四老沟矿5119巷高应力区域补强支护技术措施

邵继华

（晋能控股煤业集团，山西 大同 037003）

顶板事故是一种危害非常大煤矿事故之一，后果不容被忽视[1,2]。很多矿井在开采过程中经常会遇到高应力区域，导致矿压变化剧烈，原有的支护体失效严重，很容易发生冒顶事故，所以需要在原有支护基础上进行合理有效的补强支护[3-6]。

四老沟矿C3-5号层5119巷在推进至35～45 m时，巷道顶板承受压力变得非常大。结果导致工作面掘进施工过程中遇到了支架下沉、支护体变形严重甚至失效的情况，甚至发生过冒顶事故。以理论分析为指导，从C3-5号层实际地质构造条件、巷道围岩破坏和变形现状及现有支护失效模式出发，分析出此段巷道发生变形的起因如下：

1）应力大且集中。轨道大巷在之前施工中经受过三次动压影响，导致围岩应力有很大增幅，与原始应力相互叠加，垂直方向应力可以达到20 MPa，应力集中现象严重；
加上护巷煤柱长期以来造成的支承压力影响，致使此段巷道围岩软化现象严重、变形量增大、变形速率变快，且有大面积松动，覆盖范围甚至可达3 m以上，锚杆无法发挥有效的锚固作用，极易发生失稳破坏。

2）围岩体强度低。此煤层顶板岩层的岩性大部分为泥岩或岩浆岩等软弱岩层，本身围岩力学性能差，强度低，且岩体中节理和裂隙较为发育，在应力较高的区域难以起到支撑作用。

3）地下水的作用。巷道经常受地下水的侵蚀，致使围岩膨胀、泥化、变形；
围岩中还存在很多黏土矿物，遇水后体积也会增加，导致泥化和软化，所以这段区域围岩强度过低，承载力不够。

4）支护方式不合理。此段巷道为多条巷道的交叉处，其中一侧临近煤层，巷道的埋深在800 m左右，为典型的高应力加软围岩巷道。巷道的形状为直墙半圆拱形，支护采用的是锚网索，破碎区域用注浆进行加固。鉴于上文提到的各种原因，围岩可锚性不高，布设的锚杆无法发挥应有的锚固作用，尤其在松软破碎区，围岩自稳能力差，允许空顶时间短，难以发挥锚杆与锚索自身的承载性能；
另外对顶板和两帮的底角也没有特殊的加强支护措施，导致这些区域破坏严重，巷道最终失稳。

5）底板无控底措施。巷道没有采取控底措施，底板和底角的位置未进行有效的补强支护。巷道开挖后，底板没有任何支护，处在完全敞开的状态，无法起到支护承载体的作用；
上方顶板经常渗水，地面上又有积水的浸泡，导致底板变形严重，一旦遭遇高应力，极易成为巷道变形和破坏的突破口，使顶板和两帮变形加剧，最终导致支护结构失稳。

6）支护构件失效。顶板和两帮原来设置的支护构件都或多或少出现了失效情况，如金属网兜撕裂、锚杆弯曲、锚索破裂等，导致有些地方岩石发生垮落。

基于上述种种原因，四老沟矿C3-5号层5119巷原有的支护措施已经不能保证生产中的安全。为了解决此问题，本文制定了针对性的补强支护，并提出防止顶板事故的措施，改善围岩应力环境，增加稳定性，保证矿井安全生产。

顶板采用规格为4 800 mm×330 mm×6 mm的JW钢带进行支护，用φ21.8 mm×8 300 mm钢绞线配合异形托盘（220 mm×200 mm×12 mm）及锁具，间排距为1 150 mm×900 mm；
三眼组合锚索加强支护，五花布置，采用φ21.8 mm×8 300 mm配合高强托盘（500 mm×500 mm×16 mm）及锁具。

帮部上2排支护采用φ20 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹锚杆（MG400）和φ17.8 mm×5 000 mm锚索联合支护，呈三花布置。间排距为1 000 mm×1 000 mm。锚杆配合参数为450 mm×250 mm×3 mm的W型短节钢带和规格110 mm×110 mm×10 mm的球形托盘，锚索配合250 mm×250 mm×16 mm的高强托盘和锁具，在顶板以下400 mm位置，与水平线呈10°夹角设置最上排支护，且锚索要与顶部JW钢带对齐。最下排护帮采用φ20 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹锚杆（MG400)支护，与水平线呈-20°夹角，间排距为1 000 mm×1 000 mm。

工作面进入高应力区之后，直接顶初次分层跨落，多处局部下沉，锚索预应力严重衰减，围岩破碎变形、离层等情况随之而来，锚杆、锚索支护失效现象严重，并伴随有局部冒顶出现，极易发生顶板大面积垮落事故。原有的支护措施已经不能保证巷道顶板完整和掘进安全，需要进行必要的补强支护，通过该区域后，仍按原设计进行施工。

2.1 穿钢针

利用探放水钻机及钻杆（φ33 mm，长1 500 m）施工钢针，掘进5 m施工一次，每次一排长6 m，钢针穿设后巷道高度不低于3 500 mm，钢针间距为300 mm，施工角度≤5°，沿煤层倾角水平布置。如巷道迎头存在小范围垮落区域，可在垮落区域支护结束后，视现场情况增加钢针排数，但排距不大于500 mm。掘进不得超过钢针穿设距离，留有0.5 m安全搭接距离。

2.2 注马丽散

根据高应力区域顶板破碎情况、顶帮煤岩松动及垮落情况，采取加注马丽散的措施。对顶板及巷帮松软、破碎区域采用施工加固眼孔、注射加固材料的形式进行加固，加固眼孔距巷道底板3 m，仰角20°，深度5 m，施工4个孔，注射效果以围岩结胶、渗出为宜。按照4 m一次循环进行施工，但要根据工作面情况，可以提前或适当延长注马丽散周期。

图1 穿设钢针剖面及正面布置图

2.3 顶板补强支护

取消锚索组支护。顶板采用4 800 mm×330 mm×6 mm的JW钢带进行支护，用φ21.8 mm×8 300 mm钢绞线配合异形托盘（220 mm×200 mm×12 mm）及锁具，间排距为1 150 mm×600 mm。

图2 变更前后顶板支护平面图

2.4 帮部补强支护

帮部支护间排距由原来的1 000 mm×1 000 mm变更为800 mm×1 000 mm。上2排支护采用φ20 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹锚杆（MG400)和φ17.8 mm×5 000 mm锚索联合支护，呈三花布置。锚杆配合450 mm×250 mm×3 mm的W型短节钢带和110 mm×110 mm×10 mm的球形托盘，锚索配合250 mm×250 mm×1 6 mm的高强托盘和锁具，最上排支护距顶板≤400 mm且与水平线呈10°夹角。最下排护帮采用φ20 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹锚杆（MG400)支护，与水平线呈-20°夹角。

当巷道高度超过4 m或帮部煤体破碎时，增打第四排护帮，并与原最下排支护一致。因煤体疏松缘故，锚杆支护效果不理想，可采用φ17.8 mm×5 000 mm锚索配合500 mm 11号短节工字钢梁（500 mm）及W型短节钢带（450 mm×250 mm×3 mm）和锁具进行支护，短节钢带在里，工字钢梁在外。

图3 变更前后护帮支护平面图

2.5 顶煤异常破碎时支护措施

顶煤在高应力下异常破碎时，需铺设金属网，采用双层错孔铺设。在JW钢带间打设单眼锚索，采用500 mm长11号短节工字钢梁配合φ21.8 mm×8 300 mm钢绞线。根据现场顶煤厚度，如8 300 mm钢绞线未锚固在稳定岩层中，则要打设φ21.8 mm×10 300 mm钢绞线。如JW钢带间、巷道肩部网包较大，需将网包内碎煤放尽，随后打设角锚索，采用500 mm长11号短节工字钢梁配合φ17.8 mm×5 000 mm钢绞线。

图4 顶煤异常破碎区域支护平面图

采用喷浆护表工程来应对顶煤异常破碎，为防止碎渣掉落，保证喷浆厚度≥100 mm。里程340 m开始内采用DW-45-110X单体支柱及11号工字钢梁，采用“一梁三柱”形式进行支护，中柱沿巷道中心线方向布置，边柱到巷帮的距离为300 mm，排距1 000 mm。

当巷道高度过高，以至于大于单体柱极限距离时，可支设直径≥200 mm的木柱。超高区域要在治理结束后立即补齐单体支护。假顶区域支设在已有工字钢梁上。在规定区域外顶板下沉区域需支设单体柱区域也按照上述要求支设。

2.6 其它措施

锚杆配套减磨垫片和高强托盘调心球垫使用，锚固力≥125 kN，帮锚杆预紧力矩≥250 N·m，外露长度10～50 mm。

φ17.8 mm规格的锚索锚固力≥320 kN，预紧力≥180 kN；
φ21.8 mm的锚索锚固力≥520 kN，预紧力≥290 kN；
外露长度均为150～250 mm。

最上排护帮支护距顶板≤400 mm。连接各菱形网时要牢固，且相互对齐，避免错差和裂缝。顶网相互搭接≥200 mm，用14号双股铅丝“三花”固定，间距为200 mm。

2.7 掘进要求

JW钢带最大和最小空顶距分别为0.8、0.3 m，不得超控顶作业。上两排护帮支护最多滞后工作面迎头2 m，最下排最多滞后工作面迎头8 m。超宽处支护当班必须补打，采用与顶板同规格钢绞线配合500 mm长的11号工字钢。

采用小断面分次截割方式割煤，严禁一次全断面截割成型，随掘随支，每次截深不得大于500 mm，采用φ21.8 mm×8 300 mm钢绞线配合250 mm×250 mm×16 mm高强托盘进行小断面内支护后进行下次截割。JW钢带支护排距支护排距不得大于600 mm；
金属网搭接距离≥100 mm，采用14号双股铅丝扭结成三花状。

局部底鼓区域进行平整工作，补打失效支护。巷道帮部变形严重区域在原有支护基础上补打φ17.8 mm×5 000 mm锚索；
炸帮严重区域或失效集中区域补打一排护帮。

如按照变更后支护措施发现巷道围岩仍有较大形变，立即停掘，汇报相关领导，再行制定措施后方可掘进。可根据施工现场情况增加支护，所使用支护材料必须与原支护材料一致。

以20 m间距安装离层仪，做好矿压观测工作，顶板离层及巷道位移情况要如实记录并分析。局部底鼓区域进行平整工作，补打失效支护；
巷道帮部变形严重区域在原有支护基础上补打φ17.8 mm×5 000 mm锚索；
炸帮严重区域或失效集中区域补打一排护帮。

开工前，严格执行敲帮问顶和“四位一体”检查制度，准备工作做好后，解决完遗留问题方可施工。

全面检查顶板状况，确认安全后方可打锚杆眼。必须用机械或力矩扳手将锚杆拧紧，确保锚杆的托盘和巷帮贴紧。交接班时，当班跟班负责人必须对每班安装的锚杆进行逐个检测，及时发现问题并解决，比如锚固力未达到设计要求的锚杆必须当班补打，重新安装。

安装托盘时必须保证与围岩接触严密，尽量减少缝隙，托盘、螺母要上紧上牢，以防滑落，不得在托盘后充填木片、矸物，锚杆外露长度≤50 mm；
失效支护及时补打。使用风动锚杆机安装锚杆，严禁采用砸投的方法将锚杆直接砸入锚固剂内，很容易使锚杆损坏，而且安装不牢固；
避免杆体的晃动或移位，直至锚固剂固化稳定；
安装顶眼时，要在锚杆安注3 min后再给锚杆预紧力。

施工现场要正确进行拉力试验，一般采用测力扳手或测力计，注意不要损坏器材。预注马丽散时，工作人员要做好自我防护工作，防止液体溅入眼睛或皮肤表面，听从厂家人员指导，严禁独自施工。穿设钢针人员要配合探放水队施工，严格服从探放水队现场人员指挥，不得独自施工。巷道掘进过程中，如遇煤炮频率有明显增加或响动明显变大时，立即停工撤人。保证巷道行人侧畅通。

单体柱支设必须达到设计初撑力，穿鞋带帽，并连接防倒防拽装置。优先支护变形严重区域。单体支柱在信号木柱支设区域无法连接防倒防拽装置时，单体柱要与信号木柱或顶板进行固定，防止卸压后倾倒伤人。

原来的围岩单轴抗压强度为20 MPa，注马丽散后变为50 MPa，承载能力增大了1.5倍，稳定性明显增强；
后来使用的JW型钢带不易弯曲变形，刚度更大，能起到更好的支护作用；
补强后的锚索和锚杆，弯曲变形减少，压强度和锚固效果提高。这些措施都使得顶板危险大幅降低。

对高应力区巷道进行支护补强后，在后续生产中顶板蠕动变形速率降低，下沉量基本不高于100 mm，顶底板的相对移近量减少了19.2 %，锚杆失效率大幅降低，达到5%以下，锚索受力强度较原来增加了13.2 %，顶板断裂、冒落现象减少，巷道掘进速率提高至7.4 m/d，保证了巷道快速且安全掘进。

本文针对四老沟煤矿5119巷在高应力区时支护方面遇到的实际问题，制定了针对性的补强支护技术和参数，并提出了防止顶板事故的措施。现场生产实践表明，这些方案能够有效增强高应力区支护能力，顶板蠕动变形速率和下沉量降低，顶底板的相对移近量减小，使顶板事故大大降低，巷道掘进速率提高，矿井安全生产得到有力保障。

猜你喜欢 钢带钢绞线锚索 CVT钢带轴向偏斜机理及对钢带失效的影响汽车实用技术(2022年15期)2022-08-19热轧65Mn宽钢带扁卷原因分析及解决方案山东冶金(2022年1期)2022-04-19等值张拉法在钢绞线斜拉索施工中的应用探析安徽建筑(2022年3期)2022-04-01有关叠合梁斜拉桥挂索与桥面板安装同步进行施工方案研究科技信息·学术版(2021年18期)2021-10-25赵庄煤业13102巷围岩补强支护技术研究与应用煤(2021年10期)2021-10-11试论预应力锚索抗滑桩在滑坡治理中的应用建材发展导向(2021年13期)2021-07-28一种新型扩体锚索在软土地区复杂深基坑中的应用矿产勘查(2020年5期)2020-12-25基于ADAMS的钢绞线收卷动力学仿真分析*机械研究与应用(2020年5期)2020-11-18“2019钢带质量控制技术研讨会”召开山东冶金(2019年3期)2019-07-10不同锚索参数对预应力场影响的数值模拟研究机械管理开发(2018年7期)2018-08-02

推荐访问:支护 应力 补强