纵裂隙发育顶板回采巷道支护优化研究

1 引言
　　锚网索支护是煤矿巷道主要的支护方式，它主要有悬吊、组合梁、围岩补强等作用，它的作用原理是充分利用锚网索支护强化提高巷道围岩的抗剪切破坏能力，在一定范围内提高围岩的强度和稳定性，从而形成承压拱结构，抵抗巷道围岩变形，支撑维护巷道[1]。康红普等[2]总结了煤矿预应力锚杆支护技术的发展和应用，指出了预应力的重要性与应用，认为以往的设计施工，忽略了预应力锚网索，导致锚网索不能较好地调动围岩自身的强度和稳定性。文献[3]进一步指出普通锚网索本身的强度不高，受巷道围岩条件和采动的影响容易发生破坏，造成锚网索难以发挥最大作用。文献[4]针对高应力软岩硐室提出了高位恒阻让压的技术观点，并结合注浆和反底拱对高预应力软岩硐室进行了加固，取得了良好的效果。上述研究成果对于巷道支护优化具有借鉴意义。一般情况下，煤矿顶板是层状结构，存在大量水平层理，很少有研究者关注纵向裂隙发育对顶板支护的影响。
　　延安市禾草沟一号煤矿有限公司（简称禾草沟一矿）的回采巷道存在变形量大、多次返修、维护费用高的问题。鉴于此，禾草沟一矿决定在15214工作面回风平巷进行详细分析，并以此为基础实施锚网索支护优化，以达到控制巷道围岩变形，提高巷道稳定性，降低巷道维护成本的目的。
　　2 禾草沟一矿工程概况
　　禾草沟一矿位于子长县余家坪乡，距子长县城约15km。5号煤层位于瓦窑堡组第四段顶部，平均厚度2.19m，直接顶为0.6m的油页岩，老顶为4.8m的细砂岩，底板为泥质粉砂岩。15214工作面采用走向长壁后退式全部垮落的综合机械化采煤方法。15214工作面顺槽采用矩形断面，断面4.2m×2.5m，煤柱留设宽度20m。
　　3 禾草沟一矿现有支护系统分析
　　3.1 现有支护系统
　　现有工作面回采巷道采用锚网索支护。顶板采用？准20×2200mm的普强锚杆进行支护，配合1支CK2360树脂锚固剂和10mm的Q235碟形钢托盘，锚杆间排距为800×900mm，锚杆钢带使用？准12mm钢筋制成，规格4000×80mm;采用？准17.8×7300mm的锚索加强支护，配2支CK2360树脂锚固剂和10mm厚的Q235碟形大托盘，锚索采用“五花”布置，间排距为1800×2700mm。右帮采用？准16×1900mm螺纹钢锚杆，左帮采用？准20×2000mm玻璃钢锚杆加配木托盘，间排距为1100×1600mm。
　　锚杆锚固力不低于80kN，顶锚杆预紧力矩不低于150N·m，帮锚杆预紧力为40N·m，锚杆外露长度10～50mm;锚索预紧力矩不低于130 N。锚固力不小于220 kN，锚索张拉为25～28 MPa。
　　3.2 现有支护系统分析
　　回采巷道产生较大变形的原因除巷道围岩条件和采动影响外，在支护方面还存在以下问题：首先是支护材料方面：螺纹退丝，说明螺纹形式或材质需优选;锚杆托盘拉穿，说明托盘厚度和材质不匹配、缺少垫片;锚索托盘翻盘，平托盘受力性能较差，需对托盘厚度、材质进行优化。其次是支护技术及工艺方面：巷帮木托盘改变了锚杆承载特性，需进一步考虑;顶板锚杆托盘切入顶板，建议适当增加托盘尺寸;实体煤侧玻璃钢锚杆在钻孔30～50cm范围内锚固，存在锚固缺陷，致使锚杆无法起到支护作用，需要改进支护工艺;需要对特殊地段加强支护。
　　4 支护优化方案
　　4.1 支护方案
　　4.1.1 锚杆支护系统
　　如图1所示，锚杆类型为普强预应力锚杆，顶板采用为？准20×2200mm，如不采用小煤柱沿空掘巷段的实体帮采用？准16×1800mm的螺纹钢锚杆，小煤柱沿空掘巷段的实体帮则采用？准18×1800mm的锚杆，工作面侧帮采用？准20×1800mm的玻璃钢锚杆，配合1卷K2360的树脂锚固剂。 　　采用金属网/塑料网+钢筋梯进行护表。顶板采用？准10mm钢筋梯和？准5.5mm钢筋网，隔排布置，两帮为塑料網，实体侧帮可在锚杆托盘下垫废旧皮带做成的垫防止切断网片。顶板锚杆间距800mm，排距1000mm;帮锚杆间距1000mm，采用3-2-3布置。
　　4.1.2 辅助支护
　　锚索类型为预应力锚索，采用？准17.8×7300mm的锚索，配合1卷CK2360+1卷K2360树脂锚固剂，锚索托盘采用300×300×12mm的碟型普强托盘，间距3000mm，采用“五花”隔排布置，布置在两排锚杆间。
　　4.1.3 预应力设计
　　锚杆预应力一般设计为杆体屈服强度的30%～50%。顶板锚杆的预应力在4～6T，玻璃钢锚杆按照40～45N·m施加，采空区侧帮如采用？准18螺纹钢锚杆预应力3～4T，采空区侧帮如采用？准16螺纹钢锚杆，预应力2.5～3.3T，锚索的预应力大于13T。
　　4.2 支护材料匹配及优化
　　支护材料匹配可以在保证支护效果的同时，尽可能降低劳动强度和支护成本。配置如下：？准18mm和？准20mm预应力普强锚杆的杆体材质为Q335，有减阻垫圈，扭矩螺母要求打开扭矩为90～120N·m，配合120×120×8mm厚的Q235普强碟型托盘。？准17.78mm锚索配合索具、球形垫圈和碟型托盘孔使用，采用300×300×12mm的Q235普强碟型锚索托盘。锚固剂一般选用CK（超快）和其他锚固剂组合使用。
　　5 现场试验及结果
　　为了解优化后的支护系统的支护效果，按照上述的巷道支护方案在禾草沟一矿15214回风巷施工后，分别对巷道两帮和顶板的变形量进行长期监测，记录数据后对其进行处理，绘制变形量随时间变化的曲线，监测的结果如图2所示。巷道位移的监测结果说明，两帮和顶底板的移近量在支护初期变形量增加较快，后期随着时间的推移，变形量逐渐趋于稳定状态，其中顶底板的变形量最大45mm，两帮的变形量大于顶底板的移近量，其最大为108mm，巷道断面整体变形率控制在5%之内，说明该支护方案对巷道围岩变形进行了有效控制，维护了巷道的稳定，满足巷道断面的设计要求和使用功能。