馬東正

（西山煤電古交煤焦公司， 山西 古交 030200）

引言

馬蘭礦南五下組煤采區(qū)設計8 號煤及9 號煤聯合布置，分層開采，采區(qū)不施工石門及采區(qū)煤倉。通過延伸南一下組煤采區(qū)準備巷道解決采區(qū)運煤、運料及通風系統(tǒng)；9 號煤布置輔助運輸巷及集中皮帶巷兩條準備巷道，回風復用8 號煤準備巷道。采區(qū)采用無軌膠輪車輔助運輸。

南五下組煤采區(qū)沿8 號煤層布置輔助運輸巷、集中皮帶巷和兩條集中回風巷，多巷并進。輔助運輸巷全長1 573 m，設計巷道寬5.7 m，高4.2 m，輔助運輸巷實為沿南一下組煤軌道下山延伸，與集中皮帶巷間留凈煤柱20 m，集中皮帶巷和集中回風巷間留凈煤柱19.5 m，兩條集中回風巷間凈煤柱寬度21.5 m。先掘進集中皮帶巷，隨后延伸輔助運輸巷，最后掘進兩條集中回風巷，屬于典型的巷道群掘進。四條采準巷道掘進屬于多巷道群開挖，巷道間相互作用影響較大，為此需要新型支護方式滿足巷道支護要求。

1 頂板圍巖結構窺視

為給南五下組煤采區(qū)巷道支護設計提供基礎參數，在8 號煤輔助運輸巷布置了地質力學測試站，測點頂板鉆孔深度22 m，首先利用鉆孔窺視儀觀察頂板圍巖的結構，掌握頂板巖層的結構面特征，為確定錨桿錨索預應力水平提供依據[1]。從鉆孔孔口位置連續(xù)拍攝了頂板巖層結構形態(tài)，如圖1 所示。鉆孔窺視圖片很清晰地呈現出頂板巖層巖性組成，以及巖層結構面的發(fā)育狀況，仔細分析可得出以下結論：

頂板10 m 范圍巖層主要由灰?guī)r、砂質泥巖及石灰?guī)r組成，不同巖性巖層厚度分布不穩(wěn)定，結構發(fā)育差別很大，灰?guī)r層結構致密，幾乎沒有裂隙，也不存在層理、節(jié)理等弱結構面，對于施工錨桿錨索非常有利；頂板錨桿錨索控制范圍巖層結構完整，易引起頂板離層的水平層理分布少，錨桿錨索施加適中的預應力就能夠保持巖層的穩(wěn)定。

圖1 巷道頂板鉆孔窺視結果

2 巷道群開挖應力分布特征分析

為了分析輔運巷以及相鄰巷道掘進過程中支承壓力分布特征，采用FLAC3D 數值軟件進行了巷道群應力特征分析[2]。

2.1 數值模型建立

采用大型FLAC3D 數值軟件進行模擬，根據實際地質條件建立模型，尺寸為120000×50000×35500 mm，劃分為216 000 節(jié)單元和231 842 個節(jié)點，如下頁圖2 所示。在建模過程中嚴格按照地質剖面圖的尺寸，坐標系采用直角坐標系，XOY 平面取為水平面，Z 軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標系符合右手螺旋法則。三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

2.2 數值計算結果分析

2.2.1 集中皮帶巷掘進

模擬按照四條采準巷道分布開挖順序，先掘進皮帶巷，巷道開挖后，下頁圖3 給出巷道兩側支承壓力分布曲線。

圖2 數值模型

圖3 支承壓力分布曲線

皮帶巷開挖后，破壞了原巖應力平衡狀態(tài)，應力由三向轉化成二向，重新分布后達到新的平衡。巷道兩側出現了應力集中，巷道左側距左幫2.2 m，垂直應力峰值為15.3 MPa，應力增高系數為1.55；巷道右側距右?guī)?.1 m，垂直應力峰值為15.4 MPa，應力增高系數為1.56；皮帶巷兩側支承壓力分布曲線基本呈對稱性，應力集中系數基本相當，垂直應力的最大值距兩幫距離基本相同；應力重新分布達到新的平衡后，距離巷道兩幫大約24 m，垂直應力才衰減到原巖應力狀態(tài)，表明皮帶巷開挖的影響范圍大致為24 m；皮帶巷兩側間隔凈煤柱約20 m，分別開挖輔助運輸巷和集中回風，兩巷道掘進處于皮帶巷開挖引起的應力集中區(qū)，但已經接近原巖應力，故而影響不大。

2.2.2 輔運巷掘進

皮帶巷開挖后，緊接著掘進輔助運輸巷，兩巷道都完成開挖后，巷道兩側垂直應力的分布特征見圖4 所示。

輔助運輸巷開挖后，巷道兩側也出現了應力集中，距右側巷幫1.9 m，垂直應力峰值為17.1 MPa，應力集中系數為1.73；距左側巷幫2.2 m，垂直應力峰值為17.2 MPa，應力集中系數為1.74；輔運巷開挖過程對已掘皮帶巷圍巖應力分布有影響，巷道兩側應力集中程度都有所增大，靠近煤柱側應力集中系數由原來的1.56 提高到1.61；遠離煤柱側應力集中系數由原來的1.55 增加到1.57；而影響范圍靠近煤柱側有所減小，遠離煤柱側有所擴大，但波動范圍很??；兩巷開挖后，煤柱支承壓力形成了類似馬鞍型分布特征，基本呈對稱型分布，煤柱右側應力集中略比左側大，而煤柱中央應力集中程度最低，應力集中系數為1.2，高于原巖應力，表明兩側巷道開挖，煤柱中央應力出現了應力疊加現象，煤柱中央也形成了高集中應力；煤柱寬度大小影響著支承壓力的分布特征，輔助運輸巷與集中皮帶巷間煤柱凈寬20 m，煤柱中央垂直應力仍然處于較高集中狀態(tài)，保持煤柱穩(wěn)定關系到兩側巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖4 支承壓力分布曲線

2.2.3 集中回風巷掘進

輔助運輸巷掘進完成后，開始掘進集中回風巷，支承壓力分布曲線見圖5。

圖5 支承壓力分布曲線

集中回風巷開挖后，巷道兩側出現了應力集中，右側應力最大達到16.4MPa，應力集中系數為1.66；左側應力最大值達到了15.9 MPa，應力集中系數為1.59；受到回風巷開挖的影響，皮帶巷圍巖應力分布發(fā)生了改變，巷道圍巖垂直應力都增大；而輔運巷圍巖垂直應力都減小；回風巷與皮帶巷間煤柱形成了對稱性的馬鞍型支承壓力分布特征，兩巷間煤柱寬度也為20 m，煤柱中央應力高于原巖應力，應力集中系數達到1.2，表明兩巷開挖后應力發(fā)生了疊加。但由于距輔運巷較遠，輔運巷受到影響很小。

按照掘進順序，四條采準巷道開挖后，煤柱內都出現了應力集中，三煤柱全部形成兩頭高中間低形狀的集中應力，煤柱中央應力全部由于疊加而大于原巖應力，整個煤柱內聚集了高集中應力，因此必須加強煤柱側支護。

3 巷道支護方式

目前錨桿錨索支護已經成為巷道最主要的支護方式，且預應力是錨桿支護的關鍵參數[7]。為此南五下組煤采區(qū)集中輔助運輸巷支護參數如下。

頂板采用“Φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿加W 鋼帶加錨索加鋼筋網”聯合支護，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm；錨索間距1.5 m，排距2.0 m，每排三根；兩幫采用四排Φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿加W 托盤加錨索加鋼筋網支護，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，最上排幫錨桿距頂板400 mm，“矩形”布置。幫錨索每隔2.0 m 布置2 根，距頂板1 000 mm 位置安裝1 根，間距1 800 m 再安裝1根，排距2 000 mm；頂錨索采用119 股高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱直徑Φ22 mm，長度5 300 mm，幫錨索長度4 300 mm。

設計錨桿預緊力矩≥400 N·m，錨索張拉力不低于250 kN。

4 井下試驗

在南五下組煤輔運巷中安裝了一個測站，包括兩個監(jiān)測斷面，來監(jiān)測巷道的位移狀況，如圖6 和圖7 所示[7-8]。

通過監(jiān)測數據發(fā)現，巷道兩幫的最大變形量為22 mm，頂底板的最大變形量為8 mm，巷道掘進迎頭在距測站25 m 范圍內時增長速度較快，主要是由于掘進后，圍巖向開挖空間移動，圍巖的應力重新分布，經過一定的時間后，巷道的圍巖趨于穩(wěn)定，表現為巷道表面位移量穩(wěn)定，同時可以看出，除去測量誤差的存在，巷道的變形量很小，巷道整體成形狀況良好。

5 結論

1）通過圍巖結構窺視，掌握了頂板巖層結構面特征，可以為合理選擇錨桿錨索預應力水平提供依據。

2）巷道群掘進過程會在煤柱上形成高應力集中，需加強煤幫支護。

3）解決采區(qū)準備巷支護難題不僅要提高支護強度，而且要合理選擇工作面停采線的位置。

4）采用預應力全長錨固錨桿支護系統(tǒng)能夠滿足巷道群支護要求，取得了良好的效果。

圖6 1 號測站a 斷面巷道位移量

圖7 1 號測站b 斷面巷道位移量