仲建平，馮友良，何 杰

(1.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦，山西 河津 043300；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013)

我國是一個以井工煤礦為主體，露天煤礦只占少數(shù)比例的國家，為把深藏地下的煤炭資源開采并運輸?shù)降乇?，國有大中型煤礦年掘進(jìn)巷道長度10000～20000km，其中80%以上是回采巷道，回采巷道布置方式可分為留煤柱護(hù)巷、沿空留巷和窄煤柱沿空掘巷3種方式[1-4]。為最大限度提高煤炭資源采出率，近年來沿空留巷、切頂卸壓自成巷等無煤柱護(hù)巷技術(shù)正大力推廣應(yīng)用，但鑒于煤礦復(fù)雜多變的地質(zhì)條件及無煤柱護(hù)巷技術(shù)的客觀現(xiàn)實發(fā)展水平，現(xiàn)階段留煤柱沿空掘巷技術(shù)依然被各大礦區(qū)廣泛采用[5-7]。隨著開采方法不斷成熟和機械裝備水平提高，大型集約化綜放開采已成為我國厚煤層開采的重要發(fā)展方向[8]。煤礦如摒棄原有寬煤柱護(hù)巷的方式，實施留小煤柱護(hù)巷，依然能夠在保證安全的前提下，最大限度提高煤炭采出率，增加經(jīng)濟社會效益。沿空掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，處于相鄰工作面巷道掘進(jìn)及回采擾動、本巷道開挖及工作面回采擾動綜合應(yīng)力場中。控制綜放沿空巷道圍巖的穩(wěn)定對于保障礦井安全、高產(chǎn)與高效具有至關(guān)重要的作用。

近些年，國內(nèi)煤炭行業(yè)科研技術(shù)人員針對綜放沿空巷道煤柱留設(shè)及圍巖穩(wěn)定性控制方面開展了一系列有益探索。何富連團隊[9，10]針對大斷面綜放沿空煤巷掘進(jìn)過程中存在的支護(hù)難題，以典型工程為背景，采用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬和井下試驗等手段研究得出綜放沿空煤巷礦山壓力顯現(xiàn)的不對稱性，提出了以不對稱錨梁桁架為核心的綜合控制系統(tǒng)，工程實踐效果良好。張廣超等[11]以大斷面綜放沿空巷道為工程背景，通過數(shù)值模擬分析了不同煤柱寬度下圍巖主應(yīng)力差、變形及破壞特征，確定合理護(hù)巷煤柱尺寸；構(gòu)建了綜放沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)模型，探究了基本頂破斷位置及其對巷道穩(wěn)定性影響；提出了具有針對性的圍巖控制技術(shù)，工業(yè)性試驗表明巷道變形量在安全范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)損毀失效現(xiàn)象，整體狀況較好。王德超等[12]利用煤體強度軟化特性分析了綜放沿空掘巷巷幫受力變形。沈榮喜等[13]將錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用于深井綜放沿空巷道圍巖控制中，取得了良好效果。劉清濤等[14]通過分析深部復(fù)雜地質(zhì)條件巷道支承壓力分布與圍巖變形破壞特點，優(yōu)化護(hù)巷小煤柱尺寸并應(yīng)用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實現(xiàn)巷道服務(wù)期間的安全穩(wěn)定，實現(xiàn)高煤炭采出率。歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，以往研究都有其特定的研究背景且大多只關(guān)注巷道掘進(jìn)這一個服務(wù)階段，但我國煤礦具有各類地質(zhì)條件，特定條件下綜放沿空巷道圍巖變形破壞特征有其特殊性，同時巷道服務(wù)周期包括掘、采全過程，會受到多次掘采疊加擾動，圍巖支護(hù)技術(shù)要能夠確保掘、采全過程巷道的穩(wěn)定。本文以王家?guī)X煤礦12301回風(fēng)巷為工程背景，采用動態(tài)信息設(shè)計方法并基于支護(hù)參數(shù)選擇原則，提出采用樹脂加長錨固高預(yù)應(yīng)力強力錨桿、錨索組合支護(hù)系統(tǒng)控制圍巖的穩(wěn)定性并通過工程實踐與綜合礦壓監(jiān)測驗證與優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 開采條件

山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力6.0Mt/a，井田地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，煤層賦存穩(wěn)定。礦井目前正回采2#煤，厚度3.09～8.50m，平均煤厚6.20m，煤層一般含1～2層夾矸，最多可達(dá)5層，夾矸一般厚0.20m左右，煤層頂板大部分為泥巖，粉砂巖，其基本頂為一層中-細(xì)粒砂巖，底板大部分為粉砂巖和泥巖。2#煤普氏系數(shù)1.5左右，煤層較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層冒放性較好，工作面采用綜采放頂煤回采工藝。

1.2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

在生產(chǎn)過程中系統(tǒng)地開展礦井地質(zhì)力學(xué)測試工作，加強地質(zhì)資料采集與整理，在大量實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、地質(zhì)學(xué)和數(shù)值模擬等方面的綜合分析，可為礦井的安全及高效生產(chǎn)提供更為詳細(xì)和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

由于王家?guī)X煤礦之前未進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)原位測試工作，與采掘生產(chǎn)相關(guān)的巖體物理力學(xué)參數(shù)十分匱乏，生產(chǎn)過程中多采用經(jīng)驗方法進(jìn)行設(shè)計和施工，為進(jìn)一步優(yōu)化礦井巷道圍巖控制技術(shù)，選定12322回風(fēng)巷與12301運輸巷進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)原位測試工作。地應(yīng)力測量采用水壓致裂法；通過鉆孔觸探法對頂板以上及對應(yīng)巷幫10m范圍內(nèi)的煤巖體強度進(jìn)行測試；利用鉆孔窺視儀進(jìn)行頂板煤巖體及巷幫煤體分布情況和結(jié)構(gòu)觀測。通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、綜合和分析，認(rèn)為：

1)三個測點最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，垂直應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，所測區(qū)域應(yīng)力場類型為σH>σV>σh型應(yīng)力場；構(gòu)造應(yīng)力為最大主應(yīng)力，2#煤最大水平主應(yīng)力最大值為14.01MPa，最小值為11.89MPa，地應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NWW方向。

2)三個測點所在巷道層位相同，均處于2#煤層中。據(jù)測試結(jié)果可知，2#煤層頂板10m范圍內(nèi)與錨桿(索)支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體巖性主要為頂煤、泥巖和細(xì)粒砂巖為主，巖層完整性一般，巖層較軟，局部存在裂隙。

3)三個測點圍巖強度測試結(jié)果表明，2#煤強度主要集中在8～16MPa，預(yù)留頂煤強度主要集中9～16MPa左右，泥巖巖層強度主要集中在30～50MPa左右，細(xì)粒砂巖巖層強度主要集中在50～80MPa左右。

2 綜放沿空巷道圍巖變形破壞特征

12301工作面回風(fēng)巷服務(wù)于工作面回采時的回風(fēng)、行人等需要，長度1425.4m，服務(wù)時間約為9個月。12301回風(fēng)巷沿2#煤層底板掘進(jìn)，煤層厚度6.1～6.3m(平均厚度6.2m)，地面標(biāo)高+790～+918m，井下標(biāo)高+560～+570m。12301工作面位于123盤區(qū)西南部，北側(cè)靠近12301運輸巷，南側(cè)為12109工作面采空區(qū)，東側(cè)為2#煤回風(fēng)大巷，西側(cè)為12301工作面切眼。12301工作面回風(fēng)巷平面布置如圖1所示。

圖1 12301工作面回風(fēng)巷平面布置圖

12301工作面回風(fēng)巷沿12109工作面采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，煤柱凈寬20m，掘進(jìn)期間將受12109工作面相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響。井下現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，伴隨巷道向前掘進(jìn)，12109工作面相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力對12301工作面回風(fēng)巷影響明顯，主要表現(xiàn)為：煤柱幫上部向巷道空間位移明顯，最大位移量接近200mm，多處(20m里程、70m里程、100m里程、120m里程、150m里程及170m里程)出現(xiàn)靠煤柱側(cè)頂板開裂或存在網(wǎng)兜、異型鋼板梁彎折，片幫等問題；回采側(cè)頂板與幫部暫未出現(xiàn)明顯問題。在生產(chǎn)地質(zhì)條件上，12302回風(fēng)巷與12301回風(fēng)巷基本一致，目前雖累計掘進(jìn)進(jìn)尺大約只有250m，但已開始出現(xiàn)與12301回風(fēng)巷類似問題。針對12301與12302回風(fēng)巷出現(xiàn)的異常礦壓顯現(xiàn)，迫切需要對礦方原有支護(hù)方案進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化，提高巷道圍巖控制水平。

3 高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)技術(shù)提出

3.1 礦方原有支護(hù)存在的問題

通過對王家?guī)X煤礦井下回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，主要存在以下幾方面問題：對支護(hù)系統(tǒng)中核心支護(hù)參數(shù)預(yù)緊力的作用認(rèn)識不足，預(yù)緊力偏低，初期支護(hù)強度小，支護(hù)系統(tǒng)剛度低，較低的支護(hù)剛度難以發(fā)揮錨桿主動支護(hù)作用優(yōu)勢；采用MSGLW-500/22左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，直徑21.6mm強力錨索，頂板錨桿預(yù)緊扭矩200N·m，幫錨桿預(yù)緊扭矩150N·m，錨桿預(yù)緊力10kN，錨索預(yù)緊力30～50kN，支護(hù)材料強度高但未發(fā)揮主動支護(hù)作用；支護(hù)設(shè)計主要依據(jù)經(jīng)驗、理論公式，設(shè)計無針對性和差異性，地質(zhì)力學(xué)參數(shù)匱乏，加固方案靠經(jīng)驗；錨桿、錨索布置在同一排且錨索間距有待調(diào)整；錨桿設(shè)計錨固力數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)有一定差距；錨桿支護(hù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)不合理；錨索張拉等待時間過短，錨桿存在二次預(yù)緊現(xiàn)象，部分錨桿(索)施工質(zhì)量不合格，存在錨桿托盤墊木托盤現(xiàn)象，聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量差；施工驗收標(biāo)準(zhǔn)低。

3.2 高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)技術(shù)

針對巷道頂板煤體破碎、巖體分布較多軟弱夾層且易離層冒落、煤柱幫移近、頂板開裂、片幫、穩(wěn)定性控制效果較差等問題，王家?guī)X煤礦與行業(yè)內(nèi)科研院所進(jìn)行合作，以期解決該礦大斷面托頂煤沿空巷道支護(hù)難題，改善井下巷道支護(hù)現(xiàn)狀，減輕工人勞動強度和支護(hù)密度，降低支護(hù)成本，為同類條件下巷道的支護(hù)提供參考和理論依據(jù)。

采用包括試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測和信息反饋、修正設(shè)計和日常監(jiān)測的動態(tài)信息設(shè)計方法；基于一次支護(hù)原則，高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則，“三高一低”原則，臨界支護(hù)強度與剛度原則，相互匹配原則，可操作性原則，經(jīng)濟合理性原則；提出采用樹脂加長錨固高預(yù)應(yīng)力強力錨桿、錨索組合支護(hù)系統(tǒng)控制掘采全過程12301回風(fēng)巷圍巖的穩(wěn)定性。具體支護(hù)方案如圖2所示，其中頂板錨桿預(yù)緊扭矩不低于400N·m，禁止超過550N·m，頂板錨索初始張拉預(yù)緊力不低于250kN；巷幫錨桿預(yù)緊扭矩不低于300N·m，禁止超過500N·m，煤柱幫錨索初始張拉預(yù)緊力不低于200kN。

圖2 12301工作面回風(fēng)巷錨桿(索)支護(hù)布置圖(mm)

4 工程實踐與綜合礦壓監(jiān)測

4.1 示范巷道施工與測站布置

礦壓監(jiān)測是動態(tài)信息設(shè)計方法的核心內(nèi)容之一。通過監(jiān)測錨桿(索)受力和巷道圍巖位移分布，可比較全面地了解錨桿(索)支護(hù)的工況，驗證或修改初始設(shè)計，保證巷道的安全。12301回風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)示范巷道施工范圍為從600m里程處至切眼處。在12301回風(fēng)巷示范巷道段共設(shè)置4個綜合礦壓監(jiān)測測站，分別位于650m里程、1050m里程、1200m里程及1230m里程處。每個測站包括2個巷道表面位移監(jiān)測斷面，1個頂板離層監(jiān)測斷面，1個錨桿受力監(jiān)測斷面，1個錨索受力監(jiān)測斷面，其中各測站錨桿(索)測力計布置如圖3所示。鑒于文章篇幅并考慮數(shù)據(jù)的完整性，本文僅以650m里程處綜合礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)為對象展開分析。

圖3 各測站錨桿(索)測力計布置示意圖

4.2 綜合礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1 錨桿(索)受力情況分析

頂板錨索受力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示，由圖4可以看出，頂板錨索初始施加張拉預(yù)緊力分別為215kN及198kN，分別占到錨索鋼絞線最大力504kN的43%及40%左右，達(dá)到高預(yù)應(yīng)力的效果(根據(jù)我國煤礦巷道條件、現(xiàn)有錨索規(guī)格及張拉設(shè)備，錨索預(yù)緊力應(yīng)為其拉斷載荷的40%～70%)[15]；隨巷道向前掘進(jìn)，頂板錨索受力均未出現(xiàn)明顯增加，基本能夠穩(wěn)定在一定數(shù)值左右；工作面回采期間，距測站200～600m范圍內(nèi)時，頂板錨索受力仍穩(wěn)定在一定數(shù)值，200m以內(nèi)范圍隨工作面逐步臨近測站，頂板錨索受力開始增加，但增速較緩，最大值在錨索鋼絞線最大力的70%左右。

圖4 頂板錨索受力監(jiān)測數(shù)據(jù)

頂板錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示，由圖5可以看出，頂板錨桿初始施加預(yù)緊力分別為125kN、165kN及119kN，分別占到頂板錨桿桿體屈服載荷189kN的66%、87%及63%，達(dá)到高預(yù)應(yīng)力的效果(根據(jù)國外經(jīng)驗，以及國內(nèi)部分礦區(qū)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合我國煤礦巷道條件與施工機具，一般可選擇錨桿預(yù)緊力為桿體屈服載荷的30%～50%)[15]；隨巷道向前掘進(jìn)，頂板錨桿受力未出現(xiàn)明顯增加，基本能夠穩(wěn)定在一定數(shù)值左右；本工作面回采期間，距測站超過200m范圍，頂板錨桿受力仍基本保持穩(wěn)定，200m以內(nèi)范圍隨工作面逐步臨近測站，頂板錨桿受力開始增加，但增速緩慢，最大值未超過錨桿桿體屈服載荷。

圖5 頂板錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)

巷幫錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，由圖6可以看出，幫部錨桿初始施加預(yù)緊力平均值分別為左幫(煤柱幫)40.5kN及55.6kN，右?guī)?0.5kN及42.4kN，分別占到幫部錨桿桿體屈服載荷157kN的26%、35%、26%及27%左右，基本達(dá)到高預(yù)應(yīng)力的效果；隨巷道向前掘進(jìn)，煤柱幫1號錨桿(上部)受力逐漸增加，最大值超過錨桿桿體屈服載荷達(dá)到229kN，其余幫部錨桿受力未出現(xiàn)明顯增加，基本能夠穩(wěn)定在一定數(shù)值左右；本工作面回采期間，隨工作面逐步臨近測站，巷幫錨桿受力仍保持穩(wěn)定，但煤柱幫上部錨桿受力始終處于超過錨桿桿體屈服載荷水平。

圖6 巷幫錨桿受力監(jiān)測數(shù)據(jù)

煤柱側(cè)幫錨索受力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示，由圖7可以看出，煤柱幫1號錨索(上部)初始施加張拉預(yù)緊力為45.6kN，占錨索鋼絞線最大力355kN的13%左右，未達(dá)到高預(yù)應(yīng)力的效果；隨巷道向前掘進(jìn)，煤柱幫錨索受力緩慢增加；本工作面回采期間，隨工作面逐步臨近測站，煤柱幫錨索受力持續(xù)增加，增速由開始緩慢到不斷增加，最大值在錨索鋼絞線最大力的27%左右。

4.2.2 圍巖表面位移情況分析

巷道圍巖表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示，由圖8可以看出，高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)下，巷道掘進(jìn)期間圍巖未出現(xiàn)大的變形與破壞；隨巷道向前掘進(jìn)，頂?shù)装迮c兩幫移近已穩(wěn)定，頂板最大下沉量在5mm左右，未出現(xiàn)明顯底鼓，兩幫最大移近量在4mm左右，頂板變形程度依次要大于底板及兩幫；本工作面回采期間，距測站超過200m范圍，圍巖變形基本保持穩(wěn)定，200m以內(nèi)范圍隨工作面逐步臨近測站，圍巖變形開始增加，增速不斷加大，頂板下沉量最大值達(dá)到50mm，底鼓量最大值達(dá)到230mm，兩幫移近量最大值達(dá)到525mm(煤柱幫移近占比超過80%)；無論是變形量還是速率，兩幫移近都要一次高于底鼓及頂板下沉；整個巷道服務(wù)期間，雖然煤柱幫仍有較大量值的移近，但頂板穩(wěn)定，起底量大大減小，巷道斷面滿足機尾超前架移動等需求，完全可保證安全生產(chǎn)。

4.2.3 頂板離層

12301回風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)示范巷道段在掘采全過程均未出現(xiàn)明顯離層，結(jié)合錨桿(索)受力及圍巖表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明示范巷道服務(wù)全過程頂板穩(wěn)定性較好。

4.3 技術(shù)經(jīng)濟效益分析

礦方原有支護(hù)下12301回風(fēng)巷正規(guī)循環(huán)進(jìn)尺12.6m，高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)下12301回風(fēng)巷正規(guī)循環(huán)14m，高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)同礦方原有支護(hù)相比，正規(guī)循環(huán)提高11%(1.4m)。

5 結(jié) 論

1)王家?guī)X煤礦2#煤層應(yīng)力場類型為σH>σV>σh型，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NWW方向；頂板與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體完整性一般，巖層較軟，局部存在裂隙；2#煤強度主要集中在8～16MPa，頂板泥巖巖層強度主要集中在30～50MPa左右，細(xì)粒砂巖巖層強度主要集中在50～80MPa左右。

2)12301回風(fēng)巷掘進(jìn)期間異常礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為：煤柱幫上部向巷道空間位移、搓頂明顯，最大位移量接近200mm，多處出現(xiàn)靠煤柱側(cè)頂板開裂或存在網(wǎng)兜、異型鋼板梁彎折，片幫等問題；回采側(cè)頂板與幫部暫未出現(xiàn)明顯問題。

3)礦方原有支護(hù)方案對支護(hù)系統(tǒng)中核心支護(hù)參數(shù)預(yù)緊力的作用認(rèn)識不足，預(yù)緊力偏低，初期支護(hù)強度小，支護(hù)系統(tǒng)剛度低，難以發(fā)揮錨桿主動支護(hù)作用優(yōu)勢；支護(hù)或加固設(shè)計主要依據(jù)經(jīng)驗、理論公式，設(shè)計無針對性和差異性，地質(zhì)力學(xué)參數(shù)匱乏；支護(hù)參數(shù)與構(gòu)件結(jié)構(gòu)不合理，施工操作不當(dāng)?shù)取２捎脛討B(tài)信息設(shè)計法并基于支護(hù)參數(shù)選擇原則，提出采用樹脂加長錨固高預(yù)應(yīng)力強力錨桿、錨索組合支護(hù)系統(tǒng)控制掘采全過程12301回風(fēng)巷圍巖的穩(wěn)定。

4)工程實踐與綜合礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：示范巷道實現(xiàn)了高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)，掘采全過程錨桿(索)受力基本保持穩(wěn)定；整個巷道服務(wù)期間，雖然煤柱幫仍有較大量值的移近，但頂板穩(wěn)定，起底量大大減小，巷道斷面滿足機尾超前架移動等需求，完全可保證安全生產(chǎn)；回采工作面超前支撐壓力影響范圍大概在200m以內(nèi)；高預(yù)應(yīng)力強力支護(hù)同礦方原有支護(hù)相比，技術(shù)經(jīng)濟效益明顯。