樊 強(qiáng)

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)天安煤礦有限公司，山西 靜樂(lè) 035100）

1 工程概況

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)天安煤礦有限公司位于靜樂(lè)縣城東北37 km 處，采用斜井開(kāi)拓方式，可采煤層為2號(hào)、5 號(hào)煤層。礦井采用一個(gè)水平開(kāi)采，開(kāi)拓水平為1372 m。20103 放頂煤工作面位于井田西部，北至井田礦界，南部為201 采區(qū)三條下山，東部為20101 回采工作面，西部為規(guī)劃20105 回采工作面，埋藏深度為148～285 m。2 號(hào)煤層位于太原組頂部，煤層厚度1.98～11.18 m。20103 工作面的煤層平均厚度為5.6 m，具有北薄南厚的賦存特征。2 號(hào)煤層堅(jiān)固性系數(shù)約為0.5893，直接頂板、底板均為泥巖，抗壓強(qiáng)度為16.59 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.25 MPa。對(duì)20103 工作面有影響的斷層共4 條，分別為DF3、DF4、DF7 和DF8，全部為正斷層。工作面采用“U”形通風(fēng)，回采工作面布置運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽均沿2 號(hào)煤底板布置。20103 運(yùn)輸順槽采用小煤柱沿空掘巷，與20101 回風(fēng)順槽間煤柱寬度為5.0 m，20103 運(yùn)輸順槽開(kāi)口段掘進(jìn)期間，圍巖變形破壞嚴(yán)重，需提出更為有效的圍巖控制方案。

2 20103 運(yùn)輸順槽原有支護(hù)及變形特征

2.1 原有支護(hù)方案

依據(jù)20103 工作面具體的地質(zhì)條件，20103 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)約25 m 時(shí)將揭露DF3 斷層（正斷層，落差約4.5 m）?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程首先進(jìn)行開(kāi)口段25 m的掘進(jìn)的支護(hù)，掘進(jìn)寬度為5.6 m，高度為3.4 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。頂板錨桿規(guī)格為Φ20×2000 mm 左旋螺紋鋼，同排錨桿間距為1000 mm，排與排間隔為900 m，同排錨桿間配合H 型鋼帶支護(hù)，所有錨桿垂直頂板施工；頂板錨索采用Φ17.8×6200 mm 的鋼絞線，采用“二零二”布置方式，間排距2000×1800 mm，錨索沿巷道軸線方向通過(guò)W 型鋼帶連結(jié)，錨索垂直頂板安裝。幫部錨桿的規(guī)格和間排距與頂板錨桿相同，所有錨桿沿水平方向垂直巷幫安裝。

2.2 巷道變形特點(diǎn)

20103 運(yùn)輸順槽開(kāi)口段采用上述的支護(hù)方式，成巷后出現(xiàn)明顯的變形、破壞。為全面掌握圍巖的破壞特征，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，整理總結(jié)得到巷道的變形破壞特征：斷面顯著縮小，巷道頂板明顯下沉，兩幫中部?jī)?nèi)移明顯；圍巖變形呈現(xiàn)非對(duì)稱特性，靠近煤柱幫側(cè)的頂板下沉量明顯大于實(shí)體煤側(cè)，實(shí)體煤幫的內(nèi)移量明顯大于煤柱幫；巷道淺部圍巖破碎嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)大量網(wǎng)兜，兩幫片幫明顯；煤柱側(cè)底角和肩窩處內(nèi)移明顯。

3 “三軟”厚煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

3.1 圍巖變形破壞原因分析及控制原理

20103 運(yùn)輸順槽圍巖條件屬于典型的“三軟”煤巷留小煤柱沿空掘巷[1-2]，其變形破壞的原因可從三個(gè)方面進(jìn)行分析：

（1）地質(zhì)條件。巷道兩幫及頂板為松軟破碎的煤體，底板巖層強(qiáng)度較低，圍巖強(qiáng)度較低，整體性差，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)期間圍巖變形速度較快，且淺部圍巖難以控制，形成網(wǎng)兜、片幫等現(xiàn)象。

（2）開(kāi)采技術(shù)條件。2#煤層厚度1.98～11.18 m，煤層較厚且厚度變化較大，巷道與鄰近的20101 工作面間煤柱寬度僅為5.0 m。由于臨近工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響和上覆巖層關(guān)鍵塊體B 的不均衡載荷作用，導(dǎo)致巷道圍巖變形呈現(xiàn)不對(duì)稱性。

（3）支護(hù)條件。原有支護(hù)條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的初始剛度較小，主動(dòng)承載性能無(wú)法有效發(fā)揮，引發(fā)淺部圍巖松動(dòng)破壞范圍逐漸擴(kuò)展，且支護(hù)強(qiáng)度較低，逐漸引發(fā)巷道圍巖的整體性失穩(wěn)。

結(jié)合20103 運(yùn)輸順槽的變形特點(diǎn)及原因，提出“三軟”煤巷沿空掘巷關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，通過(guò)以下三種措施改善其支護(hù)效果：增大錨桿錨索的預(yù)緊力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度；減小錨桿錨索的布置間距，提高支護(hù)強(qiáng)度；調(diào)整靠近底角和肩窩處錨桿的安裝角度，增大實(shí)體煤幫和頂板錨桿的長(zhǎng)度，采取針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 支護(hù)方案

提出三個(gè)支護(hù)方案。

方案一為原有支護(hù)方案。

方案二相對(duì)方案一提高了支護(hù)強(qiáng)度和剛度。即：頂板和兩幫錨桿規(guī)格不變，將間排距減小為800×800 mm，頂板和兩幫每排各增加一根錨桿，頂板錨桿沿垂直方向施工，兩幫錨桿沿水平方向施工，錨桿安裝時(shí)預(yù)緊力由20 kN 增大為40 kN；頂板錨索規(guī)格不變，由原來(lái)的“二零二”布置改為五花布置，間排距2200×800 mm，錨索預(yù)緊力由100 kN增大為150 kN。其支護(hù)斷面如1 所示。

圖1 支護(hù)方案二

方案三相對(duì)于方案二針對(duì)性地提高頂板和實(shí)體煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，并進(jìn)行底角、肩窩針對(duì)性控制，調(diào)整靠近底角、肩窩處錨桿的布置形式。頂板和實(shí)體煤幫錨桿長(zhǎng)度增大為2400 mm，頂板錨桿向巷道外側(cè)傾斜15°，幫部靠近頂?shù)装宓腻^桿同樣向頂板和底板偏移15°。具體支護(hù)情況如圖2 所示。

圖2 支護(hù)方案三

3.3 支護(hù)效果模擬研究

為驗(yàn)證支護(hù)方案的支護(hù)效果，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究分析[3-4]，模擬20103 運(yùn)輸順槽的掘進(jìn)。模型尺寸為（長(zhǎng)寬高）210×80×92 m，模型下部為固定邊界，限制模型四周的水平位移，頂面施加5.5 MPa 的均布載荷，模型如圖3 所示。模擬時(shí)先進(jìn)行臨近工作面的開(kāi)挖，之后留設(shè)5.0 m的護(hù)巷煤柱進(jìn)行巷道掘進(jìn)。

圖3 數(shù)值模型示意圖

不同支護(hù)方案條件下，20103 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間圍巖變形主要集中在頂板和實(shí)體煤幫，統(tǒng)計(jì)巷道頂板的下沉量和實(shí)體煤幫位移量，得到圖4所示的結(jié)果。

圖4 不同支護(hù)方案條件下掘巷期間圍巖位移曲線

由圖可以看出，支護(hù)方案一條件下，頂板和實(shí)體煤幫最大位移量分別為237 mm、208 mm；支護(hù)方案二條件下，頂板和實(shí)體煤幫最大位移量分別為176 mm、158 mm，相比方案一分別減小了25.7%、24.0%，圍巖位移量明顯減小，圍巖穩(wěn)定性顯著提高；支護(hù)方案三條件下，頂板和實(shí)體煤幫最大位移量分別為155 mm、129 mm，相對(duì)于方案二分別減小了11.9%、18.35%，圍巖的位移量進(jìn)一步減小，圍巖穩(wěn)定性明顯提高。綜上分析可知，20103 運(yùn)輸順槽采用支護(hù)方案三，能夠更好的控制圍巖的失穩(wěn)破壞。

4 應(yīng)用效果綜合評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證20103 運(yùn)輸順槽采用支護(hù)方案三的支護(hù)效果，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)20103 運(yùn)輸順槽的變形情況及頂板巖層離層情況。巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，成巷約15 d 后圍巖位移不再增大，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在154 mm 左右，兩幫移近量穩(wěn)定在114 mm 左右，巷道圍巖位移量很小，圍巖控制效果明顯。頂板巖層離層情況監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，淺部基點(diǎn)（3 m）累計(jì)位移量約為45 mm，深部基點(diǎn)（7 m）累計(jì)位移量約為53 mm。深部和淺部基點(diǎn)間的相對(duì)位移量始終小于10 mm，表明該支護(hù)方案能夠形成整體的承載結(jié)構(gòu)，確保了巷道圍巖的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)20103 運(yùn)輸順槽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析總結(jié)得到圍巖變形的特征，探討其內(nèi)在原因，依據(jù)原有錨網(wǎng)索支護(hù)方案提出高強(qiáng)錨索支護(hù)技術(shù)，從提高支護(hù)體系的強(qiáng)度、剛度及針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)三個(gè)方面進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)化，數(shù)值模擬研究驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明優(yōu)化的支護(hù)方案充分發(fā)揮圍巖的自承能力，形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，巷道圍巖整體穩(wěn)定，取得了顯著的圍巖控制效果。