王 卓

(山西潞安集團(tuán)常村煤礦)

隨著掘進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展及設(shè)備逐漸大型化的趨勢，煤礦井下巷道也朝著大斷面的方向發(fā)展［1-3］，一些回采巷道跨度由炮掘工藝時期的2.5～3 m發(fā)展到現(xiàn)在綜掘工藝的3.5～5.5 m，充分滿足了運輸行人的需要［4］。但由于地應(yīng)力和高水平應(yīng)力的作用，本容易發(fā)生嚴(yán)重擠壓和剪切破壞的頂板，當(dāng)巷道跨度較大時，維護(hù)難度更大［5-6］。以常村煤礦2105工作面膠帶運輸順槽為例，進(jìn)行了高水平應(yīng)力下大跨度回采巷道支護(hù)技術(shù)的研究。

1 巷道地質(zhì)概況

常林煤礦2105工作面膠帶運輸順槽位于3#煤層，3#煤層位于山西組的中、下部，為全井田可采。巷道掘進(jìn)50 m范圍內(nèi)無大的地質(zhì)構(gòu)造，經(jīng)實測，可解吸瓦斯含量為4.31 m3/t，煤(礦)塵具有爆炸性，不易自燃，無熱害威脅。

地應(yīng)力測試結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力13.19 MPa，最小水平主應(yīng)力為 6.85 MPa，垂直主應(yīng)力為8.63 MPa，總體上屬于中等應(yīng)力區(qū)域，水平應(yīng)力占優(yōu)勢且量值相對較高，為較典型的構(gòu)造應(yīng)力場。巷道掘進(jìn)方向與最大水平主應(yīng)力方向夾角較大，受水平應(yīng)力影響較大。

2105膠帶運輸順槽全長2410.62 m(其中機(jī)頭段135.12 m，正巷2271.7 m)，巷道凈寬 5.5 m，凈高3.4 m，凈斷面 18.7 m2。3#煤平均厚度 5.98 m，巷道沿底板掘進(jìn)，留2.5 m的頂煤。

2 巷道圍巖變形破壞數(shù)值模擬

在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計之前，首先采用數(shù)值模擬的方法對巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行了研究。采用有限差分FLAC3D數(shù)值模擬軟件，各巖層剛度及強(qiáng)度參照實驗室測定結(jié)果。由于巖體存在眾多節(jié)理裂隙，有明顯的非連續(xù)性，其強(qiáng)度應(yīng)低于實驗室測定值，因此模型物理參數(shù)取值應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)折減［7］，模擬結(jié)果如圖1所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果的塑性區(qū)分布范圍來看，巷道頂板發(fā)生塑性屈服的范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩幫，且塑性區(qū)高度較大，兩幫塑性區(qū)只是在巖層交界面處范圍較大;圍巖剪應(yīng)變增量分布顯示，剪應(yīng)變較大區(qū)域主要集中在頂板，剪應(yīng)變值最大的部位出現(xiàn)在頂板肩角處，煤頂板最容易沿肩角斜向上發(fā)生剪切破壞，如支護(hù)強(qiáng)度不夠，則有冒頂?shù)奈ｋU;圍巖表面位移主要表現(xiàn)為垂直位移大于水平位移，說明水平應(yīng)力對于巷道頂板的擠壓以及剪切形成的塑性應(yīng)變造成頂板下沉，而兩幫位移主要是由水平應(yīng)力引起的沿層理面的滑動，垂直應(yīng)力量值不高，對于幫部的剪切和擠壓作用不是很明顯。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果來看，對于高水平應(yīng)力大跨度巷道，圍巖變形破壞形成的薄弱部位為頂板，主要由于水平應(yīng)力剪切作用，造成塑性破壞并在應(yīng)力擠壓下形成較大的下沉，且由于巷道跨度較大，幫部對于頂板的支撐效應(yīng)有所減弱，因此應(yīng)對頂板進(jìn)行有針對性的重點支護(hù)。

3 巷道支護(hù)設(shè)計

根據(jù)2105工作面膠帶運輸順槽圍巖穩(wěn)定性分析，結(jié)合類似工程的支護(hù)經(jīng)驗，設(shè)計了多個支護(hù)方案，通過數(shù)值模擬對各方案的支護(hù)效果進(jìn)行對比，最終選定了以下支護(hù)方案進(jìn)行巷道支護(hù)施工。見圖2。

3.1 頂板支護(hù)

頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合讓壓支護(hù)，支護(hù)材料及技術(shù)參數(shù)選取如下:

圖1 圍巖變性破壞數(shù)值模擬結(jié)果

圖2 巷道支護(hù)示意

(1)錨桿布置。錨桿型號為NMG-2224，桿體強(qiáng)度為500 MPa，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。錨桿配件采用拱型托板、萬向球(頂角安裝)、三明治墊圈、讓壓管、1010型阻尼墊片、螺母(外徑35 mm，內(nèi)徑22 mm)。每排布置6根錨桿，間排距1000 mm。鉆孔直徑φ30 mm，錨桿預(yù)應(yīng)力40～50 kN，錨固力190 kN，最終緊固扭矩達(dá)到400 N·m。

(2)錨索布置。選用φ22 mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，延伸率 7%，長度6300 mm，托板尺寸為300 mm×300 mm×16 mm，拱高60 mm。錨索為大五花布置時，兩根間距2200 mm，距幫1800 mm;3根時，一根正中布置，其余2根各偏中1400 mm，距幫1350 mm，排距2 m，全部垂直頂板打設(shè)。鉆孔直徑φ30 mm，錨固力不小于250 kN，考慮到張拉預(yù)應(yīng)力損失，初始需張拉至300 kN。

(3)雙鋼筋托梁，型號為φ16 mm×5200 mm×1000 mm×120 mm(6眼)。

(4)網(wǎng)片。采用10#鉛絲編織的網(wǎng)片，規(guī)格為5900 mm×1100 mm(網(wǎng)格為30 mm ×30 mm)，用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。

3.2 巷幫支護(hù)

由于幫部變形破壞不是很嚴(yán)重，穩(wěn)定性較強(qiáng)，因此采用錨桿支護(hù)，不需打設(shè)錨索，支護(hù)材料及技術(shù)參數(shù)選取如下:①錨桿，錨桿材料與頂板完全相同，每排每幫布置4根，間距900 mm，排距1000 mm;②雙鋼筋托梁，規(guī)格型號為φ14 mm×3200 mm×1000 mm×105 mm(4眼)，幫頂角錨桿距頂300 mm，底角錨桿距底400 mm;③網(wǎng)片與頂板規(guī)格相同。

4 礦壓監(jiān)測

在巷道內(nèi)布置1個巷道表面位移監(jiān)測點，1個頂板離層監(jiān)測點，1個錨桿受力監(jiān)測點，都布置在距巷口300 m左右位置。通過對巷道變形情況以及錨桿受力狀態(tài)的實時監(jiān)測，反應(yīng)巷道支護(hù)效果，如圖3所示。

圖3 巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)過約50 d的礦壓監(jiān)測，巷道支護(hù)的效果顯著。頂板表面位移最終穩(wěn)定在52 mm，兩幫表面位移僅有25 mm左右，圍巖變形量比較小。頂板離層量一直在緩慢增加，但量值不大，最高為5 mm，離層在可控范圍以內(nèi)。錨桿受力表現(xiàn)出明顯的特征，即頂板錨桿受力大于幫錨桿，尤其是頂板中部錨桿，受力超過100 kN，說明對于高水平應(yīng)力大跨度巷道，錨桿承受了較大的載荷，充分發(fā)揮了主動支護(hù)作用，工作狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

以常村煤礦2105工作面膠帶運輸順槽為例，研究了高水平應(yīng)力作用下大跨度巷道的圍巖變形破壞情況及相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)，得出了以下結(jié)論:

(1)高水平應(yīng)力作用下大跨度巷道以頂板的變形破壞為主，由于高水平應(yīng)力的剪切作用，造成頂板大面積塑性破壞并在應(yīng)力擠壓下形成較大的下沉量，且巷道跨度較大，幫部對于頂板的支撐效應(yīng)有所減弱。

(2)高水平應(yīng)力作用下大跨度巷道頂板應(yīng)保證高支護(hù)強(qiáng)度，錨桿錨索應(yīng)施加高預(yù)緊力，通過高強(qiáng)支護(hù)限制圍巖破壞的擴(kuò)展，避免發(fā)生過大的早期變形。在此基礎(chǔ)上，可以適度讓壓，保證支護(hù)受力均勻、防止錨桿錨索發(fā)生破斷。

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