柳 陽

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

1 概況

西山煤電官地礦22608工作面處于官地礦中六采區(qū)+1051m水平，開采2#煤層，平均厚度為2.65 m，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，煤層底板為細(xì)砂巖，含有0～1層夾矸。煤層走向大致呈NW-SE，傾向SW，煤層傾角為1°～10°，采區(qū)內(nèi)中小斷層較發(fā)育，煤層透氣性系數(shù)為0.615 m2/（MPa2×d），屬可抽采煤層。測定瓦斯涌出量為25～35 m3/min，煤層為Ⅲ類不易自燃煤層。

官地礦2#煤層與3#煤層間距為6 m，通過在下組3#煤層中布置底抽巷來服務(wù)于2#煤層，如圖1所示，其中22606工作面尚未回采。由于上下煤層之間的層間距較小，在已回采的22607工作面下方的底抽巷破壞嚴(yán)重，基本報廢。因此在相似地質(zhì)條件下的22608工作面回采過程中，上組2#煤層回采時產(chǎn)生的動壓擾動現(xiàn)象會嚴(yán)重影響到3#煤層的底抽巷，使得3#煤層中的22608工作面底抽巷支護(hù)困難，因此需要對底抽巷的圍巖支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 巷道布置示意圖

2 工作面圍巖性質(zhì)及強(qiáng)度測試

設(shè)計支護(hù)之前需要掌握22608底抽巷圍巖性質(zhì)及地應(yīng)力水平，因此需要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)測試，以便為巷道支護(hù)提高參考[1-2]。

（1）圍巖性質(zhì)。通過圍巖結(jié)構(gòu)窺探，發(fā)現(xiàn)在巷道頂板6.5m的范圍內(nèi)存在3種結(jié)構(gòu)，其中在頂板上方0～4.1m為泥巖，性質(zhì)疏松，強(qiáng)度低，裂隙發(fā)育，膠結(jié)性差，出現(xiàn)的頂板離層較多；在4.1～6.3m范圍內(nèi)為細(xì)砂巖，強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)較為致密，裂隙發(fā)育較少；在6.3～6.5 m范圍內(nèi)為煤結(jié)構(gòu)，相較頂板巖層松軟破碎，裂隙較多。

（2）強(qiáng)度測試。通過頂板圍巖強(qiáng)度測量發(fā)現(xiàn)頂板的泥巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度平均值為22.6 MPa，細(xì)砂巖的強(qiáng)度平均值為71.7 MPa，上部煤體的強(qiáng)度較差，為12.33 MPa。在底抽巷頂板4.1 m范圍內(nèi)為松軟破碎的泥巖，強(qiáng)度低，易跨落，因此在進(jìn)行支護(hù)時需要進(jìn)行是否可錨的驗(yàn)證，否則會造成支護(hù)的浪費(fèi)與失效。

（3）地應(yīng)力測定。通過在巷道的地應(yīng)力測定，發(fā)現(xiàn)水平方向的地應(yīng)力最大為14 MPa，巷道垂直方向的最大地應(yīng)力為15.55 MPa，二者數(shù)量上基本相等。地應(yīng)力較高，應(yīng)力場主要來源為垂直方向的覆巖自重及水平方向的圍巖擠壓作用。

通過以上的地質(zhì)力學(xué)測試分析，可以看出22608底抽巷頂板強(qiáng)度低，離層現(xiàn)象較為嚴(yán)重，同時地應(yīng)力較大，在開采時必然會面臨較大的應(yīng)力擾動現(xiàn)象，支護(hù)設(shè)計具有一定的難度[3]。

3 回采動壓顯現(xiàn)的數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型

為了模擬底抽巷在上方工作面回采過程中的礦壓顯現(xiàn)特征，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測定結(jié)果，建立如圖2所示的數(shù)值模型，模擬在22606及22608工作面回采過程中底抽巷的變形破壞特征。

圖2 數(shù)值模型

模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

在上部22606及22608工作面回采后，底抽巷的頂板應(yīng)力變化及圍巖變形情況如圖3和圖4所示。

圖3 巷道應(yīng)力變化圖

圖4 巷道變形情況圖

從圖3和圖4可以看出，22606工作面回采對于22608底抽巷頂板應(yīng)力變化影響不明顯，僅有較小幅度的增加，同時巷道中的圍巖變形量也保持平穩(wěn)狀態(tài)。22608工作面回采對于底抽巷的應(yīng)力及變形影響較大，從圖3可以看出在距工作面超前50 m時應(yīng)力變化劇烈，巷道圍巖也發(fā)生較大幅度的變形，頂板累計下沉140 mm，底鼓61 mm，22608工作面回采產(chǎn)生的動壓對底抽巷的穩(wěn)定性產(chǎn)生了明顯影響?；夭晒ぷ髅嫱ㄟ^底抽巷上部后，使得底抽巷上部變?yōu)椴煽諈^(qū)，應(yīng)力減小，在其后回采活動中底抽巷所受到的應(yīng)力小于原來的擾動應(yīng)力水平。因此，需要針對上部工作面回采通過底抽巷上端時的應(yīng)力及變形情況作相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計，就可以滿足3#煤層底抽巷的穩(wěn)定性要求[4-5]。

4 巷道支護(hù)設(shè)計

在已回采的22607工作面底抽巷采用錨桿、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方法。其中頂板支護(hù)選取直徑為20mm、長度為2400mm的高強(qiáng)錨桿，配合金屬平網(wǎng)和槽鋼進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；巷道兩幫支護(hù)采用直徑20mm、長度2400mm的高強(qiáng)錨桿配合金屬平網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，兩幫以2000mm的間距布置直徑為17.8mm，長4200mm的錨索，預(yù)緊力不小于100kN，以加強(qiáng)對頂板和兩幫變形作用的控制。

采用上述的錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)支護(hù)方式，22607工作面回采過后底抽巷變形破壞嚴(yán)重，不能滿足22607工作面其后的需要，因此需要對原有的支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)。

4.1 底抽巷支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

（1）通過地質(zhì)力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)底抽巷頂板0～4.1m為泥巖，頂板離層較多，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。錨桿支護(hù)的錨固力僅為70 kN，因此不適合該地質(zhì)條件下的支護(hù)，選用錨索支護(hù)可滿足支護(hù)要求。

（2）泥巖厚度大于4m，因此錨索的設(shè)計長度也應(yīng)大于4m。

（3）泥巖強(qiáng)度平均為22.6 MPa，在設(shè)計錨索長度為4.3 m時，可以支護(hù)全部的泥巖范圍，通過現(xiàn)場的抗拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在500 kN時錨索仍具有較好的錨固力，因此可以滿足頂板泥巖支護(hù)的需要。

因此設(shè)計底抽巷全斷面高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，采用22-1×7-4300高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)緊力為250kN，配合樹脂錨固劑進(jìn)行錨固。支護(hù)如圖5所示。頂板支護(hù)錨索間距為1200mm，兩幫間距為1100mm，所有錨索垂直巖層安裝。

圖5 全斷面錨索支護(hù)圖（單位：mm）

4.2 支護(hù)效果監(jiān)測

為了觀測底抽巷頂板離層位移和巷道兩幫的變形情況，在底抽巷內(nèi)布置一套頂板離層位移檢測儀和圍巖變形監(jiān)測儀，對掘進(jìn)過程中底抽巷的位移變形進(jìn)行密集監(jiān)測。安裝初始，需要每天觀測一次。在觀察一定天數(shù)之后，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定或規(guī)律化，可以適當(dāng)?shù)馗臑槊? d或10 d觀察一次。通過對所有的監(jiān)測儀數(shù)據(jù)觀察，選取位移變形變化最大的區(qū)段進(jìn)行進(jìn)一步的觀察并進(jìn)行分析。通過對比在進(jìn)行支護(hù)前后的頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭妥冃瘟?，頂板最大下沉量?2mm，兩幫最大變形量為31mm，說明優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計能夠有效控制頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃危ёo(hù)效果良好。

5 結(jié)論

（1）22608工作面底抽巷頂板為松軟破碎的泥巖、強(qiáng)度低、易垮落，是底抽巷支護(hù)所面臨的主要問題。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，22608底抽巷的礦壓顯現(xiàn)和變形主要受22608工作面回采的影響，采動應(yīng)力超前影響范圍為50m。

（3）原有的錨桿+錨索支護(hù)的方式支護(hù)效果差，設(shè)計了底抽巷全斷面高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，有效地維持了底抽巷圍巖的穩(wěn)定性。