趙朝陽(yáng)

（山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

山西寧武榆樹坡煤業(yè)1204 工作面位于一采區(qū)，工作面主采2#煤層均厚4.5m?；卷敒榇稚皫r，均厚6.18m，局部發(fā)育砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖的直接頂，直接底為泥巖，均厚2.62m，基本底為粉砂巖，均厚7.70m。工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。1204 進(jìn)風(fēng)順槽沿2#煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，凈寬為5000mm，凈高為3600mm。巷道原本采用錨桿、錨索、鋼筋鋼帶和網(wǎng)片的聯(lián)合支護(hù)方式，頂板錨索Φ17.8×6200mm，間排距為2100×1000mm，頂板錨桿Φ20×2000mm，間排距為2100×1000mm，兩幫采用玻璃鋼錨桿，間排距為1200×1000mm。具體支護(hù)參數(shù)如圖1 所示。巷道在掘進(jìn)期間巷幫破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)大量片幫情況，急需采取有效措施保證巷道兩幫的穩(wěn)定。

圖1 1204 運(yùn)輸順槽原有支護(hù)斷面圖

2 煤巷幫破壞控制技術(shù)分析

2.1 煤巷幫穩(wěn)定性控制原則

相關(guān)研究提出的工作面煤壁防片幫技術(shù)[1-2]，包括減緩煤壁所受壓力、提高采煤工藝水平、臺(tái)階煤壁采煤法和改善煤體性質(zhì)四個(gè)方面。盡管巷幫煤體的變形破壞特征與工作面煤壁的變形破壞存在差異，但二者在機(jī)理方面存在一定的共同點(diǎn)。基于此研究結(jié)論，提出主要從以下三個(gè)方面對(duì)巷幫煤體的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

（1）減緩巷幫煤體的應(yīng)力差值

相關(guān)研究表明，煤巷開挖后將使得一定范圍內(nèi)煤體受到的垂直應(yīng)力增大，水平應(yīng)力降低，當(dāng)水平與垂直應(yīng)力間差值增大到一定程度后巷幫便會(huì)發(fā)生破壞。因此，通過(guò)改善煤幫的受力狀態(tài)，降低主應(yīng)力間的差值，便能夠在一定程度上減輕煤幫的破壞程度。具體減緩煤幫所受壓力的方法，可以采用改一次全斷面掘進(jìn)為兩次掘進(jìn)成巷、提高支護(hù)強(qiáng)度等方式。

（2）優(yōu)化掘進(jìn)工藝

在控制巷幫煤體穩(wěn)定方面，通過(guò)優(yōu)化掘進(jìn)工藝能夠在一定程度上減小掘進(jìn)施工對(duì)巷道兩幫煤體的破壞?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化斷面形狀、加快掘進(jìn)速度、控制斷面尺寸和保證掘支錨一體化等方式來(lái)提升巷幫煤體的穩(wěn)定性[3-4]。

（3）改善煤體性質(zhì)

根據(jù)巷道圍巖的強(qiáng)度強(qiáng)化理論，錨桿（索）的支護(hù)方式能夠有效地改善巷道煤巖體的力學(xué)參數(shù)、提升巷道圍巖的強(qiáng)度、減小巷道圍巖破碎區(qū)的半徑和圍巖變形量，另外通過(guò)煤層注水、注漿加固等方式能夠在較大程度上改善煤體的性質(zhì)，提升煤巖體的穩(wěn)定性。

2.2 煤幫破壞數(shù)值模擬分析

根據(jù)1204 工作面的具體地質(zhì)條件，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)不同掘進(jìn)工藝和不同支護(hù)強(qiáng)度下巷幫煤體的破壞特征進(jìn)行模擬分析。

（1）掘進(jìn)工藝對(duì)煤幫破壞的影響

對(duì)巷道采用全斷面一次掘進(jìn)和上下兩次掘進(jìn)，設(shè)置上下部掘進(jìn)高度均為1.9m，通過(guò)數(shù)值模擬該兩種不同掘進(jìn)工藝下巷道兩幫的破壞特征。具體巷道掘進(jìn)后兩幫煤體的破壞特征如圖2 所示。

圖2 不同掘進(jìn)工藝時(shí)巷幫煤體的破壞特征

圖2 中深色區(qū)域?yàn)閮蓭兔后w的裂隙發(fā)育區(qū)域，虛線內(nèi)部的區(qū)域?yàn)槊后w松散垮落區(qū)域。通過(guò)分析圖2 能夠得出，當(dāng)采用上下兩次掘進(jìn)成巷時(shí)，巷道開挖后兩幫煤體裂隙的發(fā)育程度、破壞深度、破壞高度和破壞范圍與全斷面一次掘進(jìn)成巷時(shí)相比明顯減小，另外分析圖2（b）能夠看出，分上下兩次掘進(jìn)成巷時(shí)，巷道右?guī)兔后w的破壞深度大于左幫煤體的破壞深度。

（2）支護(hù)強(qiáng)度對(duì)煤幫破壞的影響

為分析支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道兩幫煤體破壞特征的影響，分別模擬不同支護(hù)強(qiáng)度下1204 運(yùn)輸順槽兩幫煤體的破壞特征。設(shè)置支護(hù)強(qiáng)度分別為0.2MPa 和0.6MPa，得出兩幫煤體破壞特征如圖3 所示。

圖3 不同支護(hù)強(qiáng)度兩幫煤體破壞特征

通過(guò)分析圖3 可知，當(dāng)巷道支護(hù)強(qiáng)度由0.2MPa增大到0.6MPa 時(shí)，煤幫的破壞程度明顯減?。划?dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.2MPa 時(shí)，巷道兩幫的最大移近量為0.17m；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.6MPa 時(shí)，兩幫最大移近量為0.12m 和0.11m。為進(jìn)一步確定合理的支護(hù)強(qiáng)度，在此模擬結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)支護(hù)強(qiáng)度為0.4MPa、0.8MPa和1MPa 時(shí)兩幫破壞情況進(jìn)行模擬分析，得出當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.4MPa 時(shí)，巷道兩幫的最大移近量減小了40mm，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度增大到0.6MPa 后，巷道兩幫的破壞程度基本不再發(fā)生變化。

通過(guò)模擬分析可知，在1204 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)時(shí)采用上下兩次掘進(jìn)成巷，兩幫煤體的破壞深度較??；提高支護(hù)強(qiáng)度也能夠有效地減小兩幫煤體的破壞程度。模擬結(jié)果顯示，合理的支護(hù)強(qiáng)度為0.6MPa。

3 1204運(yùn)輸順槽巷幫控制方案與效果

3.1 1204運(yùn)輸順槽煤幫控制技術(shù)

根據(jù)1204 工作面運(yùn)輸巷兩幫煤體的具體變形特征和控制煤巷幫穩(wěn)定性的原則及數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定采用上下兩次掘進(jìn)成巷、兩幫表面噴涂柔性材料和一次強(qiáng)力支護(hù)的方式來(lái)控制兩幫煤體的穩(wěn)定，具體控制方案如下：

（1）在巷道掘進(jìn)時(shí)，采用上下兩次掘進(jìn)成巷的方式，上下部掘進(jìn)高度均為1.9m，在上部掘進(jìn)后及時(shí)安裝頂板及兩幫錨桿（索），兩幫上部錨桿的安裝數(shù)量應(yīng)不少于3 根，且底部一根距離底板的距離小于500mm。

（2）為控制巷道在掘進(jìn)過(guò)程中兩幫及頂板的穩(wěn)定，在巷道施工掘進(jìn)完成一個(gè)循環(huán)后，及時(shí)進(jìn)行錨桿（索）施工，減小無(wú)支護(hù)的距離，在錨桿錨索安裝過(guò)程中，保證錨桿的初始扭矩為280N?m，錨索的預(yù)緊力不小于250kN。

（3）將1204 運(yùn)輸順槽原支護(hù)中使用的菱形金屬網(wǎng)更換為規(guī)格100mm×100mm 的鋼筋網(wǎng)，提高護(hù)表效果，實(shí)現(xiàn)錨桿（索）受力的整體性。

（4）根據(jù)1204 運(yùn)輸順槽在掘進(jìn)時(shí)遇到的巷道上部煤體破壞嚴(yán)重的情況，確定巷道掘進(jìn)采用短掘短支的施工工藝，并加強(qiáng)巷道掘進(jìn)過(guò)程中的礦壓監(jiān)測(cè)。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于上述煤幫穩(wěn)定性的控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬確定的合理支護(hù)強(qiáng)度為0.6MPa，對(duì)1204 運(yùn)輸順槽的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。1024 工作面運(yùn)輸順槽的斷面形狀為矩形，巷道凈寬×高=5×3.6m，巷道頂板錨桿間排距為900×1000mm，錨索采用每排兩根的布置方式，排距為2000mm；頂板錨桿采用直徑為Φ22mm、型號(hào)為Q335 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，巷道兩幫錨桿間排距800×850mm，巷道兩幫錨桿規(guī)格為Q335 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，直徑為Φ20mm；頂板及兩幫錨桿錨固劑采用MSK2335+MSZ2360 樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度均為1200mm；巷道頂板錨索規(guī)格為Φ18.9×6300mm的鋼絞線，錨索錨固劑采用MSK2335+MSZ2360型樹脂藥卷錨固，錨索的錨固長(zhǎng)度為1938mm。采用菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表， 網(wǎng)片規(guī)格為4050mm×1100mm，網(wǎng)間搭接長(zhǎng)度為100mm。如圖4 所示。

圖4 1204 運(yùn)輸順槽優(yōu)化后支護(hù)斷面示意圖

3.3 效果分析

為比對(duì)1204 運(yùn)輸順槽煤幫控制技術(shù)和優(yōu)化后支護(hù)方案的有效性，在隨后的巷道掘進(jìn)過(guò)程中采用煤幫控制技術(shù)和優(yōu)化支護(hù)方案，對(duì)巷道的表面位移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。在滯后掘進(jìn)工作面20m 的位置布置礦壓監(jiān)測(cè)站，每天對(duì)圍巖表面位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄，持續(xù)觀測(cè)1 個(gè)月。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出如圖5 所示的巷道圍巖變形—時(shí)間曲線。

圖5 1204 運(yùn)輸順槽圍巖變形曲線

根據(jù)圖5 能夠看出，圍巖在0~15d 內(nèi)的變形量較大，頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm，兩幫最大移近量為100mm，頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?mm/d，兩幫變形速率為6.66mm/d；在14~30d 的時(shí)間內(nèi)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈３址€(wěn)定，表明巷道圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形量在優(yōu)化后的支護(hù)方式下得到了有效控制。1204 運(yùn)輸順槽在采用煤幫控制技術(shù)和優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中基本無(wú)巷幫片幫及頂板冒落的現(xiàn)象出現(xiàn)，巷道在掘進(jìn)期間巷幫煤體破壞嚴(yán)重的問(wèn)題得到了有效的控制。

4 結(jié)論

針對(duì)1204 工作面運(yùn)輸巷在現(xiàn)有支護(hù)條件下掘進(jìn)過(guò)程中巷道幫部破壞嚴(yán)重的具體情況，通過(guò)分析影響巷幫穩(wěn)定性的控制原因，對(duì)不同掘進(jìn)工藝和不同支護(hù)強(qiáng)度下的煤幫破壞情況進(jìn)行模擬，確定采用巷幫穩(wěn)定性控制技術(shù)和新的支護(hù)方案，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示上述方案實(shí)施后，巷道圍巖變形量和巷幫煤壁破壞情況均得到了有效控制。