高 峰

（霍州煤電集團(tuán)什林煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

什林煤業(yè)公司井下巷道變形主要集中在掘進(jìn)影響期間，掘進(jìn)期間巷道圍巖內(nèi)頻繁煤炮，為強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)巷道，此類巷道頂板離層變化大、變化快。本文對(duì)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征、變形原因和機(jī)理進(jìn)行了分析，有針對(duì)性地提出了大變形控制支護(hù)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，支護(hù)效果理想[1]。

1 巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征及變形原因

霍州煤電集團(tuán)什林煤業(yè)公司位于霍州市退沙村后溝，井田面積9.500 9 km2，保有儲(chǔ)量7 033.0 萬t，設(shè)計(jì)能力90 萬t/a。在什林煤業(yè)公司井下巷道中，實(shí)體煤掘進(jìn)巷道的變形較大，在掘進(jìn)過程中常出現(xiàn)煤炮、煤壁片幫和冒頂?shù)葟?qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。分析可知，實(shí)體煤掘進(jìn)巷道礦壓顯現(xiàn)的原因是受沖擊載荷影響，從而造成巷道圍巖破壞嚴(yán)重、變形量較大。什林煤業(yè)井下屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，側(cè)壓系數(shù)λ=1.33～1.99，煤體強(qiáng)度為18～20 MPa。分析可知礦4#和5#煤層巷道大變形主要是因?yàn)橄锏赖闹ёo(hù)方式不合理，無法對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制，導(dǎo)致巷道圍巖變形量較大[2]。

2 巷道圍巖控制思路及機(jī)理分析

當(dāng)前，錨桿支護(hù)技術(shù)仍然是煤礦井下沖擊性巷道的首選支護(hù)方式[3]。天地科技公司鞠文君教授[4]認(rèn)為沖擊礦壓巷道采用錨桿支護(hù)的工作原理為：錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖的強(qiáng)度可以進(jìn)行強(qiáng)化，能改良圍巖應(yīng)力狀態(tài)，約束對(duì)圍巖變形的破壞，吸收沖擊剩余能量，可以有效降低巷道圍巖的變形量。

基于沖擊礦壓巷道采用錨桿支護(hù)的工作原理，考慮到什林煤業(yè)井下巷道地質(zhì)條件實(shí)況，提出了基于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，采用高強(qiáng)度強(qiáng)力錨固體系來保障井下巷道錨固區(qū)范圍的穩(wěn)定性。該支護(hù)體系具有的高延伸率，可以實(shí)現(xiàn)錨固區(qū)在一定程度上的連續(xù)變形[5]。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 二采區(qū)5244 運(yùn)輸巷的支護(hù)設(shè)計(jì)分析

3.1.1 巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件

二采區(qū)5244 工作面運(yùn)輸巷道埋深390～480 m，沿煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)斷面為矩形斷面：掘進(jìn)寬度×掘進(jìn)高度=4.2 m×3.1 m，掘進(jìn)斷面積13.02 m2。煤層平均厚度14.5 m，煤巖主要成分：鏡煤、亮煤、暗煤和絲煤，由石英砂巖、粉砂巖、泥巖及泥灰?guī)r組成，平均強(qiáng)度21.08 MPa，較堅(jiān)硬。該巷道附近測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力、最大垂直主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力分別為16.53 MPa、11.34 MPa、9.13 MPa。

3.1.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)在該類型巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中采用錨桿支護(hù)容易失效問題[6]，在5244 工作面運(yùn)輸巷頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中采用全錨索支護(hù)設(shè)計(jì)方案，可施加較大預(yù)緊力，可形成錨固區(qū)穩(wěn)定、延伸率大的支護(hù)系統(tǒng)。主要支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：（1）頂板使用Ф22 m、長5.3 m鋼絞線，間排距為1100 mm×1000 mm；托板采用高強(qiáng)度拱形托板，規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm，初始張拉力不小于300 kN。（2）兩幫采用Ф20 mm、長2000 mm 玻璃圓鋼錨桿，間排距1100 mm×1000 mm，配合高強(qiáng)度托盤調(diào)心球墊和減磨球墊，錨桿托板采用高強(qiáng)度拱形托板。（3）頂板使用雙層網(wǎng)魚鱗狀搭接，聯(lián)網(wǎng)使用14#號(hào)鐵絲，雙股鐵絲擰扣；兩幫使用單層14#號(hào)鐵絲網(wǎng)護(hù)表。5244 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)布置情況如圖1 所示。

圖1 5244 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)布置示意圖 (單位：mm)

3.1.3 礦壓監(jiān)測(cè)及分析

5244 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)后，對(duì)該巷道表面變形情況進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖2。從巷道表面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，該巷道變形經(jīng)歷了劇烈期和穩(wěn)定期兩個(gè)階段，在整個(gè)期間頂板下沉量約140 mm，兩幫移近量近60 mm，頂板下沉量和兩幫移近量數(shù)值較小，全部在巷道圍巖變形的可控范圍內(nèi)，對(duì)比同類型巷道圍巖變形量降低65%左右。

圖2 5244 工作面運(yùn)輸巷表面變形情況

3.2 三采區(qū)W4205 運(yùn)輸巷的支護(hù)設(shè)計(jì)分析

3.2.1 巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件

三采區(qū)W4205 工作面運(yùn)輸巷埋深316.1～350.3 m，該巷道沿煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)斷面為矩形斷面：掘進(jìn)寬度×掘進(jìn)高度=4.2 m×3.1 m，掘進(jìn)斷面積13.02 m2。煤層平均厚度7.5 m，煤巖主要成分：鏡煤、亮煤、暗煤和絲煤，由石英砂巖、粉砂巖、泥巖及泥灰?guī)r組成，平均強(qiáng)度為19.13 MPa，較為堅(jiān)硬。該巷道附近測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力、最大垂直主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力分別為9.50 MPa、9.23 MP、5.17 MPa。最大水平主應(yīng)力方向N48.4°W，巷道布置方向?yàn)镹90°W，因此受地應(yīng)力的影響較大。

3.2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

從W4205 工作面運(yùn)輸巷煤層的實(shí)況可知，煤巖變形以離層和碎脹為主。因此針對(duì)這一情況，該巷道采用頂板錨桿配合W 鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)，主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1）巷道頂板采用Ф20 mm、長度2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，屈服強(qiáng)度500 MPa，錨固方式：采用每孔2 支錨固劑，1 支CK2335 藥卷，1 支K2360 藥卷，預(yù)緊扭矩不低于300 N·m，錨桿間距900 mm，排距900 mm；采用高強(qiáng)度拱形托板，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm；采用W 鋼護(hù)板，規(guī)格450 mm×280 mm×4 mm，中間圓形孔規(guī)格為Ф50 mm。兩幫采用Ф20 mm、長度2000 mm 的圓鋼樹脂錨桿，錨桿桿體屈服強(qiáng)度大于235 MPa，抗拉強(qiáng)度大于375 MPa，錨固方式：采用每孔1 支K2360 藥卷錨固劑，預(yù)緊扭矩不低于200 N·m，錨桿間距1100 mm，排距900 mm；采用高強(qiáng)度拱形托板，托板規(guī)格120 mm×120 mm×8 mm，鋼筋托梁規(guī)格：SB-14-3300-3。

（2）頂板錨索材料為Ф18.9 mm、1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長為6300 mm，每隔一排打三根錨索，間距1400 mm，排距1800 mm， 錨索錨固劑：每孔使用1 支CK2335 錨固劑和2 支K2360 錨固劑，錨索的護(hù)表構(gòu)件變?yōu)楦邚?qiáng)度拱形托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，初始張拉力不低于250 kN。W4205 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)布置情況如圖3 所示。

圖3 W4205 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)布置示意圖(單位：mm)

（3）巷道全斷面聯(lián)網(wǎng)使用14#鐵絲網(wǎng)護(hù)表，雙層網(wǎng)魚鱗狀搭接。

3.2.3 礦壓監(jiān)測(cè)及分析

W4205 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案完成并實(shí)施后，對(duì)該巷道錨桿受力情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。從圖中數(shù)據(jù)可知，頂板錨桿平均預(yù)緊力35 kN，幫錨桿平均預(yù)緊力為40 kN。頂板錨桿處于15～25 m 區(qū)域內(nèi)，平均預(yù)緊力突增，25～80 m 區(qū)域內(nèi)，平均預(yù)緊力位于穩(wěn)定的60 kN。幫錨桿整體的平均預(yù)緊力變化幅度較小，基本穩(wěn)定在55 kN。從上述數(shù)據(jù)可知，巷道錨桿受力情況正常，支護(hù)方案安全系數(shù)較大。

通過該巷道表面變形情況監(jiān)測(cè)顯示，在整個(gè)變形期間，頂板下沉量約為120 mm，兩幫移近量近70 mm，頂板下沉量和兩幫移近量數(shù)值較小，對(duì)比同類型巷道圍巖變形量降低71%左右。

圖4 錨桿受力變化情況

4 結(jié)論

針對(duì)什林煤業(yè)公司巷道掘進(jìn)初期煤炮頻緊，巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、變形速度快、規(guī)律復(fù)雜，以離層為主的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大變形控制支護(hù)設(shè)計(jì)方案，在二采區(qū)5244 運(yùn)輸巷采用全錨索強(qiáng)力支護(hù)、在三采區(qū)W4205 運(yùn)輸巷采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)，巷道圍巖的變形量得到有效控制，對(duì)比同類型巷道變形和離層值均下降了65%以上，支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理，降低了支護(hù)成本，提高了掘進(jìn)效率。