裴志遠(yuǎn)

（同煤集團(tuán)宏泰公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤大唐塔山煤礦8222 工作面位于3~5#煤層二盤區(qū)，工作面主采3~5#煤層，煤層均厚為19.93m，平均傾角為2°，屬巨厚煤層。煤層中含有6~17 層夾矸，夾矸層的厚度在2.1~13.7m 之間變化，平均厚度為5.57m。煤層上方直接頂為泥巖和炭質(zhì)泥巖，均厚為7.41m，基本頂為中砂巖和粗砂巖，均厚為8.3m。工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。8222 工作面頂板高抽巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，沿煤層頂板掘進(jìn)，屬于軟巖巷道，巷道設(shè)計(jì)全長約2907m，巷道寬度4200mm，高度3000mm。巷道原有支護(hù)方式采用錨桿、鋼帶、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。原有支護(hù)頂錨索型號(hào)為Ф17.8mm×8300mm，三花布置，排間距為1800×1200mm；頂板錨桿使用Ф22×2500mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900×1000mm；兩幫錨桿型號(hào)為Ф18×2000mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排間距900×1100mm；金屬網(wǎng)采用網(wǎng)格為70mm×70mm 的8#鉛絲金屬網(wǎng)。8222 工作面頂板高抽巷在原有支護(hù)方案下圍巖變形量大，急需采取有效措施控制巷道圍巖的變形。

2 鉆孔卸壓原理分析

根據(jù)巷道圍巖相關(guān)松動(dòng)圈的理論可知，巷道在開挖后會(huì)在巷道周圍淺部圍巖的一定深度內(nèi)出現(xiàn)松動(dòng)圈，由于松動(dòng)圈范圍內(nèi)的圍巖處于單向或者雙向受力狀態(tài)，巖石在集中應(yīng)力的作用下會(huì)破壞。盡管破壞后的圍巖體存在著一定的殘余強(qiáng)度，但圍巖的破壞會(huì)使得圍巖體內(nèi)的應(yīng)力得到釋放。鉆孔卸壓的原理與巷道相似，當(dāng)鉆孔形成后，鉆孔周圍的煤體會(huì)由原本的三軸受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單向或者雙向受力狀態(tài)，在集中應(yīng)力的作用下，鉆孔周圍的煤巖體會(huì)逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，隨著鉆孔周圍煤巖體塑性區(qū)域的不斷擴(kuò)大，在塑性區(qū)內(nèi)區(qū)的圍巖變形量與塑性區(qū)外區(qū)的圍巖變形相比要大，進(jìn)而內(nèi)圈的煤體便會(huì)發(fā)生破裂，進(jìn)而形成破裂區(qū)，最終在卸壓鉆孔周圍會(huì)形成由彈性區(qū)、塑性區(qū)和破裂區(qū)組成的圍巖卸壓圈[1-2]。

當(dāng)巷道開挖作業(yè)形成的松動(dòng)圈與打設(shè)卸壓鉆孔形成的卸壓圈產(chǎn)生相互疊加時(shí)，便會(huì)在巷道的周圍形成一個(gè)較大的松動(dòng)圈，其結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 巷道與卸壓鉆孔松動(dòng)圈疊加示意圖

通過在需進(jìn)行卸壓的巷道圍巖內(nèi)打設(shè)卸壓鉆孔，能夠使巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的支承壓力峰值逐漸向圍巖的深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而使得巷道處在應(yīng)力降低區(qū)的范圍內(nèi)，能夠有效地減小巷道圍巖的變形量；另一方面，卸壓鉆孔的打設(shè)能夠?yàn)橄锏绹鷰r提供一定的變形空間，能夠有效地吸收圍巖內(nèi)的一部分變形，進(jìn)而在總體上減小巷道圍巖的變形量[3-4]。具體卸壓鉆孔的作用原理如圖2 所示。

圖2 卸壓鉆孔作用原理圖

3 鉆孔卸壓支護(hù)設(shè)計(jì)與效果

3.1 巷道變形破壞機(jī)理分析

通過對8222 工作面頂板高抽巷的圍巖進(jìn)行物理力學(xué)性能的測試和現(xiàn)場觀測，得出巷道圍巖變形破壞的主要原因如下：

（1）巷道圍巖應(yīng)力大。根據(jù)8222 工作面的地質(zhì)資料可知，巷道圍巖處于高應(yīng)力水平，圍巖受到的水平應(yīng)力值較大，形成了較高的應(yīng)力水平，增大了8222 工作面頂板高抽軟巖巷道的支護(hù)難度。

（2）圍巖強(qiáng)度低，具有較強(qiáng)的膨脹性。由于8222 工作面頂板高抽巷沿著煤層頂板掘進(jìn)，煤層直接頂為泥巖和炭質(zhì)泥巖，其巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體整體呈現(xiàn)出松散破碎的特征。根據(jù)圍巖力學(xué)試驗(yàn)可知炭質(zhì)泥巖和泥巖的整體強(qiáng)度在20 ～40MPa之間；另外由于直接頂巖層主要以泥巖為主，其泥質(zhì)含量較大，巷道開挖后圍巖極易風(fēng)化，進(jìn)而會(huì)使得圍巖體的穩(wěn)定性變差，圍巖強(qiáng)度急速降低；同時(shí)X 衍射礦物成分分析可知，直接頂泥巖中主要以高嶺石為主，同時(shí)含有一定的伊利石粘土礦物，致使巖石表現(xiàn)出親水性較強(qiáng)、易于出現(xiàn)塑性流變的特征，具有膨脹性。

（3）巷道底角和幫肩應(yīng)力集中程度大。8222工作面頂板高抽巷斷面形狀為矩形，由于矩形巷道的承載能力與拱形巷道相比較低，并且矩形巷道在高應(yīng)力的作用下，巷道會(huì)首先從底角和幫肩位置處出現(xiàn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖大范圍的變形破壞。

（4）巷道支護(hù)方式不合理。根據(jù)8222 工作面頂板高抽巷處于高應(yīng)力區(qū)域和圍巖松散破碎的兩大特點(diǎn)，在對巷道支護(hù)時(shí)需具備兩大特點(diǎn)：① 支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備適應(yīng)圍巖大變形的特征，能夠與圍巖形成協(xié)同變形；② 巷道支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能夠提供足夠的支護(hù)阻力，來保障巷道圍巖的穩(wěn)定。8222 工作面頂板高抽巷現(xiàn)有支護(hù)方式僅僅注重了巷道的支護(hù)強(qiáng)度，給巷道圍巖提供了一定的支護(hù)阻力，通過提高支護(hù)強(qiáng)度能夠維護(hù)降低巷道圍巖變形量，但成本過高，可對巷道周邊高能力和高應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹白尅焙汀稗D(zhuǎn)”，進(jìn)而調(diào)整巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，保證巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

3.2 支護(hù)整體思路

由于軟巖自身存在著塑性、各向異性、膨脹性、流變性等特征，進(jìn)而使得軟巖在高應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出圍巖變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長、變形速率快等特征，高應(yīng)力為軟巖巷道變形破壞的主要原因?；诖颂攸c(diǎn)，提出先將積聚在巷道周圍的高支承應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，再進(jìn)行讓壓，釋放圍巖的變形能，最后再采用高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的錨固支護(hù)來保證圍巖的穩(wěn)定。具體8222 頂板高抽巷圍巖的控制思路如圖3 所示。

圖3 8222 工作面頂板高抽巷圍巖控制思路

3.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔卸壓原理、8222 工作面頂板高抽巷原有支護(hù)方案存在的問題及轉(zhuǎn)讓抗支護(hù)方案的控制思路對8222 工作面頂板高抽巷的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)參數(shù)

頂板錨桿采用型號(hào)為Φ22mm×2500mm 的左旋無縱筋錨桿，間排距為800×800mm，靠近兩幫的錨桿向巷幫方向傾斜成15°安裝，其余錨桿垂直于巷道頂板打設(shè)。錨桿的錨固長度為1.2m，錨桿的安裝預(yù)緊力大于300N?m，同時(shí)采用7 網(wǎng)孔規(guī)格為70×70mm 的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。每排錨桿的第二根或者第五根用Φ18.9×5500mm 的錨索進(jìn)行替換，并在每兩排錨桿中間布置型號(hào)為Φ18.9×5500mm的錨索，間排距為2000×2200mm。每排打設(shè)2 根錨索，錨索垂直于頂板打設(shè)，錨索型號(hào)為Φ22×8300mm 的1×19 股的鋼絞線，錨索的安裝預(yù)緊力為100kN，錨索采用兩支M2350 和兩支CK2350 型樹脂型錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長度為2700mm。

（2）兩幫支護(hù)參數(shù)

巷幫錨桿的間排距為700mm×800mm，錨桿直徑為22mm，長度為2500mm，錨桿的型號(hào)為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。巷道斷面內(nèi)每排安裝4 根錨桿，靠近底板的錨桿向底板方向傾斜30°安裝，其余錨桿均垂直巷幫安裝。錨桿預(yù)緊力、錨固劑、托盤、金屬網(wǎng)及錨桿的錨固長度與頂板參數(shù)相同。

（3）卸壓鉆孔參數(shù)

沿著8222 工作面頂板高抽巷的走向方向，在巷道兩幫各施工3 個(gè)卸壓鉆孔。鉆孔的間排距為1000mm×800mm，鉆孔直徑為120mm，鉆孔深度為6m。

具體8222 工作面頂板高抽巷的支護(hù)示意圖如圖4 所示。

3.4 效果分析

為驗(yàn)證8222 工作面頂板高抽巷采用鉆孔卸壓后的支護(hù)方案效果，通過十字布點(diǎn)法對頂板高抽巷的表面位移進(jìn)行持續(xù)觀測。每兩天對巷道圍巖的位移進(jìn)行一次觀測，持續(xù)觀測30d。根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)能夠得到巷道表面位移的曲線圖，如圖5 所示。

巷道表面位移的監(jiān)測結(jié)果顯示，8222 工作面頂板高抽巷在鉆孔卸壓支護(hù)技術(shù)實(shí)施后，在0 ～10d內(nèi)巷道圍巖變形量較大，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?1.5mm/d，兩幫變形速率為27mm/d；在10 ～30d的時(shí)間內(nèi)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，這即表明巷道圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?15mm，兩幫最大移近量為270mm，巷道圍巖變形量在采用鉆孔卸壓支護(hù)后得到了有效控制。

圖4 8222 工作面頂板高抽巷支護(hù)示意圖

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

4 結(jié)論

通過分析8222 工作面頂板高抽巷在現(xiàn)有支護(hù)下存在的問題，并結(jié)合鉆孔卸壓原理，對頂板高抽巷的鉆孔卸壓支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示，在頂板高抽巷采用鉆孔卸壓支護(hù)方案后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?15mm，兩幫最大移近量為270mm，解決了巷道圍巖變形量大的問題，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。