崔建兵

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 興縣 033602)

斜溝煤礦23105皮帶巷沿13#煤層底板掘進(jìn)，煤層平均厚度14.5 m，斷面面積達(dá)20.9 m2，與23103工作面采空區(qū)相鄰。其同類型巷道23101材料巷同樣臨近23103采空區(qū)，由于原巷道掘進(jìn)時(shí)兩幫采用d20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃鋼纖維錨桿支護(hù)，初始支護(hù)強(qiáng)度不足，其次該巷道距23103采空區(qū)凈煤柱寬度僅12 m，回采過程中，臨近采空區(qū)頂板的再次活動(dòng)同本工作面回采超前壓力相互疊加，動(dòng)壓顯現(xiàn)，在回采期間出現(xiàn)大量的螺紋鋼錨桿、玻璃鋼錨桿和錨索破斷現(xiàn)象，巷道兩幫位移量達(dá)到1.5 m以上。預(yù)測23105工作面回采過程中會(huì)對原本已經(jīng)相對穩(wěn)定的巖層產(chǎn)生二次擾動(dòng)，為避免23105皮帶巷出現(xiàn)同類問題，對巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)。

1 工程地質(zhì)條件及圍巖測試分析

斜溝煤礦23105工作面臨近23103采空區(qū)，凈煤柱寬度為20 m；13#煤層厚度平均為14.5 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度為4.0 m；直接頂為泥巖，平均厚度為5.0 m. 巷道沿底板掘進(jìn)，頂板10 m范圍強(qiáng)度測試結(jié)果見圖1，煤幫10 m范圍強(qiáng)度測試結(jié)果見圖2.

圖2 幫部煤體強(qiáng)度測試結(jié)果圖

1) 由圖1可知，頂板10 m范圍內(nèi)煤層強(qiáng)度上下波動(dòng)，頂煤強(qiáng)度最大為31.84 MPa，最低強(qiáng)度僅為9.58 MPa，平均強(qiáng)度為23.20 MPa，硬度普氏系數(shù)為2.3，孔口2.5 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高，因此相對應(yīng)的煤層強(qiáng)度也低，可見圍巖節(jié)理裂隙對于圍巖的強(qiáng)度具有顯著的影響，除孔口位置煤層強(qiáng)度低外，深部煤體的強(qiáng)度偏高。

2) 由圖2可知，煤層強(qiáng)度最低為11.86 MPa，最大為24.9 MPa，平均強(qiáng)度為17.7 MPa，幫部煤體的強(qiáng)度整體低于頂板煤體的強(qiáng)度，但是通過煤層強(qiáng)度可以看出，煤層的均一性較好，強(qiáng)度波動(dòng)幅度小，較為穩(wěn)定。

2 特厚煤層大斷面強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道穩(wěn)定性分析

2.1 巷道變形機(jī)理分析

特厚煤層采高大，工作面后方頂板隨著回采工作面向前推進(jìn)逐步垮落，采空區(qū)頂板的垮落會(huì)引起更大范圍頂板的活動(dòng)，礦壓顯現(xiàn)劇烈。采空區(qū)頂板的垮落不僅會(huì)引起頂板垂直方向的移動(dòng)，同時(shí)會(huì)引起水平方向移動(dòng)，且沿采空區(qū)側(cè)向煤柱上高復(fù)合應(yīng)力集中，使得煤柱和實(shí)體煤上方往往賦存著較大的動(dòng)態(tài)支承壓力，掘進(jìn)巷道時(shí)，會(huì)引起采空區(qū)的二次擾動(dòng)，見圖3. 而對于特厚煤層沿底掘進(jìn)巷道，巷道位于賦存高應(yīng)力的煤層，同時(shí)由于巷道的跨度達(dá)到5.5 m，高度達(dá)到3.8 m，巷道的跨度加大，使得巷道周圍的破碎區(qū)擴(kuò)大，表現(xiàn)為裂隙擴(kuò)展、散體滑動(dòng)和節(jié)理錯(cuò)動(dòng)等。頂板發(fā)生屈曲破壞的臨界應(yīng)力越小，頂板就越易失穩(wěn)，同時(shí)由于水平應(yīng)力集中容易引起巷道兩幫水平移動(dòng)，擠壓頂板折斷和底板鼓起。

圖3 沿空掘巷應(yīng)力分布狀態(tài)圖

2.2 強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分析

為了分析23103采空區(qū)殘余支承壓力對23105皮帶巷的影響，采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件UDEC，模擬計(jì)算了23103工作面采空后及23105皮帶巷掘進(jìn)期間圍巖的應(yīng)力變化及分布特征，模型尺寸為3 200 mm×1 200 mm. 23105皮帶巷沿23103采空區(qū)掘進(jìn)后煤柱上形成的支承壓力集中及圍巖屈服狀況見圖4，圖5.

圖4 支承壓力分布圖

圖5 圍巖屈服狀態(tài)圖

1) 工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化過程，同時(shí)特厚煤層綜放工作面頂板巖層垮落高度大，巖層活動(dòng)更為劇烈，導(dǎo)致煤柱中賦存著很大的動(dòng)態(tài)支承壓力，采空區(qū)穩(wěn)定需要經(jīng)歷很長時(shí)間，當(dāng)臨近巷道掘送及受回采影響時(shí)，對上覆巖層進(jìn)行再次擾動(dòng)，壓力顯現(xiàn)尤為劇烈。

2) 23105皮帶巷掘進(jìn)后，靠近采空區(qū)側(cè)煤體中支承壓力峰值為21.38 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.5，支承壓力峰值距離巷幫2.8 m，該應(yīng)力集中程度較23103工作面回采形成的支承壓力峰值提高20.8%；實(shí)體煤側(cè)支承壓力峰值為21.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.5，支承壓力峰值距離巷幫距離為2.3 m，支承壓力峰值略低于煤柱側(cè)。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論數(shù)值分析，以23105工作面地質(zhì)資料、13#煤現(xiàn)有工作面巷道支護(hù)狀況、地質(zhì)力學(xué)測試成果、理論分析及數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果作為支護(hù)形式與參數(shù)確定的依據(jù)，將23105皮帶巷掘進(jìn)斷面形狀設(shè)計(jì)為矩形，斷面寬度5 500 mm，高度3 800 mm，掘進(jìn)斷面積20.9 m2. 巷道沿13#煤層底板掘進(jìn)，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力樹脂錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行巷道支護(hù)，補(bǔ)償圍巖側(cè)向應(yīng)力損失，阻止圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂紋的擴(kuò)展。強(qiáng)化幫部支護(hù)，降低起錨高度，有效的減少由于應(yīng)力集中而引起的巷道底鼓問題，見圖6.

4 井下監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在巷道掘進(jìn)期間，對巷道的變形量進(jìn)行了監(jiān)測，

圖6 23105皮帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案圖

巷道表面位移曲線見圖7. 由圖7可以看出，23015皮帶巷作為強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道，掘進(jìn)期間巷道的整體變形量小。

圖7 巷道表面位移觀測曲線圖

5 結(jié) 論

1) 特厚煤層綜放工作面回采后礦壓顯現(xiàn)劇烈，在煤柱容易形成高垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致煤柱發(fā)生屈服破壞，須采取強(qiáng)力支護(hù)阻止圍巖的裂隙擴(kuò)展，防止圍巖變形進(jìn)一步惡化。

2) 針對特厚煤層大斷面強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道支護(hù)，采用高預(yù)緊力錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)巷道礦壓監(jiān)測，分析支護(hù)參數(shù)的合理性和可靠性。

3) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力頂幫耦合支護(hù)能夠有效控制特厚煤層大斷面強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道變形，強(qiáng)化施工質(zhì)量，取得了良好的效果。

4) 特厚煤層大斷面強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道，兩幫支護(hù)應(yīng)取消錨桿桿體抗剪、抗扭能力差的玻璃鋼錨桿，采用高預(yù)緊力錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)，補(bǔ)償圍巖側(cè)向應(yīng)力損失，阻止圍巖內(nèi)部節(jié)理、裂紋的擴(kuò)展。強(qiáng)化幫部支護(hù)，降低起錨高度，有效的減少由于應(yīng)力集中而引起的巷道底鼓問題。同時(shí)加強(qiáng)巷道礦壓監(jiān)測，準(zhǔn)確分析支護(hù)參數(shù)的合理性和可靠性。