郭 政

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，賦存條件較差的煤礦開(kāi)采也變得可行。孤島工作面是指在準(zhǔn)備進(jìn)行開(kāi)采的工作面周邊均為采空區(qū)。孤島工作面的開(kāi)采難度較大，危險(xiǎn)性較高，所以對(duì)孤島工作面巷道失穩(wěn)機(jī)理研究十分必要。本文以潞寧煤礦22116工作面風(fēng)巷為研究對(duì)象，對(duì)孤島工作面巷道破壞機(jī)理進(jìn)行研究分析，為孤島工作面的開(kāi)采提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 工程背景

潞寧煤礦22116工作面位于二二采區(qū)西南，位于22114和22118工作面中間，屬于孤島工作面，西北為未采動(dòng)區(qū)域，東南為二二采區(qū)軌道下山、皮帶下山、回風(fēng)下山巷道。工作面井下標(biāo)高為1037～1057m，工作面地面標(biāo)高為1466～1610m，工作面區(qū)域地層整體為一南東向傾斜的單斜構(gòu)造，煤層走向N48°W，傾向S138°E。該區(qū)域內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0m，平均厚度3.5m，煤質(zhì)編號(hào)為氣煤。22116綜采工作面巖層賦存情況如表1所示。

表1 22116綜采工作面巖層分布

在22116巷道掘進(jìn)過(guò)程中，斷面的頂板傾角大，上幫高達(dá)4.0m，容易片幫，導(dǎo)致幫部在沒(méi)有來(lái)得及支護(hù)之前，煤就已經(jīng)塌幫，對(duì)孤島工作面的回采造成了一定的影響。

2 孤島工作面失穩(wěn)機(jī)理

孤島工作面受到兩側(cè)采空區(qū)作用，在進(jìn)行開(kāi)采前上覆巖層就已經(jīng)出現(xiàn)局部的斷裂。觀測(cè)上覆巖層的縱切圖可以發(fā)現(xiàn)，上覆巖層呈現(xiàn)出“T”的形狀，所以被稱為“T”型結(jié)構(gòu)。孤島工作面的失穩(wěn)與此類結(jié)構(gòu)有著很大的關(guān)系。將孤島工作面上覆巖層類化為兩端固支梁，且上覆巖層共有n層，從下到上依次排列。如圖1所示。

圖1 巖層載荷計(jì)算圖

上覆巖層的載荷由n層共同承擔(dān)，所以有：

式中：

M-上覆巖層的彎矩；

Q-上覆巖層的剪切力；

Mi-上覆巖層第i層的彎矩；

Qi-上覆巖層第i層的剪切力。

上覆巖層的巖梁曲率與彎矩的關(guān)系為：

在巖梁彎曲過(guò)程中，巖梁的最大撓度和最大曲率分別為：

式中：

γi-第i層的巖梁容重；

Li-第i層的巖梁跨度；

Ei-第i層的巖梁彈性模量；

mi-第i層的巖梁厚度。

根據(jù)已知的巖層理論可知，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，上覆巖層會(huì)經(jīng)歷一個(gè)變化的連續(xù)過(guò)程，當(dāng)上覆巖層發(fā)生彎曲后，隨著工程擾動(dòng)的不斷增大，上覆巖層受到的拉應(yīng)力會(huì)超過(guò)其抗拉強(qiáng)度。此時(shí)的上覆巖層會(huì)發(fā)生分層、斷裂等情況，危害工作面巷道的穩(wěn)定性。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化

根據(jù)孤島工作面巷道失穩(wěn)機(jī)理，并參照22118風(fēng)巷錨桿支護(hù)初步設(shè)計(jì)，采用類比法確定了22116風(fēng)巷設(shè)計(jì)采用錨桿、錨索、鐵絲網(wǎng)和鋼筋托梁組合支護(hù)系統(tǒng)。支護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 22116風(fēng)巷支護(hù)示意圖

頂板支護(hù)：每排采用Φ22-M24-2400mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿5根，間排距為1000mm×900mm。采用樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，每根錨桿采用一支K2335型藥卷在上和一支Z2360型藥卷在下的錨固方式。鋪設(shè)經(jīng)緯網(wǎng)和Φ14mm的鋼筋托梁，所有錨桿配套使用尼龍阻尼墊圈及球型墊。錨桿的預(yù)緊力矩不小于400N·m，不大于550N·m，錨固力不得小于190kN。錨索為Φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度7300mm，垂直巷道頂板,每排2根，間距1800mm。錨索托板規(guī)格為300×300×16mm的鋼托板，拱高大于60mm。與錨索配套藥卷，采用一支K2335型藥卷在上和兩支Z2360型藥卷在下。預(yù)緊力不得小于250kN。

兩幫的支護(hù)：采用Φ22-M24-2400mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，每排4根，間距1000mm，排距900mm。采用樹(shù)脂藥卷錨固，每根錨桿采用一支Z2360錨固劑進(jìn)行錨固，鋪設(shè)經(jīng)緯網(wǎng)和Φ14mm的鋼筋托梁，所有錨桿配套使用尼龍阻尼墊圈及球型墊。錨桿的預(yù)緊力矩不小于400N·m，不大于550N·m。錨固力不得小于190kN?？坎煽諈^(qū)幫隔排打設(shè)2根Φ22mm4.3m長(zhǎng)錨索。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，巷道未及時(shí)支護(hù)之前，煤幫產(chǎn)生片幫現(xiàn)象，因此控制方案需要完善：

（1）筋網(wǎng)全封閉支護(hù)。針對(duì)巷道施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)掉渣空肩現(xiàn)象，為有效地對(duì)圍巖起到保護(hù)和支撐作用，能更好地把頂網(wǎng)和幫網(wǎng)連接成一個(gè)整體，增強(qiáng)了鋼筋網(wǎng)的支撐和傳遞力的作用，采用全封閉支護(hù)。

（2）縮小排距。由原來(lái)常規(guī)排距900mm改為800mm，并打設(shè)4.3m的幫錨索。

（3）加用木墊板。在錨桿托盤(pán)下加一層木墊板，能起到讓壓作用，增加彈性，減少托盤(pán)螺冒崩掉現(xiàn)象。

4 巷道控制效果

為了檢驗(yàn)22116孤島工作面成巷后的控制效果，在22116回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道頂板離層狀況進(jìn)行觀測(cè)。

4.1 巷道測(cè)站監(jiān)測(cè)方案

（1）頂板離層儀安裝在巷道頂板中部，每隔30m安裝一個(gè)離層儀，離層儀間距不得超過(guò)設(shè)計(jì)值±5m。

（2）巷道交叉點(diǎn)處安裝離層儀。22116風(fēng)巷錨桿支護(hù)參數(shù)是決定是否調(diào)整錨桿支護(hù)的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)有，根據(jù)工程實(shí)踐，初步確定3個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)在掘進(jìn)影響期間的指標(biāo)值如下：

A-錨固范圍內(nèi)頂板離層值，50mm；B-錨固范圍外頂板離層值，25mm；C-兩幫相對(duì)移近量，150mm。

4.2 巷道實(shí)際控制效果

（1）巷道表面位移

通過(guò)設(shè)置表面位移觀測(cè)測(cè)站對(duì)22116風(fēng)巷進(jìn)行礦壓觀測(cè)，巷道頂板下沉量平均為18mm，兩幫移近量平均為12mm。巷道表面位移量不大，說(shuō)明該巷道支護(hù)方案有效地控制了巷道圍巖的變形，支護(hù)效果比較理想。

（2）頂板離層

通過(guò)礦壓觀測(cè)可以看出，巷道頂板離層主要發(fā)生在錨固范圍內(nèi)，離層值最大為15mm，而錨固范圍外離層值較小，不超過(guò)10mm。巷道離層在距掘進(jìn)迎頭50m左右基本趨于穩(wěn)定。

（3）礦壓觀測(cè)分析

通過(guò)以上對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)資料的分析可以看出，巷道在掘進(jìn)期間總的變形量不大，并且在較短時(shí)間內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，充分說(shuō)明錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)是科學(xué)的、合理的，滿足巷道支護(hù)的要求。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)孤島工作面上覆巖層力學(xué)特性的分析，發(fā)現(xiàn)孤島工作面巷道失穩(wěn)破壞的本質(zhì)原因是由于兩側(cè)采空區(qū)造成上覆巖層的“T型”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；

（2）22116風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用設(shè)計(jì)后的孤島工作面巷道控制方案后，巷道表面位移量較小。巷道頂板下沉量平均為18mm，兩幫移近量平均為12mm，頂板的離層值最大為15mm，其余范圍離層值都明顯較小，不超過(guò)10mm；

（3）該研究結(jié)論不僅解決了潞寧煤礦的實(shí)際工程問(wèn)題，且為相似工程條件下的巷道支護(hù)提供借鑒思路，有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。