靳學(xué)乾

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái)054001）

1 概 況

沿空掘巷不對(duì)稱礦壓顯現(xiàn)特征與其外部工程巖體環(huán)境、內(nèi)部巖性結(jié)構(gòu)、采掘活動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力分布轉(zhuǎn)移、支護(hù)模式等有著密切的關(guān)系。針對(duì)沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)理和穩(wěn)定性控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從采礦工程、礦山地質(zhì)及宏觀力學(xué)等學(xué)科的不同視角，圍繞沿空巷道覆巖“大、小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定控制核心主題，對(duì)沿空巷道礦壓顯現(xiàn)特征及其主控因素、頂板破壞失穩(wěn)及其力學(xué)機(jī)制、圍巖控制理論與關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了有益的探索[1-6]。但深部巷道圍巖收斂變形量嚴(yán)重，且往往表現(xiàn)出很明顯的非對(duì)稱特征，采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)難以保證巷道的穩(wěn)定，使用中需要多次維修，對(duì)煤礦的正常生產(chǎn)造成了一定的影響。

2 11214運(yùn)輸巷沿空掘巷非對(duì)稱性變形特征

2.1 11214運(yùn)輸巷頂?shù)装甯艣r

邢東礦11214工作面所采煤層為2號(hào)煤層，煤層平均厚度4.2 m。工作面標(biāo)高-720—-970 m，地面標(biāo)高為+53.8—+59.3 m。11214運(yùn)輸巷緊鄰11212、2223采空區(qū)。全長(zhǎng)1 335 m，平均坡度12°。煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，見表1。11214運(yùn)輸巷采用采用EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)作業(yè)，下山掘進(jìn)。

表1 11214運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of roof and floor of 11214 transportation roadway

2.2 原支護(hù)方案

11214運(yùn)輸巷為矩形巷道，設(shè)計(jì)斷面4 500 mm×3 500 mm（高×寬）。頂錨桿采用φ22 mm×2 400 mm螺紋鋼超強(qiáng)錨桿，每孔使用兩卷Z2360樹脂錨固劑錨固，配合穹形鋼托盤、φ12 mm鋼筋梁及菱形金屬網(wǎng)，錨桿間排距800 mm×800 mm；頂板采用φ21.8 mm×8 500 mm 19股鋼絞線錨索加強(qiáng)支護(hù)，每孔使用3卷Z2360樹脂錨固劑錨固，配合2.6 m、14號(hào)槽鋼、木墊板、鋼托盤等，五花眼布置，間排距1 600 mm×1 400 mm。11214運(yùn)輸巷支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 11214運(yùn)輸巷支護(hù)方案Fig.1 Support scheme of 11214 transport roadway

兩幫支護(hù)采用φ20 mm×2 400 mm全螺紋錨桿，每孔使用兩卷Z2360樹脂錨固劑錨固，配合使用穹形鋼托盤、φ12 mm鋼筋梁及菱形金屬網(wǎng)，錨桿間排距800 mm×800 mm；兩幫距頂板1.5、3.0 m處打設(shè)兩趟順巷錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索采用φ15.24 mm×45 00 mm 7股鋼絞線錨索，每孔使用3卷Z2360樹脂錨固劑錨固，間距1 600 mm，配合200 mm×200 mm鋼托盤和φ12 mm鋼筋梁連鎖。

2.3 巷道圍巖變形特征分析

為全面揭示巷道的變形特征，運(yùn)用十字測(cè)點(diǎn)交叉法在11214運(yùn)輸巷進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)。在巷道內(nèi)每隔100 m布置1個(gè)測(cè)站，共計(jì)5個(gè)。90 d后巷道趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果整理如下。

隨著深度的增加，巷道頂?shù)装?兩幫變形量均趨于增大。巷道底鼓、幫鼓嚴(yán)重，兩幫變形量達(dá)到600 mm左右，底鼓400 mm左右。頂板下沉量控制在40 mm上下。嚴(yán)重的底鼓、幫鼓給物料運(yùn)輸、皮帶維護(hù)、通風(fēng)等增加了困難。

左幫變形量平均達(dá)到200 mm，右?guī)蛣t達(dá)到400 mm。右?guī)妥冃瘟窟h(yuǎn)大于左幫。11212工作面的開采、11214運(yùn)輸巷的開掘打破了原有的應(yīng)力平衡，應(yīng)力集中向右?guī)头较蚱啤ｍ斿^桿、頂錨索組成的頂板支護(hù)系統(tǒng)未能有效控制右?guī)蛡?cè)頂板，使得應(yīng)力向右?guī)蛡鬟f，造成右?guī)偷膰?yán)重破壞。為更好控制右?guī)?，需要將頂錨索向右側(cè)偏移或增加頂錨索數(shù)量。

左右兩幫的高、中、低三個(gè)部位產(chǎn)生不同的變形。高部變形平均為438 mm，中部次之，低部最小，最大分別達(dá)到390、372 mm。巷道右上隅角的應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，而煤巖體的抗拉伸能力遠(yuǎn)低于抗剪切破壞能力，故發(fā)生塑性剪切破壞，變形嚴(yán)重。原支護(hù)下的巷道變形如圖2所示。

圖2 原支護(hù)下的巷道變形Fig.2 Roadway deformation under original support

2.4 巷道頂板巖體性質(zhì)評(píng)價(jià)

頂板巖樣物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表見表2，根據(jù)我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB50217-94），結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的煤巖力學(xué)參數(shù)，對(duì)邢東礦11214頂板巖體進(jìn)行分類。

表2 頂板巖樣物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of roof rock sample

式中：BQ為巖體質(zhì)量指標(biāo)；RC為巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度的兆帕數(shù)值；Kv為巖體完整性指數(shù)值。

根據(jù)采集頂板巖樣實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，邢東礦11214頂板細(xì)粒砂巖的質(zhì)量分級(jí)見表3。

表3 頂板巖體基本質(zhì)量分級(jí)Table 3 Basic quality classification of roof rock mass

由上表可知，11214工作面頂板細(xì)粒砂巖屬于堅(jiān)硬巖，巖體較破碎，Ⅲ類圍巖。11216工作面運(yùn)料巷為沿空掘巷，由于頂板巖體堅(jiān)硬，小煤柱護(hù)巷條件下頂板傾向破斷線向采空區(qū)方向轉(zhuǎn)移，懸頂長(zhǎng)度加大，易造成頂板壓力陡增、礦壓顯現(xiàn)劇烈。

3 非對(duì)稱支護(hù)機(jī)理

由于11214運(yùn)輸巷位于相鄰工作面回采形成的側(cè)向支承壓力峰后單調(diào)遞減區(qū)，巷道在未支護(hù)條件下，頂板彎矩和撓度如圖所示[7-10]。從圖中可以明顯看出，彎矩和撓度呈顯著非對(duì)稱分布，且彎矩和撓度的“重心”位于最大值和煤柱幫之間，該區(qū)域頂板極易破碎，完整性差。基于此，11214運(yùn)輸巷擬采用非對(duì)稱“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”的支護(hù)形式，且槽鋼梁位于彎矩和撓度的“重心”位置。

巷道采用不對(duì)稱布置的錨索桁架支護(hù)，并施加高預(yù)應(yīng)力后，可做如下假設(shè)：鋼筋梯子梁剛度較小，將其視為柔性的；槽鋼梁的剛度較大，將其對(duì)頂板的支護(hù)力視為均布的；忽略錨固體質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)體的影響。錨索桁架不對(duì)稱支護(hù)機(jī)理力學(xué)分析如圖3所示。

圖3 錨索桁架不對(duì)稱控頂機(jī)理力學(xué)分析Fig.3 Mechanical analysis of asymmetric roof control mechanism of cable truss

根據(jù)錨索桁架不對(duì)稱支護(hù)機(jī)理分析，建立錨索桁架不對(duì)稱支護(hù)力學(xué)模型，如圖4所示。

圖4 錨索桁架不對(duì)稱支護(hù)力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of asymmetric support of cable truss

根據(jù)圖4錨索桁架不對(duì)稱支護(hù)力學(xué)模型，可列平衡方程：

對(duì)O點(diǎn)取矩，可列彎矩平衡方程：

式中：ΔR1為采用錨索桁架支護(hù)后，實(shí)體煤幫支撐力減小量，kN；ΔR2為采用錨索桁架支護(hù)后，煤柱幫支撐力減小量，kN；F為錨索預(yù)應(yīng)力，kN；p為槽鋼梁對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度，kN/m；s為實(shí)體煤幫側(cè)錨索坐標(biāo)，m；l為槽鋼梁長(zhǎng)度，m；t為槽鋼梁與煤柱幫間距，m。

聯(lián)系上述公式可得：

采用“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”非對(duì)稱支護(hù)后，巷道頂板彎矩減小量計(jì)算如下：

根據(jù)邢東礦相關(guān)地質(zhì)生產(chǎn)參數(shù)，可得出沿空煤巷采用“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”不對(duì)稱支護(hù)后的頂板彎矩減小量分布圖，如圖5所示。

圖5 錨索桁架不對(duì)稱支護(hù)頂板彎矩Fig.5 Bending moment diagram of unsymmetrical supporting roof with cable truss

從圖5中可以看出，采用“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”不對(duì)稱支護(hù)后頂板彎矩減小最大區(qū)域?yàn)槊褐鶐透浇鼌^(qū)域，與未支護(hù)條件下頂板彎矩最大區(qū)域基本吻合，也是槽鋼梁支護(hù)區(qū)域，且槽鋼上開長(zhǎng)條孔，即使巷道頂板發(fā)生水平移動(dòng)也不影響槽鋼梁支護(hù)區(qū)域頂板的垂直受力，有效控制了巷道頂板的不對(duì)稱下沉和水平移動(dòng)問(wèn)題。

4 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 支護(hù)方案

關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)。頂錨索由兩趟改為三趟，并向右?guī)头较蚱疲嘤規(guī)头謩e為750、2 100、3 200 mm。同時(shí)，考慮的巷幫高、中、低三部位的不同變形，幫錨索向頂板方向偏移，改為距頂1.1、2.2 m打設(shè)。其他支護(hù)參數(shù)不變。11216運(yùn)輸巷優(yōu)化施工方案如圖6所示。

圖6 11216運(yùn)輸巷優(yōu)化施工方案Fig.6 Optimized construction scheme of 11216 transport lane

4.2 應(yīng)用結(jié)果分析

在運(yùn)輸巷使用優(yōu)化施工方案。4個(gè)月后巷道基本穩(wěn)定。頂?shù)装逡平繙p小；兩幫變形量、均大幅降低且趨于平衡；巷幫上隅角變形突出的問(wèn)題得到改善，上下變形基本趨于一致。優(yōu)化后的支護(hù)方案，更好地控制了巷道圍巖變形。

5 結(jié) 論

（1）邢東礦大采深工作面沿空掘巷的巷道變形具有明顯的非對(duì)稱性，右?guī)蜕嫌缃亲冃巫顬閲?yán)重。巷道右?guī)妥冃蚊黠@大于左幫。

（2）“多錨索-鋼筋組合圈梁-槽鋼”不對(duì)稱支護(hù)減少了頂板淺部巖層的垂直受力，可有效控制巷道頂板的不對(duì)稱下沉和水平移動(dòng)問(wèn)題。

（3）不對(duì)稱支護(hù)在11216運(yùn)輸巷的應(yīng)用表明，巷道表面位移小，掘進(jìn)后4個(gè)月巷道變形穩(wěn)定，對(duì)巷道的控制效果好，可為類似深部沿空掘巷的巷道支護(hù)提供參考。