劉玉衛(wèi)

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450042）

三軟煤層破碎圍巖巷道鋼－索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

劉玉衛(wèi)1，2

（1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南省鄭州市，450042）

鄭州礦區(qū)屬于典型的豫西三軟煤層，圍巖松軟破碎，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞難以維護(hù)。針對(duì)鄭煤集團(tuán)裴溝礦軌道大巷支護(hù)失效、破壞嚴(yán)重的情況，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，采用三軟煤層破碎軟巖巷道圍巖運(yùn)用U型鋼－錨索聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)，成功解決了巷道破壞嚴(yán)重的工程難題。

三軟煤層 巷道支護(hù) U型鋼－錨索 聯(lián)合支護(hù)

1 概況

鄭煤集團(tuán)裴溝煤礦地處河南西部，礦區(qū)屬于典型的豫西三軟不穩(wěn)定煤層，該礦多年來一直面臨軟巖巷道支護(hù)難題。裴溝礦－300m水平大巷位于三水平31上山和32下山之間，平均埋深500m左右，擔(dān)負(fù)著礦井東翼運(yùn)輸、通風(fēng)及排水任務(wù)。巷道斷面形狀為直墻半圓拱，層位位于二1煤層底板L7－8灰?guī)r中，受斷層構(gòu)造影響巷道圍巖大部分處于二1煤底板的砂質(zhì)泥巖中，巷道圍巖松散破碎，強(qiáng)度低，同時(shí)，局部受水患影響，泥質(zhì)軟巖遇水弱化，圍巖承載力嚴(yán)重喪失。此外，－300m水平大巷受32051、32071綜放工作面采動(dòng)影響，巷道圍巖變形、失穩(wěn)。

裴溝礦－300m水平大巷與上部二1煤層底板層間距21m左右，受上部工作面采動(dòng)的影響，在開采過程中，對(duì)底板巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，經(jīng)計(jì)算，初次來壓時(shí)采場邊緣底板巖體的最大破壞深度約為25.6m，軌道大巷處于上部工作面開采形成的底板破壞區(qū)域范圍之內(nèi)。

2 數(shù)值模擬

本文利用FLAC數(shù)值模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)條件和模擬研究重點(diǎn)，針對(duì)－300m水平大巷與上部工作面間的不同相對(duì)位置關(guān)系，建立FLAC數(shù)值模型模擬。模型尺寸為長430m、寬350m。為最大限度地降低邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，模型左右邊界分別設(shè)在走向巖層移動(dòng)角影響范圍之外。模型水平邊界為固定邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，綜合考慮計(jì)算機(jī)模擬時(shí)效，模擬過程中進(jìn)行適當(dāng)簡化，在模型的頂部加10MPa的等效載荷模擬覆巖層，巷道位置模型示意圖見圖1。

圖1 巷道位置模型示意圖

該模型主要用于分析32051綜放工作面與水平軌道大巷斜交關(guān)系下，巷道受采動(dòng)的影響，工作面與大巷位置見圖2。根據(jù)模型的幾何尺寸劃分，給相應(yīng)層位巖體賦予煤巖物理力學(xué)參數(shù)，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 工作面與大巷位置

為研究巷道與工作面的不同位置的巷道圍巖應(yīng)力場和位移場分布狀況，在現(xiàn)有地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，建立FLAC二維數(shù)值模擬模型，研究巷道中心線與工作面邊緣不同水平距離下巷道圍巖垂直應(yīng)力場和位移場分布狀況，見圖3。

圖3 巷道圍巖應(yīng)力場和位移場分布

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

分析圖3（a）可知，巷道距采空區(qū)邊緣0m時(shí)，巷道處于低應(yīng)力區(qū)，巷道左幫深部圍巖應(yīng)力水平明顯較高。巷道所處圍巖整體應(yīng)力水平較低，受工作面開采形成的整體位移場影響，巷道左幫移近量和底臌量相對(duì)較大，巷道左右兩幫變形呈非對(duì)稱性。盡管跨采結(jié)束后巷道圍巖所處應(yīng)力水平較低，但在跨采過程中巷道右?guī)褪懿蓜?dòng)影響程度相對(duì)較大。

隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)巷道與采空區(qū)邊緣水平距離為10m時(shí)，巷道完全處于低應(yīng)力區(qū)，見圖3（b），巷道圍巖垂直應(yīng)力保持在5MPa以下，這對(duì)于巷道維護(hù)極為有利。但由于工作面開采后，巷道所處位置受底板位移場影響，巷道變形以強(qiáng)烈底臌為主。

當(dāng)巷道與采空區(qū)邊緣水平距離30m時(shí)，如圖3（c）所示，由于工作面頂板破斷、垮落和進(jìn)一步壓實(shí)，采空區(qū)圍巖應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平。由于巷道所處位置應(yīng)力水平增高，巷道變形量明顯增加，同時(shí)受底板整體位移場影響巷道兩幫移近量較大，并伴有一定量的底臌。

3 支護(hù)技術(shù)研究

3.1 原有支護(hù)狀況

裴溝煤礦－300m水平大巷原設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，錨桿為直徑20mm、長度2.5m的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800 mm，配合使用50mm×50mm的鋼絲網(wǎng)護(hù)表，巷道錨桿間未采用整體梁或鋼帶。

但無論是以錨網(wǎng)支護(hù)為代表的主動(dòng)支護(hù)方式還是以棚式支架為代表的被動(dòng)支護(hù)，都存在支護(hù)承載結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)的情況。經(jīng)調(diào)查礦上原有資料，巷道兩幫最大移近量達(dá)到920mm，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)750mm，其中底臌量達(dá)550mm。

3.2 U型鋼－錨索聯(lián)合支護(hù)

針對(duì)裴溝煤礦－300m水平大巷的地質(zhì)采礦條件和巷道破壞失穩(wěn)機(jī)理的分析，控制此類泥質(zhì)巖體在構(gòu)造應(yīng)力、水體及后期工作面采動(dòng)綜合影響下巷道產(chǎn)生的強(qiáng)烈變形，一方面要封堵巷道水源，防止泥質(zhì)巖體遇水后泥化、膨脹；另一方面要求支護(hù)具備“高阻可縮”和“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”的特點(diǎn)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及其承載能力，控制泥質(zhì)巖體在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生的強(qiáng)烈剪脹變形，提高巷道淺部圍巖承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得各類支護(hù)體共同承載。

巷道成形后，基本支護(hù)方式采用具備高阻可縮特性的U型鋼支護(hù)，棚距500mm，支架搭接長度為500mm，并采用雙槽夾板上、下限位卡纜及1副普通夾板卡纜，要求卡纜預(yù)緊力矩應(yīng)不低于300N·m，U型鋼支架壁后使用新型雙抗雙扣聯(lián)排鋼筋網(wǎng)強(qiáng)力護(hù)表，并對(duì)巷道表面進(jìn)行噴漿，要求噴層厚度為50mm±5mm。為提高U型鋼支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用小孔徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索配合使用，不僅提高U型鋼支架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其承載能力，而且能夠有效發(fā)揮深部穩(wěn)定巖體的承載能力。錨索規(guī)格選用?15.4mm×5000mm的鋼絞線，巷道幫部錨索間排距為1.2m×1.5m，巷道拱部錨索布置在與起拱線夾角45°、90°和135°，每個(gè)錨索孔使用4支K2350樹脂錨固劑，理論錨固長度接近2.5m。錨索具體布置方式如圖4所示。

圖4 U型鋼與錨索聯(lián)合支護(hù)

4 支護(hù)效果

在巷道內(nèi)設(shè)置兩組觀測站，對(duì)巷道表面位移量進(jìn)行觀測，檢驗(yàn)支護(hù)效果，見圖5。

圖5 圍巖表面位移觀測結(jié)果

1＃測站巷道頂?shù)装遄冃?個(gè)月內(nèi)就趨于穩(wěn)定，頂?shù)装迤骄冃嗡俾始s0.67mm／d，近2個(gè)月才趨于穩(wěn)定，兩幫平均變形速率約1.1mm／d。兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為63mm和25mm；2＃測站巷道變形相對(duì)較大，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃尉?個(gè)月后趨于穩(wěn)定，兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為155mm和53mm。

上述觀測結(jié)果表明，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，－300m水平大巷不僅成功通過斷層破碎帶，而且承受了上部32051工作面的強(qiáng)烈采動(dòng)影響，巷道維護(hù)狀況良好。

5 結(jié)論

裴溝煤礦－300m水平軌道大巷在開口附近遭遇斷層破碎帶，圍巖極為松散破碎，受水弱化影響巷道變形劇烈。軌道大巷后期承受32051和32071工作面采動(dòng)影響，為保障水平軌道大巷的支護(hù)效果，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，提出了鋼－索聯(lián)合支護(hù)加固技術(shù)。研究表明：

（1）巷道位于采空區(qū)下方，受采動(dòng)過程中底板位移場分布影響，巷道變形以底臌和兩幫收斂為主。

（2）三軟煤層破碎軟巖巷道中，利用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索再合理配合U型鋼架支護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩種支護(hù)的配合作用，提高了支護(hù)體的穩(wěn)定性和承載能力。

（3）采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后巷道變形得到了明顯的改善，兩幫最大移近量由原來的900mm左右到現(xiàn)在的155mm，頂?shù)装逡平坑稍瓉淼?50mm到現(xiàn)在的50mm左右，支護(hù)效果明顯。

［1］ 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002

［2］ 孫曉明，何滿潮.深部開采軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）

［3］ 謝文兵，荊升國等.U型鋼支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其控制技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（9）

［4］ 荊升國.高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚–索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)制研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009

［5］ 荊升國，謝文兵等.動(dòng)壓軟巖巷道U型鋼－錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.中國煤炭，2009（1）

［6］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

Study on U－type steel and cable combined supporting technology in roadway of three－soft seams surrounded by fractured rocks

Liu Yuwei1，2

（1.School of Energy Engineering，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；2.Zhengzhou Coal Industry（Group）Limited Liability Company，Zhengzhou，Henan 450042，China）

The coal seams in Zhengzhou mining area belongs to a typical three－soft coal seams in western Henan，being characterized of soft and fractured surrounding rocks and unstable structure.Aimed at the case of support failure and severe damage of track roadway in Peigou coalmine，the numerical analysis showed that the technology of U－type steel and cable combined support used in three－soft coal seams could solve the actual problems in Peigou coalmine of Zhengzhou Coal Industry Group.

three－soft seam，roadway support，U－type steel and cable，combined support

TD353

A

劉玉衛(wèi)（1978－）男，河南平頂山人，工程師，碩士，西安科技大學(xué)在讀博士研究生，現(xiàn)就供職于鄭煤集團(tuán)技術(shù)中心，研究方向：礦山壓力控制及軟巖巷道支護(hù)。

（責(zé)任編輯 張毅玲）