劉繼敏 郭云峰

（1.山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

煤礦掘進(jìn)巷道采取錨桿支護(hù)技術(shù)能夠有效地提高巷道圍巖強(qiáng)度和巷道圍巖穩(wěn)定性［1-2］。但是，錨桿支護(hù)巷道的圍巖活動(dòng)狀況具有一定的隱蔽性，巷道在發(fā)生頂板離層和失穩(wěn)破壞時(shí)很難被察覺(jué)，存在著冒頂?shù)碾[患。因此，運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)測(cè)試和礦壓監(jiān)測(cè)等手段對(duì)錨桿的受力、頂板離層和兩幫壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，能夠及時(shí)反映支護(hù)效果和預(yù)測(cè)頂板垮落。張晉［3］在煤礦巷道開(kāi)挖前針對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的錨桿錨索長(zhǎng)度、錨固力進(jìn)行計(jì)算，而后對(duì)巷道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證了巷道支護(hù)效果。郝登云［4］針對(duì)巷道發(fā)生的離層現(xiàn)象，研究了錨桿離層前后的承載特性，根據(jù)錨桿極限承載軸力和界面剪切力的變化，對(duì)樹(shù)脂錨桿承載特性進(jìn)行分析，并改進(jìn)了樹(shù)脂錨桿。張秉權(quán)［5］提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)，合理的構(gòu)建支護(hù)體系。張宏偉［6］通過(guò)實(shí)測(cè)巷道圍巖變形量和圍巖松動(dòng)圈范圍，從而優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道圍巖變形得到明顯改善。本研究基于現(xiàn)有研究成果，利用地質(zhì)力學(xué)測(cè)試等手段優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

宏巖煤礦屬于高瓦斯礦井，為保證工作面通風(fēng)、運(yùn)輸、瓦斯排放等需要，采取“一面四巷”的方式?；仫L(fēng)下山屬于采區(qū)準(zhǔn)備巷，服務(wù)年限長(zhǎng)，掘進(jìn)斷面寬度為5.2 m，高度為4.2 m，屬于永久巷道，目前尚未有周?chē)ぷ髅婊夭捎绊?，但通過(guò)井下監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分地段頂板出現(xiàn)了明顯的下沉現(xiàn)象，目前采取的支護(hù)措施并不能夠有效控制巷道的變形，并且頂板在靠近巷幫位置出現(xiàn)了“臺(tái)階”式下沉現(xiàn)象，同時(shí)回風(fēng)下山在掘進(jìn)期間出現(xiàn)了明顯的底鼓現(xiàn)象，迫切需要解決。

2 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試及分析

2.1 頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀察

在煤礦井下，圍巖控制是尤為重要的環(huán)節(jié)。圍巖控制措施主要有降低圍巖應(yīng)力、提高圍巖固結(jié)穩(wěn)定性和選擇合理的支護(hù)方式，巷道支護(hù)效果直接關(guān)系到職工生命安全。利用鉆孔窺視儀觀察上覆圍巖的結(jié)構(gòu)，尋找出相對(duì)穩(wěn)定的巖層位置，為確定錨桿錨索長(zhǎng)度提供依據(jù)。測(cè)點(diǎn)處頂板鉆孔深度為1.7 m，幫部鉆孔深度為4.5 m。

頂板鉆孔0～1.4 m范圍為煤層，在鉆孔壁表面有部分煤塊脫落，煤層完整性較好；頂板鉆孔1.4～1.7 m范圍為細(xì)砂巖，巖層完整性好，無(wú)明顯裂隙發(fā)育，非常有利于頂板的穩(wěn)定；幫部鉆孔0～3.0 m，3.8～4.5 m范圍為煤層，煤體中無(wú)明顯的裂隙發(fā)育，完整性較好；幫部鉆孔3.0～3.8 m范圍為煤層，煤體中縱向裂隙發(fā)育，煤體松散破碎，完整性較差。分析頂板巖層巖性構(gòu)成可得出以下結(jié)論。

（1）回風(fēng)下山頂板為1.2 m厚的煤層，頂板煤體的完整性較好，位于巷道的表面，屬于錨桿錨固范圍內(nèi)部，頂板巖性穩(wěn)定，有利于保證巷道深部巖體的穩(wěn)定。

（2）根據(jù)圍巖窺視圖和圍巖柱狀圖可知，10#煤層的頂板為細(xì)砂巖，上部為9#煤和灰?guī)r，細(xì)砂巖無(wú)明顯裂隙發(fā)育，非常有利于頂板的穩(wěn)定。由于窺視的深度較淺，不能完整地反映頂板狀況，需要在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)頂板進(jìn)行階段性的窺視工作。

（3）回風(fēng)下山幫部煤體在3.0 m范圍內(nèi)的完整性好，屬于錨桿的錨固范圍，煤體的完整性好，有利于巷幫的穩(wěn)定，但在3.0～3.8 m范圍出現(xiàn)了較為明顯的縱向裂隙，幫部的裂隙有可能出現(xiàn)進(jìn)一步的擴(kuò)展，影響巷幫的穩(wěn)定，因此需要進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)幫部的穩(wěn)定對(duì)于控制巷道的底鼓具有重要的作用和意義。

2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)圍巖的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，頂板巖層及煤層強(qiáng)度分布具有以下特點(diǎn)：頂板鉆孔0～1.4 m范圍為煤層，煤層強(qiáng)度的變化幅度不大，最高為18 MPa，最小為15.5 MPa，煤層平均強(qiáng)度為16.3 MPa；頂板鉆孔1.4～1.7 m范圍為細(xì)砂巖，巖層完整性好，無(wú)明顯裂隙發(fā)育，巖層的平均強(qiáng)度為38.5 MPa；幫部煤體的平均強(qiáng)度為14.45 MPa，屬于中等偏軟煤層。測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示。

頂板1.7 m范圍內(nèi)巖層的巖性和強(qiáng)度變化較大，頂板的最低強(qiáng)度為15.5 MPa，而最高強(qiáng)度達(dá)到了39 MPa，但對(duì)于同一巖性巖層，強(qiáng)度變化幅度不是很大，說(shuō)明巖層的均一性較好，完整性較好，特別是細(xì)砂巖，強(qiáng)度波動(dòng)范圍很小，非常有利于圍巖的穩(wěn)定。首采工作面煤層強(qiáng)度均值為14.45 MPa，其普氏系數(shù)為1.4，屬于中等偏軟煤層，穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此巷道掘進(jìn)時(shí)兩幫需加強(qiáng)支護(hù)。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

原有掘進(jìn)巷道支護(hù)方式為錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，優(yōu)化后的支護(hù)方式為“錨桿+錨索+W鋼帶補(bǔ)強(qiáng)”聯(lián)合支護(hù)?，F(xiàn)有巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)中，為適應(yīng)形變壓力變化趨勢(shì)，選取柔性支護(hù)技術(shù)，避免圍巖位移過(guò)大使形變壓力轉(zhuǎn)變成松動(dòng)壓力影響巷道正常施工作業(yè)。回風(fēng)下山巷道頂板支護(hù)中，錨索采用“三三間隔”布置，每隔2 000 mm打3根錨索，間距為1 425 mm，垂直頂板巖層；錨桿的數(shù)量由4根增加到6根，同時(shí)配以W鋼帶護(hù)頂；兩幫錨索布置間距排距為1 600 mm×1 600 mm，垂直幫部煤體，每排每幫5根錨桿，間排距為800 mm×800 mm，最上1根錨桿距離頂板400 mm；優(yōu)化后的回風(fēng)下山巷道的支護(hù)方案如圖3所示。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

隨著掘進(jìn)巷道的推進(jìn)，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力參數(shù)發(fā)生改變，因此必須隨時(shí)掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力變化，以此來(lái)調(diào)整支護(hù)布局或改變支護(hù)方式，確保井下作業(yè)人員及設(shè)備的安全。在掘進(jìn)巷道中，采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面，采用GYS-300（500）型錨桿測(cè)力計(jì)對(duì)錨桿錨索進(jìn)行觀測(cè)，掌握頂板錨桿受力分布和兩幫錨桿受力，采用頂板離層指示儀測(cè)試錨固區(qū)內(nèi)外頂板巖層位移值。通過(guò)對(duì)圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)跟蹤巷道支護(hù)實(shí)際狀態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)圍巖變形隱患，提升井下作業(yè)安全系數(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視和巷道圍巖強(qiáng)度的測(cè)試，回風(fēng)下山巷道幫部3.0～3.8 m范圍出現(xiàn)了較為明顯的縱向裂隙，幫部的裂隙有可能出現(xiàn)進(jìn)一步的擴(kuò)展，影響巷幫的穩(wěn)定。工作面煤層強(qiáng)度均值為14.45 MPa，其普氏系數(shù)為1.4，屬于中等偏軟煤層，穩(wěn)定性相對(duì)較差。針對(duì)這些問(wèn)題，優(yōu)化了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，采用錨網(wǎng)索配以W剛帶補(bǔ)強(qiáng)的聯(lián)合支護(hù)，同時(shí)增加了錨桿的數(shù)量，并且完善礦壓監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步保證巷道支護(hù)技術(shù)安全可靠。