动压影响后 , 塑性区扩大 , 出现碎胀破坏 , 成为巷道破坏的主要原因。

4)原有支护不合理。原支护锚杆锚索预紧力施加不够 , 很多托板和钢带都不能贴紧巷道表面 ,钢带与锚杆不匹配 , 容易发生钢带剪切锚杆而使锚杆失效的现象 , 且钢带宽度较小 , 护表效果不佳。

3.2 　巷道围岩加固理论

　　根据上述巷道变形破坏的影响因素 , 同时考虑到生产计划需要尽快使用巷道 , 选择了施工速度快、支护效果好的锚杆锚索联合加固方案。

　　目前 , 对于这种受强动压、大变形复杂困难巷道的支护 , 主要有 2 种理论。

1)二次支护理论。该理论认为 , 一次支护在保持巷道围岩稳定的前提下 , 允许围岩有一定的变形以释放压力 , 待围岩变形稳定之后进行二次支护 , 以保证巷道的长期稳定。这种理论在一定条件下已经取得了良好的效果 , 也得到了广泛的认可

[8 ] 。但是在强动压影响、地质构造发育及松软破碎不稳定巷道等地段 , 采用二次支护之后破坏仍在继续 , 甚至需要多次支护 , 围岩变形长期得不到有效控制。

2)高预应力强力一次支护理论 。强力一次支护理论的实质是大幅度提高支护系统的初期支护刚度和强度 , 有效控制围岩变形 , 保持围岩的完整性 , 减小煤岩体强度的降低。采用高预紧力、强力支护 , 尽量一次支护就能满足生产要求 , 避免二次支护和巷道维修。

　　该巷道历经多次维修 , 但巷道变形长期没有得到控制 , 且该巷道受强烈动压影响并要进行沿空留巷 , 因此采用高预应力强力一次支护理论进行支护设计较为合理 , 高预应力强力一次支护系统可以改善围岩应力环境 , 提高围岩残余强度 , 阻止围岩出现张开裂隙和裂纹、结构面出现离层与滑动 , 最大限度地保持围岩的完整 , 避免有害变形出现。因此 , 需要强力一次支护系统达到以下 2 个条件:

①支护系统应有足够的初期支护强度和刚度 , 有效控制离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续变形 , 保持围岩的完整性 , 一方面保证锚固体整体结构不破坏 , 另一方面确保锚杆、锚索的锚固力 ,并使其有效扩散到围岩中 ;

②支护系统应具有足够的延伸率 , 允许巷道围岩有一定的连续变形和整体位移 , 但是 , 巷道在服务期间的总位移量应满足生产要求。另外 , 还需要支护系统的可操作性强、经济合理。要实现足够的支护刚度与强度 , 就要求锚

杆预紧力与直径、强度达到一定的要求 , 并且通过钢带、金属网等实现预紧力的有效扩散, 从而改善围岩应力状态 , 提高围岩强度 , 并可有效阻止围岩的有害变形 , 防止顶板离层、煤帮体积膨胀 , 从而达到控制强烈动压影响巷道的目的。

4 　强力锚杆锚索支护材料

4.1 　强力锚杆

　　为实现煤巷锚杆支护高强度、高刚度的支护目标 , 在借鉴国外先进技术的基础上 , 经过集中攻关 , 我国开发出专用锚杆钢材 , 设计了 3 个级别的螺纹钢筋, 达到高强度和超高强度级别 , 力学性能详见表 2 。杆体采用左旋无纵筋螺纹钢筋 , 杆尾螺纹段采用滚压工艺加工 , 其中 « 22 mm 的BHRB500 锚杆 , 其屈服载荷达 190 1 0 kN, 破断力达 250 1 8 kN, 延伸率达到了 20% , 真正实现了高强度可延伸。

4 .2 　强力锚索

　　煤炭科学研究总院开采设计研究分院联合相关单位 , 成功开发出煤矿专用高延伸率、强力锚索钢绞线 , 采用新型 1 × 19 股钢丝捻制结构 , 如图 2 所示。« 22 mm 强力锚索拉力 - 位移曲线如图 3 所示 ,力学性能详见 3 。« 22 mm 钢绞线的破断载荷达到 607 kN, 延伸率 7 1 0% , 明显高于等直径的 1 × 7股结构钢绞线 , 实现了高强度、高延伸率支护。

4 1 3 　护表构件

　　护表构件包括锚索托板、钢带和金属网等。锚索托板有多种形式 , 最常用的是平托板 , 但平托板受力时四周易翘起 , 还有一种是槽钢制成的托板 , 槽钢托板易扭曲变形 , 甚至被压穿而导致锚索失效 , 针对以上情况 , 开发了拱形锚索托盘 , 尺寸为 300 mm × 300 mm × 16 mm, 并配调心球垫 ,一方面托板的承载能力显著提高 , 与强力锚索强度匹配 , 另一方面 , 托板可调心 , 改善了锚索的受力状态 , 使锚索支护能力得以充分发挥。

　　由于该巷道表面凸凹不平 , 普通的钢带可能宽度太小或难以贴帮而不能起到良好的预应力扩散作用 , 也可能容易被撕裂 , 与强力支护系统不匹配 ,为此 , 专门研制了 W 型钢护板 , 既可以密贴巷帮 ,又不容易弯曲变形 ; 选用 « 6 mm 钢筋制作的钢筋网 , 与强力支护系统匹配 , 使钢带和钢筋网都成为预应力强力支护系统的重要组成部分。

5 　动压沿空留巷支护技术的现场应用

5 1 1 　巷道加固方案

　　根据围岩变形破坏因素分析和加固理论 , 确定66110 工作面运输巷采用高预应力强力锚杆锚索联合支护系统。顶板锚杆采用 BHRB500 左旋无纵筋螺纹钢筋 , 直径 22 mm, 长度 2 400 mm, 间排距

为   800 mm × 800 mm, 树脂加长锚固 , 锚杆预紧力矩 500 N · m, 配合 300 mm × 300 mm × 12 mm 的钢

护板和钢筋网护顶 ; 锚索采用 « 22 mm, 1 × 19 股高强度低松弛预应力钢绞线 , 长度 7 300 mm, 配合 300 mm × 300 mm × 16 mm 的高强度拱形可调心托板 , 每排 3 根锚索 , 沿着圆拱法线方向安设 , 排

距 1 600 mm, 预紧力 300 kN 。

　　两帮锚杆材料与规格同顶板锚杆 , 配合 W 钢护板和钢筋网护帮。巷道支护布置如图 4 所示。

5 1 2 　井下监测

　　 66110 工作面运输巷加固超前 66110 工作面200 m, 巷道同时受到 66109 工作面和 66110 工作

面开采的动压影响 , 加固完成后 , 进行了巷道变形监测 , 监测曲线如图 5 所示。

从图 5 中可以看出 , 巷道变形在工作面前方22 m 处趋于稳定 , 巷道变形以两帮变形为主 , 巷道两帮移近量最大为 170 mm, 顶底移近量最大为116 mm; 巷道变形主要发生在工作面后方 0 ～ 36 m处 , 顶底板最大移近量为 326 mm, 两帮最大移近量为 447 mm, 采用联合支护有效制止了巷道的强烈变形 , 且受到强烈采动影响后巷道并未发生较大的变形 , 巷道完全满足运输和通风的要求。

6 　结 　　论

1)高预应力强力锚杆锚索联合支护系统可以改善围岩应力环境 , 提高围岩残余强度 , 阻止围岩出现离层、滑动和结构面张开等有害变形 , 保持围岩的完整性 , 减小煤岩体强度的降低 , 有效解决受强烈动压影响的复杂困难巷道的支护问题。

2)由高强度锚杆、新型 1 × 19 股高强度低松弛预应力锚索、锚索用拱形高强度可调心大托板和W 钢护板组成的高预应力强力联合支护系统 , 更好地发挥了预应力支护的特性。

3)新庄孜煤矿 66110 运输巷是一条受强烈动压影响的并且需要二次留巷的巷道 , 采用高预应力强力锚杆锚索联合支护后 , 有效控制了围岩变形 ,留巷后的巷道完全能满足运输和通风的要求。