高鳳偉

(山西晉煤集團 趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046605)

隨著我國煤礦開采強度和開采深度的增加，地質條件越來越復雜，地應力水平越來越高，致使采掘接續(xù)緊張，巷道圍巖控制難道加大，尤其是承受高地應力、一次或多次采動應力影響且頂板為軟巖復合頂板、大巷高大跨度的大斷面回采巷道，給錨桿支護技術帶來嚴峻的挑戰(zhàn)[1，2]。對于軟弱復合頂板的回采巷道，常規(guī)錨桿索支護技術很難較好地控制巷道圍巖的變形，需改變支護形式或掘進工藝方可達到有效控制圍巖的目的，使得其滿足工作面的安全高效回采，例如：注漿錨桿索支護技術[3-6]、錨桿索支護技術聯合超前或滯后注漿技術[7-10]、錨桿索聯合型鋼封閉支護技術[11-13]或采用圓形盾構施工工藝[14-16]等，但這些施工工藝或支護技術不僅需增加或更換施工裝備，投入成本大，而且掘支效率低，又帶來采掘接續(xù)緊張問題。以往采掘生產實踐表明，趙莊煤礦3號煤層具有埋深大、地應力高、煤層厚、頂板軟巖互層的特點，回采巷道具有跨度大、巷幫高的大斷面特征，經歷一次或兩次工作面回采的采動影響下，常規(guī)的錨桿索支護巷道變形量大，巷道片幫和錨桿索斷裂時有發(fā)生，存在潛在冒頂的危險，往往需施工大量的補強錨索和注漿加固及多次擴巷返修才能保證其滿足正?；夭尚枨?。因此，有必要針對趙莊煤礦高地應力、軟巖互層頂板、大斷面回采巷道設計研發(fā)一種安全高效的回采巷道支護技術。

1 礦井概況

趙莊煤礦井田位于沁水煤田東南部，地處山西省晉城市北53km。礦井設計生產能力為8Mt/a，初期開采二疊系下統(tǒng)山西組3號煤層，從全區(qū)看3號煤層賦存穩(wěn)定，結構復雜，厚度0～6.35m，平均厚度4.69m，煤層傾角1°～8°，平均5°，夾矸一般為一層，位于煤層下部。3號煤層最大埋深達850m，已處于深部開采條件，3號煤層直接底主要為泥巖或砂質泥巖，煤層頂板為泥巖、砂質泥巖及各類砂巖互層的復合頂板，各盤區(qū)煤層頂板巖層性質變化較大，給巷道圍巖穩(wěn)定性控制帶來嚴重挑戰(zhàn)。3號煤層現劃分為五個盤區(qū)，各工作面均采用走向長壁一次采全高后退式自然垮落綜合機械化采煤法。

2 煤層地質力學環(huán)境評估及原巷道支護設計

2.1 煤巖體強度及結構特征

趙莊煤礦3號煤層頂板巖性變化較大，直接頂大都為泥巖和砂巖互層結構，單層厚度0.6～3.65m，累計厚度0.6～10.5m，巖石較破碎，單軸抗壓強度較小，主要集中在26.4～35.2MPa，為典型的軟巖互層結構；基本頂為灰黑色粉砂巖和細粒砂巖，厚度3.8～13.2m，單軸抗壓強度為73.2MPa；直接底主要為泥巖或砂質泥巖，局部夾有薄煤層，厚度1.5～3.5m，巖層遇水易膨脹，強度低，單軸抗壓強度為15～28MPa；老底基本為泥巖，厚度一般超過3.6m，單軸抗壓強度為50MPa左右。

趙莊煤礦3號煤層強度也有很強的區(qū)域性，煤體強度高的在15MPa左右，強度較低的區(qū)域煤體強度在10MPa以下，相比晉城礦區(qū)其他礦井而言3號煤的強度偏小，節(jié)理、裂隙非常發(fā)育，煤塊強度明顯高于煤體強度，受掘進影響煤幫淺部煤體破碎、強度較低，隨距巷幫深度的增加煤體強度逐漸趨于穩(wěn)定。

礦物成分測試結果表明，趙莊煤礦3號煤圍巖都含有遇水膨脹的蒙脫石-伊利石混層礦物；由于粘土礦物如伊利石、高嶺石含量越高，其圍巖抵抗風、水及其他化學環(huán)境侵蝕的能力越差，具有遇水風化的層間斷裂破壞特性，對巷道圍巖的整體長期穩(wěn)定不利，巷道圍巖易風化、遇水膨脹。

2.2 煤層地應力特征

地應力測試結果表明，趙莊煤礦3號煤層最大地應力主要表現為水平地應力，方位角為N25°～35°W，最大水平地應力側壓力系數為1.33，平均1.07～1.26；最小水平地應力側壓力系數平均0.58～0.66，即趙莊煤礦3號煤層具有顯著的構造應力特征；豎向地應力以自重應力場為主。若煤層埋深800m，上覆巖層平均容重2500kg/m3，則其最大水平地應力、最小水平地應力和豎向地應力分別為25.2MPa、13.2MPa和20MPa；由此可見，高地應力勢必在一定程度上影響著巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.3 回采巷道原支護設計

趙莊煤礦3號煤層回采巷道斷面設計為矩形，掘進寬度為5.6m，高為4.5m，當煤層厚度小于5.5m時沿煤層頂底板掘進，即巷高最大為5.5m；由此可知，趙莊煤礦3號煤層回采巷道為典型的大斷面巷道。趙莊煤礦3號煤層回采巷道原設計采用錨桿錨網聯合支護，頂板每排布置5根型號為MSGLW-500/22-2400的錨桿，間排距為1.2m×1.2m，且以“2-0-2”形式每排布置兩根型號為SKP22-1/1720-6300的錨索，錨索間排距為1.8m×2.4m。巷幫以“5-3-5-4-5”布置型號為MSGLW-500/22-2400的錨桿，錨桿間排距為0.95m×1.2m，最上一根錨桿距頂板0.3m，最下一個錨桿距底0.4m；型號為SKP17.8-1/1860-5300的錨索采用“2-1-2”布置與錨桿同排，每排兩根錨索時替代幫部2#、4#錨桿，間距1.9m，每排一根錨索時替代幫部3#錨桿，排距2.4m。趙莊煤礦3號煤層回采巷道原支護設計如圖1所示。

圖1 3號煤層回采巷道原錨桿索聯合支護(mm)

2.4 回采巷道礦壓顯現特征

由于趙莊煤礦3號煤層松軟破碎，頂板軟巖互層結構且較破碎，加之煤層埋深大和地應力高的特點，使得上述錨桿索聯合支護的回采巷道在采動應力影響下巷道動壓顯現劇烈，巷道頂底板最大移近量超過2m，兩幫移近量最大可達2m，局部片幫、錨桿索尾部脫空、錨桿索斷裂現象時有發(fā)生，至少需要擴巷一次甚至多次，并且超前或滯后補打大量錨索才有可能滿足工作面的正常生產，給采掘接續(xù)和安全高效生產帶來嚴重影響。

為此，本文在分析3號煤層地質力學特征及現有支護所存在問題基礎上，提出了全斷面高預緊力錨索支護技術，采用數值模擬方法獲得錨索的支護參數，并通過現場工業(yè)試驗進行優(yōu)化與驗證。

3 全斷面高預緊力錨索支護方案設計

3.1 錨索支護參數的確定

依據趙莊煤礦3號煤層及其頂底板巖層賦存特征，采用FLAC3D有限差分數值模擬方法，建立了回采巷道全斷面錨索支護數值模擬模型，分析主要錨索支護參數對其支護效果的影響，為全斷面高預緊力錨索支護方案的設計提供理論參考依據?；夭上锏栏叨葹槊簩雍穸?.6m，巷道寬度5.6m，煤巖體均采用拉剪復合破壞屈服準則的理想彈塑性本構模型，煤巖層物理力學參數見表1。

3.1.1 頂板錨索支護初設參數確定

頂板錨索預緊力為100kN、150kN、200kN、250kN四種工況下的支護應力場數值模擬結果如圖2(a)—(d)所示，其中，各工況頂板錨索間距為1.2m，排距為2.0m。從圖中可清晰地看出：各工況下錨索兩端附近圍巖的壓應力最大，之間被錨索夾持的區(qū)域次之；隨錨索預緊力的增加，被錨索夾持的錨固區(qū)域的壓應力大小及分布范圍均隨之增大，當錨索預緊力超過200kN后，沿錨索軸向、相鄰錨索之間的頂板錨固區(qū)煤巖體壓應力均開始貫通。頂板錨索排距為3.0m、2.5m、2.0m、1.5m四種工況下的支護應力場數值模擬結果如圖2(e)—(h)所示，從圖中可清晰地看出：當頂板錨索排距是1.5m時，頂板相鄰錨索產生的支護應力場相互疊加，沿錨索軸向最小重疊應力場高度約為錨索長度的2/3，當錨索排距增至2.0m時，頂板相鄰錨索支護壓應力場重疊區(qū)域開始減少，錨索軸向重疊的應力場高度已降至錨索長度的1/3，當頂板錨索排距超過2.5m后，相鄰錨索產生的壓應力場已不再疊加。

表1 趙莊煤礦3號煤的煤巖體物理力學參數

圖2 不同錨索預緊力和排距下的 頂板支護應力場

圖3 不同錨索預緊力和排距下的 巷幫支護應力場

3.1.2 巷幫錨索支護初設參數確定

巷幫錨索預緊力為100kN、150kN、180kN、200kN四種工況下的支護應力場數值模擬結果如圖3(a)—(d)所示，其中，各工況巷幫錨索間距為0.95m，排距為1.5m。從圖中可清晰地看出，與頂板錨索支護應力場分布規(guī)律相一致，巷幫錨索兩端附近圍巖的壓應力最大，之間被錨索夾持的區(qū)域次之，隨錨索預緊力的增加，被錨索夾持的錨固區(qū)域的壓應力大小及分布范圍均隨之增大，當錨索預緊力超過150kN后，沿錨索軸向、相鄰錨索之間的巷幫錨固區(qū)煤巖體壓應力均開始貫通。巷幫錨索排距為3.0m、2.5m、2.0m、1.5m四種工況下的支護應力場數值模擬結果如圖3(e)—(h)所示，從圖中可清晰地看出：與頂板錨索支護應力場分布規(guī)律相一致，當巷幫錨索排距為1.5m時，巷幫相鄰錨索產生的支護應力場相互疊加，沿錨索軸向最小重疊應力場高度約為錨索長度的2/3，當巷幫錨索排距增至2.0m時，相鄰錨索支護壓應力場重疊區(qū)域開始減少，錨索軸向重疊的應力場高度已降至錨索長度的1/2，當巷幫錨索排距超過2.5m后，相鄰錨索產生的壓應力場已不再疊加。

上述數值模擬結果表明，預緊力是巷道錨桿索主動支護的重要指標，提高錨索預緊力可顯著增加錨索對錨固區(qū)煤巖體的夾持效應，提高錨固區(qū)煤巖體的剛度和強度。為較好地發(fā)揮全錨索結構的支護性能，設計趙莊煤礦頂板錨索預緊力不小于250kN，兩幫錨索預緊力不小于150kN；當圍巖強度高、完整性好時，錨索間排距最大不超過2.0m，當圍巖強度弱、完整性不好時，錨索間排距最大不超過1.5m。

3.2 全斷面高預緊力錨索支護方案

基于上述全錨索巷道支護應力場的數值模擬結果，結合趙莊煤礦3號煤層賦存地質特征及圍巖結構與強度特性，在不改變原回采巷道尺寸下，提出采用全斷面高預緊力錨索代替原錨桿索聯合支護。設計的全斷面高預緊力錨索支護如圖4所示。其中，頂板采用型號為SKP22-1/1720-6300的錨索，間排距均為1.2m，靠幫側錨索距幫0.35m，采用“兩長一短”三支樹脂錨固劑端頭錨固，預緊力不小于250kN；兩幫采用型號為SKP17.8-1/1860-5300的錨索，間距0.95m，距頂和底分別為0.3m和0.4m，排距1.2m，采用“兩長一短”三支樹脂錨固劑端頭錨固，預緊力不小于150kN。

4 現場工業(yè)性試驗

趙莊煤礦3306工作面33063回采巷道采用全錨索支護，巷道支護后經測站監(jiān)測數據可知，工作面回采影響下，超前和滯后工作面約50m范圍內巷道圍巖變形最為劇烈，滯后工作面約100～150m后，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；鄰近工作面回采后，33063巷頂底板最大移近量為1.1～1.3m，其中頂板下沉量降至96～140mm，兩幫最大移近量為0.52～0.6m。巷道錨索軸力監(jiān)測結果表明，巷道頂板和兩幫錨索最大軸力為其破斷力的70%～90%，極少數個別地方會出現錨索破斷失效的現象。因此，采用全斷面高預緊力錨索支護技術后，較原錨桿索聯合支護下巷道兩幫及頂板變形顯著降低，回采巷道基本不需要進行維修就能滿足生產通風的使用要求，降低了巷道維護成本，節(jié)省了大量的人力、物力，同時更為工作面的掘進、回采交接節(jié)省了大量的時間，保證了工作面的安全高效回采。

全斷面高預緊力錨索支護技術在趙莊煤礦3號煤層回采巷道的應用表明，與原先采用的錨桿索聯合支護技術相比，對于高地應力、軟巖互層的復合頂板條件下，該支護技術可有效控制大斷面回采巷道的圍巖變形，除巷幫個別地方向巷內擠出導致頂角錨索有破斷現象之外，變形后的巷道可滿足使用要求，不需要對巷道進行擴修；總體來說回采巷道采用全錨索支護后，完全控制了頂板的下沉，在經受回采動壓的強烈影響后頂板下沉量最大達到140mm；作為留巷二次復用巷道也只需要進行個別地方的挖底工作就能滿足巷道的復用要求。

圖4 趙莊煤礦3號煤層回采巷道全斷面高預緊力錨索支護方案(mm)

5 結 語

通過采用實驗室測試、現場測試的方法，明確了趙莊煤礦地應力分布特征、軟巖互層頂板的結構特征和強度特性等地質力學特征，在深入分析原錨桿索聯合支護下回采巷道礦壓顯現特點基礎上，提出了全斷面高預緊力錨索支護技術，采用數值模擬方法確定了錨索的最佳支護參數，并通過現場試驗驗證了該支護技術的有效性，即全斷面高預緊力錨索支護技術可較好地控制高地應力、軟巖互層復合頂板條件下大斷面回采巷道的圍巖變形，有效解決了趙莊煤礦采掘接續(xù)緊張問題，保障了工作面的安全高效回采。