梁建明

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

隨著煤礦開采深度不斷延深，對巷道的支護(hù)技術(shù)提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。目前斜溝煤礦煤層巷道的支護(hù)方案存在著很大的提升空間[2]。由于斜溝煤礦以往的工作面采用的支護(hù)形式是鄰近礦井的的支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)[3]，煤層巷道出現(xiàn)了兩幫變形和頂板離層的現(xiàn)象[4-6]，對本礦職工的生命安全形成了較大的威脅[7]。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測，研究單一厚煤層的支護(hù)方案[8]，以為今后單一厚煤層的支護(hù)問題選擇更合理的支護(hù)方案[9-10]。

1 工作面概況

斜溝煤礦23107工作面位于21采區(qū)回風(fēng)上山北側(cè)，西側(cè)、北側(cè)為實(shí)煤區(qū)，東北側(cè)為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區(qū)，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區(qū)，上部東側(cè)為18101、18115采空區(qū)和原斜溝煤礦8號煤采空區(qū)。工作面位于店灣村東南側(cè)，東北部有馬麻墕塔溝，黃家溝橫穿工作面中南部。地表為黃土梁、峁，地形起伏較大，山坡較陡，地表被巨厚層黃土覆蓋。工作面蓋山厚度：142～354m。工作面標(biāo)高為+791～+852，地面標(biāo)高為+983～+1182。

該工作面主采13#煤層，共布置皮帶巷、材料巷兩條，巷道形狀都為矩形，材料巷尺寸為5.2m，3.6m，皮帶巷尺寸為寬5.5m，高3.8m。23107綜放工作面采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤方法進(jìn)行回采，工作面采高為3.6m，放煤高度10.75m，采放比約為1：2.99，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距均為0.8m，頂板采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，13#煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 23107工作面頂?shù)装迩闆r

2 新支護(hù)方案提出

斜溝煤礦在設(shè)計工作面時，巷道支護(hù)方案常參考相鄰工作面以確定巷道支護(hù)的形式與參數(shù)。斜溝礦23107工作面兩巷選擇12根強(qiáng)錨桿來支護(hù)，具體形式如圖1所示。采用Φ22×2000mm的錨桿，布置形式為1000mm排距，900mm的間距。

采用十字型考察法來監(jiān)測23107皮帶巷巷道變形情況，每隔100m設(shè)置一個觀測點(diǎn)，每個測點(diǎn)的變形情況見表2，應(yīng)力變化情況見表3。

表2 23107皮帶巷變形位移情況

表3 23107皮帶巷應(yīng)力監(jiān)測情況

圖1 23107皮帶巷舊支護(hù)方案

通過查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)巷道在開挖后，將形成自由空間，在其巖體產(chǎn)生自轉(zhuǎn)平衡運(yùn)動，因此巖體將會成為近乎于拋物線的穩(wěn)定形狀，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)的拱高是h0，拱跨長度是2a，其中θ為巖體的內(nèi)摩擦角[4-6]。

冒落拱的拋物線方程是：

圖2 巷道圍巖冒落拱示意圖

通過在井下實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)巷道掘成以后，形成一個穩(wěn)定嚴(yán)密的橢圓形冒落拱，在一定的巖層重力作用下，橢圓形冒落拱開始緩慢變形最后垮落，此階段內(nèi)壓力拱逐步升高，最后修正普氏拱形成。天然拱的高度可用如下公式表達(dá)：

式中，f為煤巖體的堅固性系數(shù)，對于煤來說一般取1.5～2.5；B為滑動楔形上頂寬度的一半，這里取3；M為安全系數(shù)，取2。

帶入數(shù)據(jù)計算得到冒落拱的高度是2.6～4.2m。

3～4m的冒落拱高度超過巷道所選用錨桿的長度（2m），致使錨桿因長度過短不能很好支護(hù)住巷道頂板，發(fā)生頂板巖體破碎冒落。雖然錨索可以支護(hù)住巷道頂部的巖體，但因?yàn)橄锏揽缍乳L，加上巷道周圍有斷層降低了圍巖的堅固系數(shù)、錨索的低延伸率，同時存在人為和施工等不確定因素，致使部分錨索未能發(fā)揮出良好的支護(hù)效果，給巷道產(chǎn)生冒頂事故種下隱患。

在總結(jié)對比巷道不同支護(hù)方法優(yōu)缺點(diǎn)，在理論結(jié)合實(shí)際、安全與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的原則下，因斜溝煤礦井下巷道跨度較大，23107皮帶巷的支護(hù)留下嚴(yán)重問題，提出新的支護(hù)方案：如果巷道斷面是矩形，則巷道頂板選用3根Ф22×5000mm的錨索和3根Ф22×2000mm的錨桿聯(lián)合支護(hù)形式，如圖3所示，新方案可以充分消除巷道頂板沿角滑移和巷道兩角破壞。

圖3 23107皮帶巷新支護(hù)方案

3 新支護(hù)方案監(jiān)測分析

結(jié)合斜溝煤礦煤巷的實(shí)際情況，得到巷道支護(hù)監(jiān)測指標(biāo)，具體見表4。監(jiān)測內(nèi)容主要有巷道頂板、兩幫的位移量，巷道頂板錨桿、兩幫錨桿和頂板錨索的受力情況，巷道錨索的受力情況。

表4 皮帶巷綜合監(jiān)測監(jiān)控指標(biāo)

依據(jù)監(jiān)控指標(biāo)，采用十字型考察法研究分析巷道頂板、兩幫位移情況。監(jiān)控儀器選用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的CM-300型測力錨桿儀器和煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司生產(chǎn)的新型GYS-600錨索測力儀器。CM-300型測力錨桿儀器用來監(jiān)測監(jiān)控井下巷道錨桿受力情況，GYS-600錨索測力儀器用來監(jiān)測監(jiān)控巷道錨索的受力情況。通過收集井下連續(xù)210天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析軟件繪制對比圖4-圖8。

從圖4、圖5發(fā)現(xiàn)：新支護(hù)方案較舊支護(hù)方案兩幫及頂板位移量都明顯減小。相對舊支護(hù)方案頂板位移量減小110mm，兩幫位移量減小56mm。新支護(hù)方案巷道圍巖變形量在初期呈增大趨勢，在巷道前期運(yùn)動中圍巖變化劇烈，但后期圍巖變形量開始減小，圍巖變形速度逐漸降低，巷道圍巖向著穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)展，最終保持在42mm，表明巷道采用新支護(hù)方案后取得了良好支護(hù)效果，有效抑制住巷道變形。

通過圖6、圖7發(fā)現(xiàn)23107皮帶巷頂板最大受力值為62kN，巷道側(cè)幫錨桿受力由于錨桿位置不同，受力情況也有所不同。分析巷道兩幫錨桿受力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3#、7#錨桿因?yàn)椴贾糜谙锏纼蓭偷淖钌喜课?，受力不大，最大受力值僅為28kN。而1#、9#錨桿受到巷道兩幫作用力較大，最大受力值高達(dá)75kN，相對錨桿的最大屈服力153kN而言，仍然有很大的富裕系數(shù)。所以錨桿能夠充分達(dá)到巷道安全支護(hù)的要求。

由圖8得到：巷道頂板12#錨索最初的受力值為25kN，證明在錨索施工完畢后張拉預(yù)緊力未達(dá)到錨索設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)100kN。10#、11#錨索滿足張拉預(yù)緊力的標(biāo)準(zhǔn)且受力呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)，上升速度緩慢，150天后受力升高到150kN，且保持穩(wěn)定狀態(tài)，能有效控制住頂板，減小頂板的下沉量。同時發(fā)現(xiàn)所有錨索的最大承受載荷明顯小于錨索的拉斷載荷353kN，錨索的托錨力是錨索拉斷載荷的1/2，仍有很大的富裕量，能夠有效抑制的巷道變形，巷道支護(hù)效果良好。

圖4 23107皮帶巷巷道頂板變形對比圖

圖5 23107皮帶巷巷道兩幫變形對比圖

圖6 23107皮帶巷頂板錨桿受力示意圖

圖7 23107皮帶巷兩幫錨桿受力示意圖

圖8 23107皮帶巷頂板錨索受力示意圖

4 結(jié) 論

1）采用普通錨桿、錨索、鋼筋錨網(wǎng)和W鋼帶聯(lián)合支護(hù)后，23107皮帶巷圍巖變形量明顯減少，錨桿、錨索的受力情況均滿足巷道安全支護(hù)的要求。

2）厚煤層煤巷難易維護(hù)，且成本昂貴。實(shí)施新支護(hù)方案后，23107皮帶巷支護(hù)效果明顯改善，降低巷道的維修管理費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

3）通過現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控，優(yōu)化巷道的支護(hù)支護(hù)參數(shù)，不但能達(dá)到安全生產(chǎn)的目的，還為今后研究巷道支護(hù)工作產(chǎn)生積極的影響。