彭邦林

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

資源賦存決定了我國是以煤炭作為主要消費能源的國家。由于煤炭地質(zhì)賦存所限，我國煤礦以井工開采為主，需要掘進大量的地下巷道。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國每年掘進巷道長度超過2萬km[1]。在煤礦開采過程中，保證地下巷道服務期內(nèi)的圍巖穩(wěn)定是煤礦安全開采的基本保障。為此，針對煤礦地下巷道的圍巖穩(wěn)定控制，國內(nèi)外專家學者進行大量研究，形成了諸如懸吊理論、組合拱、圍巖強度強化等眾多圍巖控制理論與假說，又如錨桿、錨索、注漿、型鋼、鋼管混凝土及其聯(lián)合支護等巷道圍巖控制技術(shù)，推動了煤礦巷道圍巖控制技術(shù)和理論的快速發(fā)展。目前，應用最為廣泛的應數(shù)錨桿支護，其屬于主動支護的主要技術(shù)手段之一，具有支護效果好、成巷速度快等優(yōu)點[2-4]。

1 工程概況

辛置煤礦2-216綜采工作面位于310 m水平二采區(qū)正前軌道巷左側(cè)，東北面緊鄰二采區(qū)正前軌道巷，東面距離2-206工作面約310 m，其余方向無任何工作面。地面標高+628～ +716 m，工作面標高+208～ +228 m。工作面開采2#煤層，區(qū)域內(nèi)煤層厚3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角5°～10°，平均傾角9°。煤層穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復雜，含兩層夾矸，其中第二層夾矸層位較穩(wěn)定，厚度稍大，為低硫肥煤。工作面直接頂為泥巖、砂泥巖，厚0～7.5 m，平均厚度3.0 m，灰黑色，薄層狀，層面含豐富植物化石，半堅硬，下部為泥巖，局部相變?yōu)樯皫r；基本頂為K8中細砂巖，厚6.0～8.2 m，平均7.2 m，灰白色，厚層狀，石英為主，次圓狀，分選中等，堅硬；直接底為泥巖，厚4.0～6.5 m，平均厚度4.5 m，灰黑色，厚層狀，水平層理，半堅硬，中上部含有菱鐵礦結(jié)核；基本底為中砂巖，厚4.0～7.8 m，平均厚度6.5 m，灰白色，中厚層狀，分選中等，堅硬。2-216工作面運輸巷沿煤層走向布置，矩形斷面，設(shè)計斷面尺寸5.0 m×3.9 m，長度669 m，用途：進風、行人、運煤。

2 堅硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

2.1 堅硬頂板下巷道圍巖控制思路

2-216工作面運輸巷頂板賦存平均厚度7.2 m的厚層狀灰白色K8中細砂巖，堅固性系數(shù)在11～12之間，巖層穩(wěn)定性較高，承載能力較好?；诖耍岢鲞m用于試驗巷道的堅硬頂板下巷道圍巖控制思路，具體如下：

（1）發(fā)揮堅硬頂板巖層承載能力。試驗巷道沿頂掘進，頂板賦存的厚層狀灰白色K8中細砂巖，具有較高穩(wěn)定承載性能。因此，在巷道支護時，將軟弱巖層錨固至基本頂穩(wěn)定巖層，充分發(fā)揮基本頂K8中細砂巖的承載能力，促使支護圍巖形成統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)。

（2）高強度及時主動控制。巷道掘出后，圍巖由三向受力轉(zhuǎn)為雙向受力，未約束的圍巖側(cè)短時間內(nèi)易出現(xiàn)嚴重的碎脹變形。因此，應及時施工支護結(jié)構(gòu)，同時采用高強度的主動支護結(jié)構(gòu)，如三高錨桿、預應力錨索等材料，充分改善巷道圍巖承載能力，形成高強度的主動承載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)巷道圍巖的主動控制。

（3）支護參數(shù)合理優(yōu)化。根據(jù)試驗巷道揭露情況合理優(yōu)化支護參數(shù)，如揭露斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時，巷道圍巖維護相對困難，可采用架棚、注漿或通過縮減錨桿間排距方式實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

2.2 堅硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)

基于2-216工作面運輸巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合提出的堅硬頂板下巷道圍巖控制思路，開發(fā)相對的堅硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)，具體支護參數(shù)如下：

（1）頂板采用“高強度錨桿+預應力長錨索+鋼筋梯子梁+W鋼帶+金屬網(wǎng)”支護。高強度錨桿采用Φ22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，每排布置7根，均垂直于頂板布置。每根錨桿配套1支CK2335和1支Z2360樹脂錨固劑，預緊力矩不小于270 N·m。錨桿采用Φ14 mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯子連接。高預緊力、高強度錨桿促使支護和淺部圍巖（直接頂巖層泥巖和砂巖）形成主動錨固結(jié)構(gòu)，改善巷道圍巖條件。預應力長錨索采用規(guī)格為Φ21.6 mm×7300 mm的鋼絞線，間排距2200 mm×2400 mm，每排布置2根。每根錨索配套1支CK2335和2支Z2360樹脂錨固劑，張拉預緊力不低于40 MPa。錨索采用4 mm厚的W鋼帶連接。預應力長錨索將主動錨固結(jié)構(gòu)懸吊至穩(wěn)定巖層（基本頂巖層K8中細砂巖）。金屬網(wǎng)采用直徑Φ3.3 mm的鐵絲編制而成，規(guī)格5200 mm×1200 mm。

（2）兩幫采用“高強度錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)”支護。高強度錨桿采用Φ20 mm×2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，每排布置5根，均垂直于巷幫布置。每根錨桿配套1支CK2335和1支Z2360樹脂錨固劑，預緊力矩不小于220 N·m。錨桿采用Φ14 mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯子連接。高預緊力、高強度錨桿促使支護和淺部圍巖（巷幫煤體）形成主動錨固結(jié)構(gòu)，改善巷道圍巖條件。金屬網(wǎng)采用Φ3.3 mm的鐵絲編制而成，規(guī)格3800 mm×1200 mm。巷道支護斷面圖如圖1。

圖1 巷道支護斷面圖

（3）根據(jù)礦井地質(zhì)資料，試驗巷道將揭露多條斷層構(gòu)造。在該區(qū)域內(nèi)，合理優(yōu)化支護參數(shù)，通過縮減錨桿索間排距實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。具體如下：頂幫錨桿間排距由800 mm×800 mm縮減至600 mm×600 mm，錨索間排距由2200 mm×2400 mm縮減至1600 mm×1600 mm，同時幫部增加預應力長錨索支護。錨索采用規(guī)格為Φ21.6 mm×5300 mm的鋼絞線，間排距1400 mm×1600 mm。其余參數(shù)同正常區(qū)域一致。

3 巷道圍巖控制效果

將提出的堅硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)應用于2-216工作面運輸巷，同時監(jiān)測掘巷后巷道圍巖變形情況。圖2給出了巷道圍巖變形曲線圖，從變形曲線上看圍巖變形大概可分為3個階段，包括巷道初掘快速變形時期、中期緩速變形時期以及后期穩(wěn)定變形時期。其中，巷道初掘快速變形時期大概在巷道掘出45 d階段內(nèi)，該階段巷道圍巖變形速度最快，頂?shù)装鍘r層變形速度約1.07 mm/d，兩幫圍巖變形速度約0.80 mm/d；中期緩速變形時期在巷道掘出45～90 d階段內(nèi)，該階段巷道圍巖變形速度有所減緩，頂?shù)装鍘r層變形速度約0.65 mm/d，兩幫圍巖變形速度約0.44 mm/d，變形速度相對降低39%和45%；后期穩(wěn)定變形時期在巷道掘出45～90 d后，該階段巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，圍巖變形速度整體低于0.2 mm/d，此時巷道頂?shù)装遄畲笠平考s77 mm，巷道圍巖兩幫最大移近量約56 mm。綜上所述，試驗巷道圍巖變形較小，均在允許變形范圍內(nèi)，表明了堅硬頂板下巷道圍巖控制思路和技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

圖2 巷道圍巖變形曲線圖

4 結(jié)論

堅硬頂板巖層具備良好的承載能力，辛置煤礦2-216工作面運輸巷頂板賦存基本頂巖層K8中細砂巖，基于此，提出了以充分發(fā)揮堅硬頂板巖層承載能力、高強度及時主動控制、支護參數(shù)合理優(yōu)化為核心的堅硬頂板下巷道圍巖控制思路，形成以“高強度錨桿+預應力長錨索+鋼筋梯子梁+W鋼帶+金屬網(wǎng)”實現(xiàn)頂板控制、以“高強度錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)”實現(xiàn)巷幫控制的堅硬頂板下巷道圍巖控制技術(shù)。該技術(shù)在現(xiàn)場應用后，實現(xiàn)了2-216工作面運輸巷圍巖的穩(wěn)定控制。