席建立

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)霍寶干河煤礦2-105 工作面位于2#煤層一采區(qū)左翼，工作面西北側(cè)為F13 斷層，西南側(cè)為一采區(qū)三條大巷，東北側(cè)為小河村保安煤柱邊界，東南側(cè)為下張端斷層。2#煤層均厚為4.2m，平均傾角為6°，煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，具體頂?shù)装鍘r層特征如表1 所示。

2-1052 巷道為2-105 工作面的進(jìn)風(fēng)巷，巷道沿2#煤層頂板掘進(jìn)，巷道的掘進(jìn)寬度為4.7m，掘進(jìn)高度為3.5m。由于巷道直接頂巖層砂質(zhì)泥巖中存在著一定的煤線，且直接頂巖層多由砂質(zhì)泥巖和泥巖的互層組成，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，屬于復(fù)合頂板，另外煤層較為松軟，為保障2-1052 巷道圍巖的穩(wěn)定，防止巖層離層現(xiàn)象出現(xiàn)，擬采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層特征表

2 高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)分析

2.1 錨桿預(yù)緊力控制頂板離層效果試驗(yàn)

為有效分析錨桿預(yù)緊力對(duì)控制頂板離層的效果，根據(jù)2-105 工作面的具體地質(zhì)條件，結(jié)合巷道自然平衡拱高度，選擇在2-1052 巷道開口200m 的范圍內(nèi)對(duì)錨桿預(yù)緊力控制頂板離層的效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在巷道走向方向上每間隔50m 設(shè)置一個(gè)離層儀作為觀測(cè)點(diǎn)，離層儀布置在錨桿錨固范圍中心的位置處[1-3]，設(shè)置錨桿預(yù)緊力20kN、40kN、60kN和80kN 四個(gè)等級(jí)，分別觀測(cè)不同預(yù)緊力區(qū)域離層儀的變化情況，具體觀測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同預(yù)緊力條件下淺部和深部巖層變化情況

通過分析圖1 可知，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，淺部圍巖的離層量出現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)。錨桿預(yù)緊力從20kN 增大到80kN 時(shí)，淺部巖層的離層量從66mm 減小到2mm，且淺部巖層的離層量基本與錨桿的預(yù)緊力呈現(xiàn)出反比例的關(guān)系?；诖丝芍槍?duì)復(fù)合頂板巷道其錨桿的預(yù)緊力能夠有效地控制其淺部巖層的離層量，在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過增大錨桿預(yù)緊力的方式提高頂板的支護(hù)強(qiáng)度和控制效果。隨著錨桿預(yù)緊力的增大，深部巖層之間的離層值變化較小，基本均在45～49mm 范圍內(nèi)，這表明深部圍巖受到錨桿預(yù)緊力的控制效果較小，錨桿預(yù)緊力對(duì)其錨固范圍以外的巖體控制效果弱，深部巖層的穩(wěn)定性主要受到自身物理力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性的影響。

2.2 錨索預(yù)緊力對(duì)頂板支護(hù)效果影響

根據(jù)上節(jié)分析可知，錨桿預(yù)緊力能夠有效控制復(fù)合頂板巷道淺部巖層間的離層現(xiàn)象。為充分分析錨桿預(yù)緊力對(duì)頂板支護(hù)效果的具體影響，根據(jù)2-105工作面的具體情況，進(jìn)行不同錨索預(yù)緊力條件下頂板支護(hù)效果的分析。設(shè)置錨索預(yù)緊力分別為60kN、70kN、80kN、90kN、100kN 和110kN 預(yù)緊力下巖層控制效果，根據(jù)數(shù)值模擬得出不同預(yù)緊力下頂板垂直方向上位移的變化曲線如圖2 所示。

通過分析圖2 可知，隨著錨索預(yù)緊力的增大，2-105 工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板的垂直位移總體呈現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)。在錨索預(yù)緊力為60kN、80kN、90kN 和110kN 時(shí)，復(fù)合頂板的最大下沉量分別為119.57mm、106.48mm、98.15mm 和81.24mm。通過具體分析上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)頂板錨索預(yù)緊力每增大10kN 時(shí)，復(fù)合頂板的最大下沉量平均降低7.67mm?；诖丝芍?，隨著錨索預(yù)緊力的逐漸增大，復(fù)合頂板的下沉量逐漸降低，故在錨索的允許應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能地增大錨索的預(yù)緊力，進(jìn)一步控制頂板淺部巖層和深部巖層的變形，保障巷道復(fù)合頂板的穩(wěn)定。

圖2 不同預(yù)緊力條件下頂板垂直位移量分布圖

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)2-105 工作面頂?shù)装鍘r層的具體特征，結(jié)合錨桿預(yù)緊力和錨索預(yù)緊力分析結(jié)果，進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為Φ18mm×2600mm，每排布置6 根，間排距為800mm×1000mm，兩頂角錨桿與頂板成75°布置，其余錨桿垂直于巷道頂板布置。托盤采用規(guī)格為150mm×150mm×10mm 的鋼板托盤，采用端頭錨固，錨固長(zhǎng)度為1093mm。基于上述錨桿預(yù)緊力的分析，設(shè)置錨桿預(yù)緊力矩為300N·m，轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力即為60～80kN[4-5]。錨索采用1×7 股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為Φ15.24mm×8300mm，每排布置2根錨索，間排距為1600mm×1000mm，頂角錨索與頂板成75°布置，中部錨索垂直頂板布置。錨索采用加長(zhǎng)錨固，理論錨固長(zhǎng)度為1150mm。錨索預(yù)緊力初始張拉預(yù)緊力為80～120kN。另外采用長(zhǎng)度為4.5m、規(guī)格為4700mm×75mm×12mm 的鋼帶將錨桿索連接為一個(gè)整體，掛設(shè)Φ4mm 的鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

（2）幫部支護(hù)。錨桿采用Q235 圓鋼錨桿，規(guī)格為Φ16mm×2200mm，幫部靠近頂板的錨桿與幫部成25°安設(shè)，其余均垂直于巷幫安設(shè)，間排距為1000mm×1000mm。托盤采用規(guī)格為150mm×150mm×10mm 的高強(qiáng)度的平托盤，錨桿采用加長(zhǎng)錨固，理論錨桿長(zhǎng)度950mm，設(shè)置預(yù)緊力矩為200N·m，轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力即為30kN。幫部同樣采用鋼帶將錨桿連接為一個(gè)整體，并掛設(shè)11#鐵絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。

具體2-1052 巷道高預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)方式如圖3 所示。

圖3 2-1052 巷道高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方式斷面圖

3.2 支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證分析2-1052 巷道采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的圍巖控制效果，在巷道掘進(jìn)期間，在距離巷道掘進(jìn)頭10m 的位置處布置表面位移監(jiān)測(cè)站，進(jìn)行圍巖變形的長(zhǎng)期觀測(cè)作業(yè)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果能夠得出表面位移情況如圖4 所示。

通過分析圖4 可知，在巷道掘進(jìn)期間，隨巷道掘出時(shí)間的增大，頂板下沉量和兩幫變形量均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。其中頂板下沉量及兩幫移近量的變形均主要出現(xiàn)在巷道掘進(jìn)后的0～5d 內(nèi)。在巷道掘出后5d 時(shí)，頂板下沉量和兩幫移近量分別為51mm 和54mm。頂板下沉速率的最大值在巷道掘出3d 后出現(xiàn)，其值為13mm/d，兩幫變形速率的最大值同樣在巷道掘出后的3d 出現(xiàn)，約為13mm/d。在巷道掘出5d 后，頂板及兩幫的變形量逐漸趨于穩(wěn)定，直至巷道掘出10d 后，頂板的下沉速度變?yōu)?，兩幫的變形速率也降為0，最終頂板下沉量及兩幫變形量的最大值分別為57mm 和64mm。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量

4 結(jié)論

根據(jù)2-105 工作面進(jìn)風(fēng)巷頂?shù)装鍘r層特征的情況，通過錨桿預(yù)緊力控制頂板離層效果試驗(yàn)，分析了不同錨桿預(yù)緊力對(duì)頂板離層的控制效果，得出了錨桿預(yù)緊力能夠?qū)\部巖層進(jìn)行有效控制。通過分析不同錨索預(yù)緊力對(duì)頂板變形量的控制效果，結(jié)合巷道特征進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，巷道頂板下沉量及兩幫移近量的最大值分別為57mm 和64mm，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。