付書(shū)俊 何 杰 范軍平 程 蓬

(1. 陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西省陽(yáng)泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

近幾年，煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展迅速，取得了豐碩的研究成果。以康紅普院士為首的巷道礦壓與支護(hù)研究所團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研究，提出巷道圍巖錨固與注漿加固成套技術(shù)，包括：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、破碎巷道圍巖加固技術(shù)、支護(hù)材料、施工機(jī)具與工藝、支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)等，通過(guò)成套化和精細(xì)化研究，深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，解決了大量煤礦復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題，提高了我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)整體水平。

陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“陽(yáng)煤集團(tuán)”)是山西省屬五大煤炭集團(tuán)之一，2016年陽(yáng)煤集團(tuán)累計(jì)完成巷道掘進(jìn)進(jìn)尺37萬(wàn)m，其中錨桿支護(hù)巷道比例達(dá)到95%以上。陽(yáng)煤集團(tuán)從1986年開(kāi)始推廣巷道錨桿支護(hù)技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與摸索，取得了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和支護(hù)效果，但是隨著煤炭產(chǎn)量的增加，開(kāi)采深度和強(qiáng)度不斷增大，特別是15#煤層厚度大、煤質(zhì)軟、復(fù)雜困難巷道比例逐年遞增，導(dǎo)致陽(yáng)煤集團(tuán)采掘銜接的矛盾突出，巷道支護(hù)難度大、成本高、返修率高，對(duì)礦井建設(shè)與安全生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響。為此，通過(guò)與煤科總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究院合作試驗(yàn)及推廣煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)，經(jīng)過(guò)一年多的研究和實(shí)踐，逐步在陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層不同類(lèi)型的復(fù)雜困難巷道中推廣和應(yīng)用，取得了較好的支護(hù)效果。

1 陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

為弄清陽(yáng)泉礦區(qū)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，掌握地應(yīng)力場(chǎng)分布特征，為礦井開(kāi)拓、巷道布置及采場(chǎng)與巷道圍巖控制提供基礎(chǔ)參數(shù)，采用單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測(cè)試裝備，對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī)模的測(cè)量和分析，累計(jì)在陽(yáng)煤集團(tuán)一礦、二礦、新景、新元、五礦、寺家莊等6對(duì)主力礦井15#煤層完成17個(gè)測(cè)站巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，每個(gè)測(cè)站測(cè)試內(nèi)容包括：地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 地應(yīng)力測(cè)試

由于埋藏深度不同及地質(zhì)構(gòu)造原因，陽(yáng)泉礦區(qū)

內(nèi)各礦地應(yīng)力場(chǎng)差別較大，按照3個(gè)主應(yīng)力的大小排列，可分為兩種類(lèi)型：σv>σH>σh，自重應(yīng)力主導(dǎo)，有1個(gè)測(cè)站，占總數(shù)的5.9%；σH>σv>σh，構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)，有16個(gè)測(cè)站，占總數(shù)的94.1%。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖1所示，由圖1可以看出，陽(yáng)泉礦區(qū)煤層埋深較大，測(cè)點(diǎn)深度在377～631 m范圍內(nèi)，整體來(lái)看，最大水平應(yīng)力顯著大于垂直應(yīng)力，原巖應(yīng)力總體上以構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)，應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型呈現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征，說(shuō)明了陽(yáng)泉地區(qū)受煤層受地質(zhì)構(gòu)造影響十分強(qiáng)烈，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)應(yīng)力場(chǎng)起絕對(duì)主導(dǎo)作用。

圖1 陽(yáng)泉礦區(qū)地應(yīng)力隨深度變化散點(diǎn)圖

1.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

采用WQCZ-56型小孔徑井下巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)定裝置，對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)不同煤礦不同巖層巷道頂板強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試在巷道頂板、兩幫圍巖10 m范圍內(nèi)的煤巖體強(qiáng)度，部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 陽(yáng)泉礦區(qū)不同煤層頂板強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，陽(yáng)泉礦區(qū)不同礦井、不同煤層頂板圍巖和煤體的巖性、強(qiáng)度和厚度差異性很大，巷道支護(hù)類(lèi)型多、難度大，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)必須進(jìn)行差異化考慮，才能滿(mǎn)足不同條件下支護(hù)需要。

1.3 圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)

采用數(shù)字高清式全景窺視儀對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)不同煤層頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行窺視，新景礦15#煤層頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，測(cè)試地點(diǎn)巷道頂板上方0～2.81 m為15#頂煤，黑色，煤層松軟，破碎，裂隙發(fā)育。2.81～3.87 m為炭質(zhì)泥巖與薄煤層互層，巖層呈深灰色，裂隙發(fā)育，巖層完整性差，橫向裂隙發(fā)育。3.87～6.54 m為石灰?guī)r，巖層呈深黑色，具有裂隙，含有白色的方解石脈。6.54～8.01 m為泥巖，黑色，巖層完整。8.01 m以上范圍為石灰?guī)r。

2 陽(yáng)泉礦區(qū)錨桿支護(hù)材料更新與優(yōu)化

錨桿支護(hù)材料包括桿體、托板、螺母、錨固劑、組合構(gòu)件、金屬網(wǎng)、錨索等。支護(hù)材料在錨桿支護(hù)技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。性能優(yōu)越的支護(hù)材料是充分發(fā)揮錨桿支護(hù)效果與保證巷道安全程度的必要前提。針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)材料現(xiàn)狀，陽(yáng)泉礦區(qū)對(duì)錨桿支護(hù)材料進(jìn)行改進(jìn)和更新，錨桿支護(hù)材料從低強(qiáng)度、低剛度逐步過(guò)渡到高強(qiáng)度、高剛度與高可靠性的發(fā)展過(guò)程，逐漸形成支護(hù)材料的系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。錨桿桿體從圓鋼、右旋全螺紋錨桿，發(fā)展為高強(qiáng)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，錨桿強(qiáng)度達(dá)到500#及以上。逐步淘汰原有性能較差的錨桿支護(hù)構(gòu)件，大面積推廣使用高強(qiáng)度拱形可調(diào)心錨桿錨索托板。針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)頂板圍巖條件復(fù)雜，淘汰原有平托板、鑄鋼及槽鋼等錨索托板，開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度拱形錨索托板和異形W型錨索托板，解決了復(fù)雜困難支護(hù)材料構(gòu)件不匹配的問(wèn)題，取得了較好的支護(hù)效果。

3 陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層巷道不同布置方式對(duì)比研究

陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層平均厚度超過(guò)5.5 m，煤層厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育，煤質(zhì)松軟。針對(duì)15#煤層特殊的地質(zhì)條件，選擇合理的巷道掘進(jìn)方式成為影響巷道掘進(jìn)和工作面回采的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)對(duì)不同巷道掘進(jìn)方式進(jìn)行綜合性的理論性分析，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)比分析陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層巷道沿煤層頂板和沿煤層底板掘進(jìn)兩種不同條件下巷道圍巖應(yīng)力及圍巖破壞分布特征，如圖3和圖4所示。

圖3 不同巷道掘進(jìn)方式圍巖垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

由圖3可知，巷道沿15#煤層頂板掘進(jìn)時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)主要分布于巷道頂板的兩個(gè)角。這主要是由于石灰?guī)r頂板強(qiáng)度很高，遠(yuǎn)超過(guò)巷道兩幫和底板，在巷道頂板產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)巷道沿15#煤層底板掘進(jìn)時(shí)恰好相反，此時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)主要分布于巷道底板的兩個(gè)角。這主要是由于改變巷道掘進(jìn)方式之后，頂板由石灰?guī)r變成頂煤，由于煤體的強(qiáng)度較低，在地應(yīng)力的作用下，頂板圍巖易產(chǎn)生變形和移近，導(dǎo)致應(yīng)力集中效應(yīng)不顯著，而此時(shí)由于巷道底板是砂巖，其強(qiáng)度較高，遠(yuǎn)超過(guò)巷幫煤體強(qiáng)度，在巷道底板產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖4 不同巷道掘進(jìn)方式圍巖塑性破壞區(qū)分布狀態(tài)

由圖4可知，巷道沿15#煤層頂板掘進(jìn)時(shí)，巷道圍巖變形破壞范圍較小，僅僅在局部區(qū)域發(fā)生圍巖的塑性破壞，巷道穩(wěn)定性較好。相比較之下，巷道沿15#煤層底板掘進(jìn)時(shí)，巷道變形破壞范圍有所增大，主要變形為巷道頂板和底板破壞區(qū)域和范圍均有所加大，巷道支護(hù)難度較大，應(yīng)該對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，研究合理的巷道支護(hù)方式，以保證巷道的安全穩(wěn)定。

4 陽(yáng)泉礦區(qū)復(fù)雜困難巷道支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在陽(yáng)泉礦區(qū)巷道地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)強(qiáng)力支護(hù)材料研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化，巷道施工機(jī)具與工藝升級(jí)優(yōu)化，加強(qiáng)巷道施工質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)督，并進(jìn)行全面的巷道礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，目前已在陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層不同礦井、不同類(lèi)型巷道開(kāi)展了多條復(fù)雜困難巷道井下試驗(yàn)，通過(guò)示范巷道工程形成示范效果，進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

4.1 新景礦15#煤層厚煤層托頂煤巷道支護(hù)技術(shù)

4.1.1 巷道地質(zhì)條件

15028工作面進(jìn)風(fēng)巷位于新景礦15#煤一采區(qū)，15#煤層平均厚度為6.6 m，巷道沿15#煤層底板布置，頂板由煤、石灰?guī)r和泥巖組成。15#煤層強(qiáng)度17 MPa，煤層松軟，破碎，裂隙發(fā)育，石灰?guī)r厚度2.6 m，強(qiáng)度為111.9 MPa，泥巖厚度1.6 m，強(qiáng)度34.5 MPa。巷道埋深550～620 m，斷面為矩形，寬度5.2 m，高度3.1 m。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，15028工作面進(jìn)風(fēng)巷最大水平主應(yīng)力16.95 MPa，最小水平主應(yīng)力8.69 MPa，最大水平主應(yīng)力方向北偏東80.8°，垂直主應(yīng)力15.03 MPa。

4.1.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

采用工程類(lèi)比、數(shù)值模擬多方案對(duì)比，確定15028進(jìn)風(fēng)巷采用樹(shù)脂加長(zhǎng)高預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)。頂、幫錨桿均采用直徑20 mm、長(zhǎng)度2.4 m、鋼號(hào)500#的螺紋鋼錨桿。錨索采用直徑17.8 mm，長(zhǎng)度6.2 m的帶箍錨索。采用W型鋼帶與經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)表護(hù)頂，頂錨桿間排距0.9 m×0.95 m。采用W型護(hù)板與菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，間距1.1 m。錨桿預(yù)緊力矩設(shè)計(jì)400 N·m，錨索預(yù)緊力為250 kN。15028進(jìn)風(fēng)巷錨桿錨索支護(hù)布置如圖5所示。

圖5 15028工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道支護(hù)布置圖

4.1.3 井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)優(yōu)化后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行井下施工后，巷道支護(hù)效果明顯改善，巷道基本沒(méi)有發(fā)生離層和破壞，W型鋼帶和W型鋼護(hù)板緊貼煤壁，巷道圍巖完整，穩(wěn)定性較好，沒(méi)有出現(xiàn)錨桿和錨索破斷現(xiàn)象。礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示，采用新方案后錨桿錨索受力十分穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄冃瘟績(jī)H為61 mm，兩幫變形量為34 mm，相比較原方案巷道變形量降低70%，支護(hù)成本降低30%，巷道掘進(jìn)效率也明顯提高，巷道支護(hù)最終效果如圖7所示，取得較好的支護(hù)效果，礦方在后續(xù)類(lèi)似條件的巷道進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。

圖6 巷道表面位移觀測(cè)曲線(xiàn)

4.2 寺家莊礦強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道支護(hù)技術(shù)

4.2.1 巷道地質(zhì)條件

15106工作面位于寺家莊礦15#煤層中央盤(pán)區(qū)，15106工作面西部為15104工作面采空區(qū)，15104工作面于2011年5月回采結(jié)束，15106進(jìn)風(fēng)巷與15104工作面采空區(qū)煤柱尺寸僅7 m。15106工作面進(jìn)風(fēng)巷沿15#煤層頂板掘進(jìn)，巷道頂板有砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖組成。15#煤層平均厚度5.35 m，平均傾角6.5°，上部煤層厚度在0.5～0.8 m范圍內(nèi)，煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度偏低，下部煤層煤質(zhì)偏硬，強(qiáng)度相對(duì)較高。15106工作面平均埋深492 m。15106進(jìn)風(fēng)巷巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度5.4 m，掘進(jìn)高度4.5 m。巷道掘進(jìn)期間兩幫變形大，特別是小煤柱幫變形嚴(yán)重，礦方后期采用巷道表層噴漿封閉、化學(xué)漿液加固、打木點(diǎn)柱等多種方式進(jìn)行巷幫加固。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，15106工作面最大水平主應(yīng)力14.20 MPa，最小水平主應(yīng)力7.27 MPa，垂直主應(yīng)力9.44 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼?8°。

4.2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬多方案對(duì)比，結(jié)合已有巷道變形支護(hù)狀況，確定15106進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)形式為：高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護(hù)。頂板采用W型鋼帶和異形W型錨索托板進(jìn)行護(hù)表，頂板布置5根錨索，排距1250 mm，間距900 mm。頂錨索規(guī)格為1×19股，直徑21.8 mm，長(zhǎng)度6.3 m。巷幫采用錨桿和錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，每排布置3根錨索和2根錨桿，間距900 mm。幫錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度4.2 m，幫錨桿強(qiáng)度500#，直徑20 mm，長(zhǎng)度2.2 m。頂錨索預(yù)緊力為300 kN，幫錨索預(yù)緊力為180 kN，幫錨桿預(yù)緊力矩400N·m。錨桿支護(hù)布置如圖8所示。

圖8 寺家莊礦15106工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道支護(hù)布置圖

4.2.3 井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在小煤柱巷道掘進(jìn)后，進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，全斷面錨索錨桿支護(hù)巷道表面位移曲線(xiàn)如圖9所示。由圖9可知，頂板下沉量為53 mm，兩幫位移量為132 mm，其中小煤柱幫達(dá)到96 mm，占兩幫變形量的72.2%，相對(duì)原巷道兩幫變形400 mm以上，兩幫變形降低顯著。高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)有效地控制了小煤柱巷道的強(qiáng)烈變形，滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

(1)陽(yáng)泉礦區(qū)開(kāi)采煤層多，賦存深度大，巷道圍巖變形強(qiáng)烈，特別是15#煤層厚度大，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，開(kāi)采強(qiáng)度大，巷道動(dòng)壓影響顯著，支護(hù)難度高，是陽(yáng)泉礦區(qū)巷道支護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(2)通過(guò)對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、高預(yù)應(yīng)力巷道支護(hù)材料優(yōu)化、高性能的施工機(jī)具和工藝、巷道工程質(zhì)量檢測(cè)與礦壓監(jiān)測(cè)等方面的系統(tǒng)優(yōu)化，提升了陽(yáng)泉礦區(qū)巷道支護(hù)整體水平。

圖9 寺家莊礦15106工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

(3)數(shù)值模擬表明，15#煤層沿頂板和底板布置時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力和塑性變形情況差異較大，需根據(jù)巷道布置方式和巷道類(lèi)型進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。

(4)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)成功應(yīng)用于陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層不同類(lèi)型復(fù)雜困難巷道，巷道圍巖變形得到有效控制，取得理想的支護(hù)效果。

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