宋志強

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000）

井工開采是我國對煤炭資源進行回采的主要形式[1]，需要在地下深部布置大量的巷道，隨著賦存條件較好的煤炭資源日益枯竭，賦存條件較差的煤炭資源逐漸成為了人類開采的主要對象[2]。巷道在掘進過程中容易受到鄰近采空區(qū)、圍巖破碎帶以及斷層的影響[3-4]，若支護不當，巷道圍巖中的節(jié)理裂隙等弱面會進一步被破壞，甚至誘發(fā)巷道產生大范圍的變形，直接影響礦井的正常安全生產[5-6]。因此，在復雜地質條件下對巷道圍巖進行及時有效的支護已成為了當前諸多學者的主要研究課題。

三元煤礦南翼主皮帶巷在掘進過程中揭露圍巖破碎帶，在破碎帶的影響下，巷道圍巖變形量較大，先掘后修的現象頻繁，嚴重影響礦井的正常生產效率。探究該巷道的破壞原因并對原支護方案進行相應的優(yōu)化已成為了當前急需解決的主要任務。

1 工程概況

三元煤礦南翼皮帶巷屬于南翼采區(qū)運煤巷道，位于二疊系下統(tǒng)山西組下部的3#煤層，周圍有1302 采空區(qū)和南翼總回風大巷。巷道在掘進的過程中沿3#煤層頂板掘進，掘進總長度2190 m。巷道采用矩形斷面，掘進寬度為4.2 m，掘進高度為3.1 m，采用錨桿+鋼帶+網+錨索對其進行聯合支護。具體的支護形式為頂錨桿采用等間距布置，每排6 根，間距0.7 m，排距1 m，其中4 根垂直頂板布置，兩肩角錨桿垂線方向外斜20°布置，分距煤幫350 mm。頂錨索采用二二支護，分別布置在距巷道中線左右兩側1.3m 處，排距為1 m，幫錨桿每排每幫布置4 根，間距800 mm（靠頂板兩根錨桿間距600 mm），排距1 000 mm。幫上部錨桿水平方向上斜20°布置，距頂400 mm；幫下部錨桿水平布置，距底500 mm。如圖1 所示。錨桿選用Φ20×2400 mm 的螺紋鋼，預緊力45 kN，錨索選用Φ17.8 mm 七股高強度低松弛預應力鋼絞線（長度6.4 m），預緊力為100 kN。

圖1 巷道斷面支護圖

當巷道掘進至1056 m 處時揭露圍巖破碎帶，在現有支護形式下巷道發(fā)生了嚴重的變形破壞現象。主要表現為：

（1）明顯的頂板下沉、兩幫片幫現象，巷道圍巖表面表現出了較強的整體收斂和破壞。

（2）巷道圍巖變形速度較快，且持續(xù)時間較長。

（3）巷道變形破壞的位置支護結構受力不均勻，特別是頂板鋼帶，出現了嚴重的彎曲變形。

（4）頂板大量的錨桿（索）被拉斷。

2 圍巖原位探測

2.1 巷道圍巖力學參數測試

巷道頂底板巖層的分布狀況以及各巖層的物理力學參數對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響。為了探究該巷道的破壞原因，在巷道掘進至圍巖破碎帶處(距巷道開口位置1204 m 處)的頂底板選取合適的位置進行打鉆取芯，對所取巖芯進行加工、密封后將其帶回實驗室，使用巖石力學試驗機對各巖層試塊的力學參數展開測試，將最終的測試結果以及圍巖賦存狀況列于表1 中。

表1 巷道頂底板圍巖力學參數測試結果統(tǒng)計表

由表1 可知南翼皮帶巷底板為3#煤，該煤層密度較低，抗壓強度較弱，頂板有一層約為0.6 m 的偽頂。經測試結果顯示，該偽頂的主要成分為粉砂巖，強度較低且層間粘聚力較弱，在掘進擾動等因素影響下易于垮落。偽頂之上為3.4 m 的粗砂巖和2.6 m的粉砂巖，這兩層巖層的抗壓強度低于同類巖層，且圍巖內部裂隙較為發(fā)育。細砂巖之上則為粉砂巖，該巖層的圍巖完整性相對較好，抗壓強度較高。

2.2 頂板圍巖原位窺視

為了掌握巷道頂板圍巖內部的破碎情況，在頂板選取合適的位置布置窺視孔并使用巖層鉆孔探測儀對其展開窺視。在窺視過程中累計窺視深度達到了10 m。圖2 為巷道頂板的窺視結果。

圖2 巷道頂板圍巖窺視結果

從圖中可以看出，巷道頂板1.6 m 深處圍巖較為破碎，出現了嚴重的塌孔現象；頂板2.4 m 深處縱向裂隙發(fā)育，且有著較為明顯的離層；3.4 m 處出現了一條環(huán)向裂隙且裂隙張開度較大；而5.6 m處孔壁較為粗糙，微小裂隙較多，圍巖完整性相對較差。距頂板表面6.6 m 深處以上的圍巖完整性較好，這與頂板圍巖的力學參數測試結果相一致。

2.3 頂板圍巖可錨性測試

巷道掘進至圍巖破碎帶處，由各巖層的物理力學參數測試及窺視結果可知，巷道頂板較淺部巖層強度較低且圍巖內部較為破碎。為了確定該段巷道頂板的可錨性，在頂板布置6 根錨桿并對其錨固力展開測試，測試結果顯示這6 根錨桿的錨固力均大于75 kN，由此可知處于圍巖破碎帶處的巷道仍具有較強的可錨性。

3 巷道破壞原因

（1）巷道在掘進過程中揭露圍巖破碎帶，距頂板表面6.6 m 范圍內的圍巖強度整體偏低，且內部裂隙發(fā)育，局部地區(qū)圍巖破碎較為嚴重。

（2）處于破碎帶處的巷道頂板錨桿的錨固力大于75 kN，具有較強的可錨性，而在實際過程中錨桿預緊力僅為45 kN,不能對頂板圍巖形成有效的支護，上覆巖層的重量逐漸向兩幫轉移，進而造成兩幫片幫現象的發(fā)生。

（3）巷道支護時所采用的錨桿、錨索強度偏低，在強大的頂板壓力下容易發(fā)生破斷，巷道圍巖變形較大的現象得不到有效遏制。

（4）巷道附近為采空區(qū)，靠近采空區(qū)一側的煤柱側向支撐壓力較大，且在掘進擾動的影響下，該巷道的圍巖穩(wěn)定性會進一步變差。

4 優(yōu)化支護

根據南翼皮帶巷變形破壞的原因，對原支護方案做出如下優(yōu)化：

（1）巷道頂板以及幫部錨桿間排距不變，錨桿選用Φ22×2400 mm 的螺紋鋼，距巷道頂板中心左右0.7 m 處分別安裝1 根Φ20×2400 mm 注漿管，將頂板錨索改用為Φ22×6400 mm 的注漿錨索，第一排在距巷道中線左右兩側1.3 m處分別布置一根，第二排在巷中布置一根，依次循環(huán)。

（2）在錨桿安裝的過程中將預緊力統(tǒng)一提升至80 kN，錨索預緊力統(tǒng)一提升至145 kN。

（3）注漿材料選用水泥-水玻璃漿液，其中水灰比為1:1，依據巷道頂板圍巖的裂隙發(fā)育程度以及圍巖破碎狀況，設定的注漿壓力不超過2 MPa。優(yōu)化后的巷道斷面支護如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的巷道斷面支護圖

5 現場監(jiān)測

巷道采用優(yōu)化方案治理后，對其圍巖變形量展開了為期一個月的現場監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖4 所示。

從圖中曲線可以看出，在原支護方案的治理下巷道圍巖變形量較大，其中頂底板收斂量達到了231 mm，兩幫移近量達到了332 mm，而使用優(yōu)化方案對巷道進行治理后，巷道頂底板收斂量、兩幫移近量分別驟減至38 mm 和57 mm，與原支護方案相比分別減少了83.5%和82.8%，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較好的控制。

圖4 巷道圍巖變形隨監(jiān)測時間變化曲線

6 結論

（1）南翼皮帶巷圍巖破碎帶處頂板6.6 m 范圍內圍巖強度較低且完整性較差，再加上掘進擾動，所選用的錨桿（索）強度較弱，支護強度整體偏低，在這些因素的共同影響下，巷道圍巖變形嚴重。

（2）依據巷道破壞原因提出采用增加錨桿（索）直徑+加大支護強度+頂板圍巖注漿的聯合支護措施對其進行治理。監(jiān)測結果顯示，在該優(yōu)化方案的治理下巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較大提高。