劉 棟 張 劍 孟曉剛3

（1.山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司；2.中煤科工開采研究院有限公司；3.天地科技股份有限公司；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室）

近距煤層開采回采巷道圍巖穩(wěn)定控制為困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題之一。有關(guān)近距煤層采空區(qū)下回采巷道支護技術(shù)，主要依據(jù)上下煤層間距大小，采用架棚支護、架棚+錨桿聯(lián)合支護以及錨桿錨索支護等［1-6］，并對這些支護形式的支護機理進行了多方面研究，對近距煤層巷道支護技術(shù)進步起到了很大推動作用。比如，楊智文［7］研究了大同礦區(qū)極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道支護技術(shù)，采用“錨桿配合槽鋼”組合支護方法，在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好的支護效果；高建軍等［8］對平朔井工二礦近距離煤層10#煤采空區(qū)下的11#煤回采巷道支護技術(shù)進行了研究，提出與不同層間距范圍相應(yīng)的巷道支護方式；段曉博［9］以蘆子溝煤礦10#和11#極近距離煤層聯(lián)合開采為研究背景，提出下煤層回采巷道布置方式，并確定采用“錨+網(wǎng)+梁+索”聯(lián)合支護技術(shù)；蔡光順［10］以中興煤礦2#和4#極近距離煤層開采為研究對象，對2#煤采空區(qū)下的4#煤支護技術(shù)進行了研究，提出4#煤回采巷道采用“金屬網(wǎng)+錨桿+桁架”聯(lián)合支護技術(shù)，實現(xiàn)了巷道圍巖的穩(wěn)定控制；張劍［11］針對水峪煤礦近距9#煤采空區(qū)下的（10#+11#）合并煤層回采巷道支護技術(shù)開展研究，提出采空區(qū)下回采巷道采用錨桿配合短錨索支護技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得良好效果。綜上，近距煤層采空區(qū)下回采巷道支護仍然以錨桿支護為主，主要針對錨桿支護參數(shù)開展相關(guān)研究，而有關(guān)錨桿與托板兼容配套性對控制巷道圍巖效果的影響研究甚少。本項目以賀西煤礦近距煤層3412材料巷為工程背景，分析錨桿支護存在的問題，剖析錨桿托板設(shè)計缺陷，研制與錨桿配套兼容的托板，優(yōu)化材料巷錨桿支護設(shè)計，為類似條件近距煤層回采巷道支護提供參考。

1 3412材料巷支護分析

1.1 3412工作面布置方式

賀西煤礦三采區(qū)開采3#和4#煤，上部3#煤層厚度為2.37 m，下部4#煤層厚度為3.45 m，煤層間距為10.95 m，為典型近距煤層［12］，見圖1。

下部4#煤層3412工作面位于上部3#煤層3310和3312這2個工作面采空區(qū)下，其中3412運輸巷內(nèi)錯50 m布置于3312工作面采空區(qū)下，3412材料巷內(nèi)錯10 m布置于3310工作面采空區(qū)下，見圖2。由此可見，3412工作面2條回采巷道均位于采空區(qū)下低應(yīng)力區(qū)。

1.2 3412材料巷支護形式與參數(shù)

3412材料巷尺寸為4 500 mm×2 700 mm（寬×高），圖3為支護形式與參數(shù)，頂板布置6根屈服強度為335 MPa、規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm的低強度螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×900 mm，錨桿初始預(yù)緊扭矩190 N·m；頂板布置3根抗拉強度為520 kN、規(guī)格為φ21.6 mm×6 300 mm的強力錨索，間排距為1 100 mm×1 800 mm，預(yù)緊力為100 kN；兩幫各布置3根屈服強度為235 MPa、規(guī)格為φ16 mm×1 800 mm的低強度圓鋼錨桿，初始預(yù)緊扭矩為150 N·m。

1.3 存在問題

3412材料巷掘進期間采用錨桿支護（圖3），回采期間用架棚加強支護，但仍然出現(xiàn)較大變形與破壞，支護效果并不理想。盡管3412材料巷位于采空區(qū)低應(yīng)力環(huán)境，但因受到上部3#煤層采動影響，下部4#煤層回采巷道圍巖易離層失穩(wěn)，而材料巷頂板采用φ20 mm、極限強度約為136 kN的錨桿支護，錨桿初始預(yù)應(yīng)力約為2.0 kN［13］，兩幫采用φ16 mm、抗拉強度約為61 kN，錨桿初期預(yù)應(yīng)力約為1.0 kN［13］，而且托板不適合與錨桿桿體兼容配套，嚴重消弱錨桿支護系統(tǒng)控制巷道圍巖的效能。由此可見，低強度、低預(yù)應(yīng)力錨桿支護體系尚不足以控制近距采空區(qū)下巷道淺部圍巖離層松動，加之工作面回采超前采動應(yīng)力作用，導致材料巷深淺部圍巖整體發(fā)生強烈變形破壞。

2 錨桿托板

2.1 舊式錨桿托板

錨桿支護系統(tǒng)中托板起著傳遞擴散錨桿預(yù)應(yīng)力的核心作用，對發(fā)揮錨桿支護體系控制圍巖效果具有重要影響［14］。賀西煤礦錨桿托板采用蝶形設(shè)計，規(guī)格為φ120 mm×8 mm，板厚為8 mm，底面承載面積為113 cm2，見圖4。舊式錨桿托板存在以下主要設(shè)計缺陷。

（1）舊托板孔口直徑為20 mm，直徑為20 mm的錨桿桿體剛好穿過孔口，容易導致托板孔口卡住錨桿桿體，引起錨桿桿體受剪、扭、彎等綜合應(yīng)力作用而發(fā)生破斷。

（2）舊托板孔口因無倒角，無法配套使用調(diào)心球墊，不僅不利于錨桿預(yù)應(yīng)力的高效轉(zhuǎn)化，而且起不到調(diào)節(jié)錨桿偏載的作用，導致錨桿安裝后容易造成錨桿螺紋段彎曲斷裂［14］。

圖5為舊托板載荷—位移變化曲線，可見舊托板最大承載力平均約為127 kN，依據(jù)《煤礦巷道錨桿支護技術(shù)規(guī)范》［15］，舊托板承載力應(yīng)不小于錨桿桿體極限載荷，賀西煤礦錨桿舊托板顯然不適合與高強錨桿配套使用；而舊托板最大壓縮位移僅為8.49 mm，也不能適應(yīng)圍巖變形起到釋放圍巖壓力的功能。

2.2 新型錨桿托板

為矯正錨桿托板設(shè)計缺陷，優(yōu)化調(diào)整托板外形設(shè)計，研制出承載面為方形、板面厚度為10 mm、接觸面積為225 cm2、規(guī)格為φ150 mm×150 mm×10 mm的拱形托板，見圖6。圖7為新型托板載荷—位移變化曲線，與舊式托板相比具備以下優(yōu)勢。

（1）新托板承載面由圓形調(diào)整為方形，接觸面積擴大2倍，板面厚度增加2 mm。新托板最大承載力平均達到300 kN，提高了2.36倍，可滿足不同強度等級錨桿配套使用；新托板拱形高度達到30 mm，新托板壓縮變形位移明顯增加，最大變形量平均達到13.5 mm，增大了1.59倍，適應(yīng)與錨桿桿體協(xié)調(diào)變形，保護錨桿桿體受力平穩(wěn)。

（2）孔口加工成倒角，能夠配套調(diào)心球墊，調(diào)節(jié)錨桿偏轉(zhuǎn)角度，防范錨桿偏載后承受復(fù)合應(yīng)力而破斷［14］。

3 3412材料巷支護優(yōu)化

3.1 基本地質(zhì)概況

選擇賀西煤礦4#煤層3412材料巷開展試驗，材料巷位于上部3#煤層3310采空區(qū)下，3412工作面范圍內(nèi)4#煤層埋深為383～460 m，沿山西組4#煤層頂板掘進，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中細條帶結(jié)構(gòu)，內(nèi)生裂隙發(fā)育，條痕呈淺黑色，夾矸為泥巖；煤層傾角為3°～7°，平均5°，煤層平均厚度為3.45 m，直接頂為1.81 m厚灰黑色泥巖，老頂為9.14 m厚細粒砂巖，直接底為9.84 m厚淺灰色泥巖，圍巖柱狀圖見圖1。

3.2 3412材料巷支護優(yōu)化

3412材料巷斷面仍設(shè)計為矩形，尺寸調(diào)整為4.2 m×3.2 m（寬×高），采用高預(yù)應(yīng)力、高強度錨桿支護技術(shù)。圖8為錨桿支護優(yōu)化設(shè)計，頂板布置5根鋼號為500#高強度錨桿，規(guī)格為φ22 mm-M24-2 400 mm，采用1支MSCK2335型和1支MSZ2355型樹脂加長錨固，配套新型可調(diào)心拱型高強度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，間排距為900 mm×1 000 mm；頂板布置2根高強度錨索，規(guī)格為φ21.8 mm-1×19 mm-5 300 mm，配套高強度拱形托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm，采用1支MSCK2335型和2支MSZ2355型樹脂藥卷錨固，間排距為1 800 mm×2 000 mm；兩幫均布置4根與頂板相同規(guī)格錨桿，采用1支MSZ2355型樹脂錨固，配套托板與頂板完全相同，采用BHW3-280-450型鋼護板及金屬網(wǎng)護表。頂幫錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m［16］，錨索預(yù)緊力為200 kN［17］。

3.3 試驗效果評價

井下試驗期間進行巷道表面位移監(jiān)測，頂?shù)装寮皟蓭捅砻嫖灰凭鶠榱?，掘進期間巷道支護效果良好。圖9為3412材料巷回采期間表面位移變化曲線，頂板下沉量最大為38 mm，底鼓量最大為72 mm，占巷高的3.44%；兩幫移近量最大為24 mm，占巷寬的0.46%，很好地滿足了3412工作面回采使用。

4 結(jié)論

（1）賀西煤礦近距采空區(qū)下回采巷道錨桿強度低、預(yù)應(yīng)力小及其與托板不兼容等因素導致錨桿支護系統(tǒng)控制圍巖效果差，引起巷道出現(xiàn)較大變形。而托板承載力小、協(xié)調(diào)變形能力弱，與錨桿桿體不兼容為引起錨桿支護體系控制圍巖效能差的內(nèi)在因素。

（2）研制出方型托板，托板厚度增加2 mm，底面接觸面積擴大2倍，承載力提高2.36倍，協(xié)調(diào)變形能力增加1.59倍，適應(yīng)與不同強度等級錨桿兼容配套使用。

（3）優(yōu)化3412材料巷錨桿支護技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得良好效果，為類似地質(zhì)條件近距煤層采空區(qū)下回采巷道支護提供參考。